1960—2009年間河南省≥0℃和≥10℃活動積溫時(shí)空變化*

郝成元，李明秋

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454150)

0 引言

植物生長發(fā)育都需要一定的溫度(熱量)條件。在其他條件均得到滿足時(shí)，一定數(shù)量范圍內(nèi)的氣溫與植物發(fā)育速度成正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)還要累積到一定的溫度總和才能完成其發(fā)育期，這個(gè)溫度累積數(shù)量稱為積溫。任何植物都有一個(gè)生長發(fā)育的下限溫度(或稱生物學(xué)起點(diǎn)溫度)，只有高于這個(gè)下限溫度，植物才能正常發(fā)育[1]。學(xué)術(shù)研究中，就把高于生物學(xué)下限溫度的日平均氣溫值叫做活動積溫。在區(qū)域性農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃時(shí)，≥0℃活動積溫是三大指標(biāo)之一，因?yàn)橹挥腥掌骄鶜鉁胤€(wěn)定通過0℃后，農(nóng)耕活動才能正常開始，喜涼耐寒植物才能萌動生長； 同時(shí)，≥10℃活動積溫也是農(nóng)業(yè)氣候資源最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)橹挥腥掌骄鶜鉁胤€(wěn)定通過10℃后，喜溫植物才能開始生長、喜涼植物積極生長，其直接影響春播時(shí)間。研究≥0℃和≥10℃積溫的時(shí)空分布規(guī)律，揭示熱量資源分配格局，對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和作物種類調(diào)整有重要意義[2，3]。

目前為止，農(nóng)區(qū)活動積溫時(shí)空格局研究還沒有全面展開，特別是兩種最常用的活動積溫時(shí)空格局變化的比較。劉實(shí)等[4]利用1951—2005年東北地區(qū)100個(gè)氣象站日平均氣溫資料，得出各年代穩(wěn)定通過10℃和0℃積溫及其持續(xù)天數(shù)和起止日期分布的變化。楊鳳海等[5]以ArcGIS為支撐、氣象站點(diǎn)觀測的1997—2006年旬平均氣溫為插值變量，采用徑向函數(shù)方法，對黑龍江旬平均氣溫進(jìn)行空間插值，同時(shí)計(jì)算出全省≥0℃和≥10℃積溫。安昕等[6]通過對沈陽市近半個(gè)世紀(jì)的10℃活動積溫不同尺度的年際、年代際、極值等數(shù)量變化特征，分析得出了若干具有農(nóng)業(yè)生物學(xué)意義的、帶有標(biāo)示性意義的氣候特征值。李鈺春等[7]利用1961—2009年河北省139個(gè)觀測站的逐日氣溫資料，應(yīng)用線性趨勢分析、樣條函數(shù)插值等方法分析了≥0℃和≥10℃活動積溫的時(shí)空分布特征。朱保美等[8]利用1971—2014年德州市11個(gè)氣象觀測站逐日平均氣溫資料，研究了該市0℃界限溫度變化及其對糧食作物的影響。劉洋等[9]利用東北地區(qū)89個(gè)氣象站的逐日地面氣候觀測資料，對1956—2009年東北地區(qū)熱量資源時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。

河南省是農(nóng)業(yè)大省、糧食大省，2013年糧食播種面積和總產(chǎn)量均居全國第二位，僅次于黑龍江省[10]。但對河南省內(nèi)各主要區(qū)域的熱量資源及積溫研究也僅做了部分工作，特別是在當(dāng)前的全球氣候變化背景下[11]。韓相斌等[12]基于南樂縣2007年氣候要素，特別是≥0℃和≥10℃活動積溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響狀況進(jìn)行了初步評價(jià)； 仝文偉等[13]利用1951—2005年河南省氣候和小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)相關(guān)和響應(yīng)分析，得出≥0℃積溫與小麥產(chǎn)量一定程度內(nèi)正相關(guān)； 張鵬巖等[14]以1981—2004年河南省17個(gè)氣象站點(diǎn)日氣象資料為基礎(chǔ)，分析了各縣市夏玉米光合、光溫資源利用效率的空間差異。但這些研究多側(cè)重于≥0℃積溫分析，或只針對少數(shù)站點(diǎn)，或時(shí)間序列長度不夠，對全省范圍內(nèi)的活動積溫系統(tǒng)性研究還較少。文章擬對河南省≥0℃和≥10℃活動積溫進(jìn)行點(diǎn)面結(jié)合分析，對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量提升應(yīng)該能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

1 資料來源和處理方法

1.1 資料來源

研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣候中心提供的1960—2009年河南省17個(gè)氣象站50年的逐日平均氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)； 數(shù)字高程數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S.Geological Survey，USGS)發(fā)布的全球90m空間分辨率DEM數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 多元線性回歸模型

