基于GIS的山東省≥10℃熱量資源時(shí)空變化特征分析

崔天麗 張國(guó)鑫 姜常松 楊錦忠 崔日鮮

摘要：利用1961—2015年山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)和山東省周邊12個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫資料和該區(qū)域的DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，采用混合插值和線性傾向估計(jì)方法，對(duì)山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：山東省≥10℃初日的空間分布呈現(xiàn)西部早，向東向北逐漸滯后的特征?！?0℃終日的空間分布呈現(xiàn)中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)早、南部地區(qū)和沿海地區(qū)晚的特征?！?0℃持續(xù)日數(shù)的空間分布呈現(xiàn)南部地區(qū)和濟(jì)南西部及北部地區(qū)長(zhǎng)、中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)短的特征?！?0℃活動(dòng)積溫的空間分布呈現(xiàn)西南地區(qū)高、中部山區(qū)和膠東半島中北部低的特征。1961—2015年間，山東省17個(gè)氣象站≥10℃初日均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，17個(gè)氣象站點(diǎn)平均氣候傾向率為-1.38 d/10a;≥10℃終日，除煙臺(tái)外，其余16個(gè)氣象站點(diǎn)呈推遲趨勢(shì)，17個(gè)氣象站點(diǎn)平均氣候傾向率為0.74 d/10a;17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈增大趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為2.12 d/10a;17個(gè)氣象站≥10℃的活動(dòng)積溫均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，17個(gè)站平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a。

關(guān)鍵詞：≥10℃熱量資源;GIS;空間分布;變化趨勢(shì);山東省

中圖分類號(hào)：S161.2+3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A ?文章編號(hào)：1001-4942（2019）08-0100-07

Abstract In this study， the daily average temperature data of 17 meteorological stations in Shandong Province and 12 meteorological stations around Shandong Province from 1961 to 2015， and the digital elevation model （DEM） data were used to analyze the spatial and temporal variation characteristics of heat resources ≥10℃ in Shandong Province by mixed interpolation and linear bias estimation methods. The results showed that the spatial distribution of beginning date of ≥10℃ came early in the west， and came later with the increase of latitude from south to north and the increase of longitude from west to east. The spatial distribution of ending date of ≥10℃ came early in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula， and came late in the south and coastal areas. The duration of ≥10℃ was longer in the south of Shandong Province and the west and north areas of Jinan city compared with the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. The spatial distribution of accumulated temperature of ≥10℃ was higher in the southwest areas and lower in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. From 1961 to 2015， the time series of beginning date of ≥10℃ showed decreasing trends for all the 17 meteorological stations with the average rate of -1.38 days/decade. The time series of ending date of ≥10℃ for 16 stations showed increasing trends with the average rate of 0.74 days/decade except Yantai station. Both the duration and accumulated temperature of ≥10℃ showed increasing trends for all 17 meteorological stations with the increasing rate of 2.12 day/decade and 63.10 ℃·d/decade， respectively.

Keywords Heat resource of ≥10℃; GIS; Spatial distribution; Change trend; Shandong Province

農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化反應(yīng)最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一，任何程度的氣候變化都會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)顯著影響[1]。農(nóng)業(yè)界限溫度是指某些重要農(nóng)事活動(dòng)開始、終止或轉(zhuǎn)折的溫度，其中界限溫度10℃與喜溫作物播種與生長(zhǎng)密切相關(guān)[2]，且穩(wěn)定通過(guò)界限溫度10℃的活動(dòng)積溫既作為衡量熱量資源的重要指標(biāo)[3]，也用來(lái)表示玉米熱量需要[4]，因此研究界限溫度10℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)及活動(dòng)積溫的時(shí)空變化特征對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。目前已有較多研究。

劉勤等[3]利用黃河流域109個(gè)氣象站點(diǎn)40年的氣溫資料和中國(guó)高程模型，對(duì)該流域≥10℃積溫的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，指出黃河流域≥10℃的積溫呈升高趨勢(shì)。近50年來(lái)秦嶺地區(qū)≥10℃初日呈提早趨勢(shì)，終日呈推遲趨勢(shì)，持續(xù)日數(shù)和積溫呈增多趨勢(shì)[5]。1970—2012年間山東省濟(jì)寧地區(qū)≥10℃的活動(dòng)積溫及持續(xù)日數(shù)均呈增多趨勢(shì)[6]。山東省近50年來(lái)（1961—2010年）界限溫度10℃的積溫和持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)顯著增多趨勢(shì)[7]。界限溫度的起始日期、持續(xù)時(shí)間和積溫與海拔、經(jīng)度和緯度等地理因素密切相關(guān)，基于其相關(guān)性構(gòu)建多元線性回歸模型來(lái)計(jì)算與柵格點(diǎn)界限溫度相關(guān)的氣象要素，再利用已知?dú)庀笳军c(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值的差值進(jìn)行空間插值，最終完成界限溫度相關(guān)氣象要素的空間插值，得到較好的效果[3，4，8]。雖已有山東省≥10℃積溫及持續(xù)時(shí)間等的時(shí)空變化方面的研究報(bào)道，但鮮有報(bào)道考慮經(jīng)度、緯度和海拔等因素對(duì)山東省≥10℃的初日、終日、持續(xù)時(shí)間及活動(dòng)積溫影響的研究。