利用河南省17個(gè)氣象站50年的≥0℃和≥10℃年活動積溫?cái)?shù)據(jù)，主要采用多元線性回歸模型確定參數(shù)。其原理如下：

在多要素的地理系統(tǒng)中，多個(gè)要素之間必然相互影響、相互關(guān)聯(lián)[7,11]。假設(shè)某一因變量y受k個(gè)自變量x1，x2，…，xk影響，其n組觀測值為ya，x1a，x2a，…，xka，a=1，2，…，n。那么，多元線性回歸模型的結(jié)構(gòu)形式為：

ya=β0+β1x1a+β2x2a+…+βkxka+εa

(1)

式(1)中，β0，β1，…，βk為待定參數(shù)，εa為隨機(jī)變量。如果b0，b1，…，b分別為β0，β1，…，βk的擬合值，則回歸方程為：

(2)

(3)

在該研究中，考慮到活動積溫主要受緯度和高程的影響[15，16]，因此建立多元線性回歸模型：

(4)

式(4)中，φ為緯度，H為海拔高度。

分別將建模站點(diǎn)不同代際≥0℃和≥10℃活動積溫及其緯度、高程代入式(4)進(jìn)行建模分析，并通過顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)進(jìn)行判斷。

1.2.2 GIS空間插值

該研究中，站點(diǎn)積溫的空間化基于多元線性回歸建模。17個(gè)氣象臺站空間分布位置相對較為均勻，滿足空間插值基本條件； 采用反距離插值方法(inverse distance interpolation，IDW)認(rèn)為空間面上的點(diǎn)估計(jì)值主要受插值點(diǎn)到已知點(diǎn)之間距離的影響，距離越近已知點(diǎn)權(quán)重越大，距離已知點(diǎn)越遠(yuǎn)權(quán)重越小[17，18]?；贏rcGIS13.0平臺生成空間柵格數(shù)據(jù)(圖2、4)。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥0℃積溫總體變化特征

統(tǒng)計(jì)分析圖1a顯示，1960—2009年河南省≥0℃積溫年均值為5 226℃，其中最高5 471.4℃、最低5 049.8℃，極差為421.5℃。同時(shí)，從圖1a也看出，自1960年以來，河南省≥0℃積溫基本以4年為單位呈周期性變化，變化規(guī)律呈上下波動且逐步上升。

由圖1b可知，≥0℃積溫年均變化幅度為0.13%，其變化幅度最高為6.87%，最低為-4.81%，極差為11.7%； 同時(shí)，積溫正變化幅度有不斷增大的態(tài)勢，而負(fù)變化幅度則有減小趨勢?？傮w來看，1960—1992年≥0℃積溫?cái)?shù)值呈現(xiàn)正負(fù)變化幅度平衡的趨勢，1992—2000年則變化幅度總體有正增長幅度較大、負(fù)增長幅度較小的特征，2000年以后的變化幅度又有了恢復(fù)平衡的趨勢。

圖1 1960—2009年河南省≥0℃積溫均值變化過程及波動

空間格局上(圖2a)，研究時(shí)限的50年≥0℃年積溫幅度為4 479.2～5 643℃，平均值5 234.1℃； 南北方向的高低緯度間沒有明顯差異，東經(jīng)113°～114°30′之間的平均積溫明顯低于其他地區(qū)，即鄭州—許昌—駐馬店等區(qū)域的≥0℃積溫值明顯偏低。

2.2 ≥0℃積溫代際變化特征

由表1多元線性回歸分析得知，各個(gè)代際≥0℃積溫均與緯度、海拔相關(guān)性較強(qiáng)，且都呈線性負(fù)相關(guān)，與緯度和海拔相關(guān)性都較強(qiáng)，各代際置信水平α均達(dá)到0.05，復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.88，R2均大于0.77，達(dá)到精度驗(yàn)證要求。

表1 研究區(qū)不同代際≥0℃積溫的多元線性回歸模型

由圖2b～f可以分析，≤4 800℃的區(qū)域始終是以盧氏和欒川為中心的河南省西部區(qū)域，其主要原因是在17個(gè)氣象站點(diǎn)中，海拔高度大于500m的氣象站點(diǎn)也只有盧氏和欒川兩個(gè)，即在緯度相差較小的條件下，高程決定了積溫?cái)?shù)值高低，同時(shí)50年內(nèi)變化趨勢很小。然而，≥5 400℃的區(qū)域在空間分布上有低緯向高緯擴(kuò)展趨勢。20世紀(jì)60—70年代，豫南的南陽、駐馬店、固始和信陽地區(qū)的年均積溫≥5 400℃； ≥5 400℃區(qū)域范圍20世紀(jì)80—90年代開始有向北擴(kuò)張態(tài)勢，但變化幅度較小、擴(kuò)展區(qū)域不大； 直至2000—2009年，河南省≥5 400℃的區(qū)域范圍較2000年之前有明顯擴(kuò)增，豫南和豫西的部分地區(qū)及豫中的絕大部分區(qū)域的積溫都≥5 400℃。即1960—2009年的河南省≥0℃活動積溫總體呈現(xiàn)有由低緯向高緯的區(qū)域擴(kuò)增態(tài)勢，特別是≥5 400℃的區(qū)域范圍。

圖2 1960—2009年河南省年際均值及不同代際≥0℃積溫空間格局

2.3 ≥10℃積溫總體變化特征

由圖3a可知，河南省近50年≥10℃積溫均值為4 658.5℃，其中最高4 893.5℃、最低4 451℃，極差為442.6℃?？傮w而言，河南省≥10℃積溫基本以3年為單位做周期性振蕩，并逐漸增大。由圖3b可知，≥10℃積溫年均變化幅度為0.22%，其幅度最高為6.66%、最低為-4.78%，極差為11.4%。

空間格局上(圖4a)，河南省近50年≥10℃年積溫幅度為3 802.75～4 985.3℃，平均值4 656.3℃。河南省≥10℃積溫整體有北部低于南部、西部低于東部的空間格局。同時(shí)，≥4 800℃積溫高值區(qū)域在空間上有明顯擴(kuò)展趨勢，由東向西、自南而北。

圖3 1960—2009年河南省≥10℃積溫均值變化過程及波動

2.4 ≥10℃積溫代際變化特征

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS得到多元線性回歸模型(表2)，各個(gè)代際≥10℃積溫均與緯度和海拔的相關(guān)性較強(qiáng)，都呈線性負(fù)相關(guān)，其中與緯度的平均相關(guān)系數(shù)λ=-58.99，與海拔的平均相關(guān)系數(shù)φ=-1.30； 各代際置信水平α均達(dá)到0.05，復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.88，R2均大于0.78，達(dá)到精度驗(yàn)證的要求。

表2 研究區(qū)不同代際≥10℃積溫的多元線性回歸模型

圖4 1960—2009年河南省年際均值及不同代際≥10℃積溫空間格局

圖4b～f可知，≤4 200℃的區(qū)域也始終是盧氏和欒川，其主要原因也是海拔高度較高所致，而且50年內(nèi)也基本沒有變化。但≥4 800℃的區(qū)域在空間分布上也呈明顯擴(kuò)展趨勢，由低緯向高緯擴(kuò)增。20世紀(jì)60年代，豫南的南陽、駐馬店和固始地區(qū)的積溫均值≥4 800℃，不連續(xù)分布；20世紀(jì)70年代，豫南的南陽、信陽、駐馬店和固始則呈空間連續(xù)分布； 20世紀(jì)80—90年代，僅新增了許昌市； 2000—2009年，≥4 800℃的區(qū)域范圍較2000年之前有明顯擴(kuò)增，除豫西地區(qū)和商丘、安陽、新鄉(xiāng)地區(qū)外，河南省其他地區(qū)的10℃積溫均≥4 800℃。即1960—2009年河南省≥10℃的活動積溫呈現(xiàn)由低緯向高緯擴(kuò)增的趨勢，尤其是≥4 800℃的區(qū)域范圍。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

關(guān)于≥0℃和≥10℃兩種活動積溫時(shí)空變化研究有必要開展，因?yàn)閮煞N活動積溫分別對喜涼和喜溫兩種農(nóng)作物的正常生長及糧食產(chǎn)量起著控制性作用[19，20]，特別是在氣候變化變化背景下的最近60年[21，22]。對于該研究結(jié)果，河南省活動積溫的區(qū)域分異特征顯然不同于其他地區(qū)，因?yàn)椴煌貐^(qū)的緯度、地貌、氣候、植被等自然因子的空間分布差異懸殊。即沒有區(qū)域可比性，在此不作論述。就河南省活動積溫隨代際變化的區(qū)域特征上也多與其他省區(qū)有相似之處。如南到整個(gè)華南地區(qū)[19]|、西藏自治區(qū)[22]，北到黑龍江省[20]、內(nèi)蒙古自治區(qū)[23]等。

3.2 結(jié)論

利用河南省17個(gè)氣象站最近50年日均氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算出1960—2009年日平均氣溫穩(wěn)定≥0℃和≥10℃年的年活動積溫，基于ArcGIS13.0平臺研究其空間變化規(guī)律，結(jié)果如下。

(1)總體變化格局上，1960—2009年河南省活動積溫總體呈上升態(tài)勢?！?℃積溫均值5 226℃，年均增幅為0.13%，波動周期約為4年； ≥10℃積溫均值4 658.5℃，年均增幅為0.22%，波動周期約為3年。

(2)代際變化上，≥0℃積溫和≥10℃積溫趨勢特征相似，只是增幅有所不同。2000年前均無發(fā)生較大變化，而2000—2009年積溫增幅趨勢較為顯著，呈由東向西、自南而北的增大趨勢。

(3)空間分布上，雖然兩種活動積溫都展示著西低東高、北低南高的基本格局，但≥10℃積溫的趨勢更加顯著； 同時(shí)，伴隨著時(shí)間推移兩種活動積溫的空間分布規(guī)律越來越顯著。

(4)通過建立多元線性回歸模型，得出兩種活動積溫均與緯度和高程有較大相關(guān)性的結(jié)論，各代際積溫?cái)?shù)值均達(dá)到0.05的置信水平、R2均大于0.77，滿足精度驗(yàn)證要求。