本研究利用山東省內(nèi)（17個(gè)）及其周邊（12個(gè)）共29個(gè)氣象站1961—2015年的氣溫資料和DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，通過(guò)混合插值法（回歸分析計(jì)算+殘差插值）和線性傾向估計(jì)法對(duì)山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，為≥10℃熱量資源的合理有效利用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整等提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于我國(guó)東部沿海，黃河下游，是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)。山東省屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量集中，四季分明。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

從國(guó)家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心選取山東省境內(nèi)17個(gè)及其周邊12個(gè)氣象站（圖1）1961—2015年的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)。山東省及其周邊的DEM數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（STRM）全球90 m分辨率的數(shù)字高程影像資料，其空間分辨率為90 m。為了提高運(yùn)算速率，對(duì)原圖像進(jìn)行重采樣獲得180 m分辨率的DEM。

1.3 研究方法

1.3.1 界限溫度10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的計(jì)算 利用5日滑動(dòng)平均法計(jì)算山東省境內(nèi)及其周邊共29個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2015年界限溫度10℃的初日、終日，并計(jì)算初日至終日的持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫。

1.3.2 線性傾向估計(jì) 用xi表示樣本量為n的某一氣象要素，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[9]：

i=a+bti， i=1，2，…，n 。（1）

式中：i為某一氣象要素的擬合值，ti為時(shí)間序列;回歸常數(shù)a和回歸系數(shù)b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)?；貧w系數(shù)b的符號(hào)表示氣象要素x的傾向趨勢(shì)?；貧w系數(shù)b大于零，說(shuō)明該氣象要素隨時(shí)間t的增加呈上升趨勢(shì);當(dāng)b小于零，則說(shuō)明隨時(shí)間t的增加呈下降趨勢(shì)。氣候傾向率定義為b×10，其含義為氣象要素每10年的變化速率。氣象要素變化趨勢(shì)的程度是否顯著，可以對(duì)氣象要素x與時(shí)間t之間的相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。確定顯著性水平α，若|r|>rα，表明氣象要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)顯著，若|r|

用上述方法分別計(jì)算山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫近55年來(lái)的變化趨勢(shì)，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.3 柵格化方法 本研究利用混合插值法，即“回歸分析計(jì)算+殘差插值”柵格化方法分別對(duì)≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫等熱量指標(biāo)進(jìn)行空間插值。具體為：將氣象站點(diǎn)≥10℃相關(guān)的熱量指標(biāo)，即≥10℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫，分別設(shè)為輸出變量，以氣象站點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和海拔為輸入變量，擬合上述4個(gè)熱量指標(biāo)的多元線性回歸方程，通過(guò)回歸方程分別計(jì)算4個(gè)熱量指標(biāo)每個(gè)柵格點(diǎn)的數(shù)值，獲取這4個(gè)熱量指標(biāo)的柵格化空間分布;柵格面上的氣象站點(diǎn)熱量指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值不一致，其差值即為殘差，對(duì)各氣象站點(diǎn)4個(gè)熱量指標(biāo)的殘差進(jìn)行空間插值，通過(guò)柵格運(yùn)算獲得其柵格化數(shù)據(jù)，即空間分布圖?！?0℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫均存在較大的年際變化，因此在構(gòu)建基于經(jīng)度、緯度和海拔的多元回歸方程時(shí)，均采用了80%保證率的分位數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的空間分布

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃的初日平均為4月13日，最早的氣象站點(diǎn)為荷澤、兗州和濟(jì)南，其初日為4月7日;最晚的氣象站點(diǎn)為膠東半島的威海，為4月22日。從空間分布（圖2a）可以看出，山東省≥10℃初日較早的為山東省西部地區(qū)，包括荷澤、濟(jì)寧、德州和濟(jì)南等地的大部分區(qū)域，其≥10℃初日為4月7日—4月11日;由此向東向北，≥10℃的初日逐漸滯后，膠東半島大部分區(qū)域的初日在4月15日以后，膠東半島北部地區(qū)最晚，其≥10℃的初日在4月21日以后。

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃的終日平均為10月26日，最早的站點(diǎn)為沂源， 在10月20日，最晚的站點(diǎn)為臨沂和威海，在10月29日。從空間分布（圖2b）可以看出，山東省中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)≥10℃的終日較早，在10月5日—10月21日之間;南部和沿海地區(qū)≥10℃的終日較晚，均在10月28日以后，其中，濟(jì)南北部和東部沿海地區(qū)（臨沂、日照、青島和威海等地）的終日最晚。

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃的持續(xù)日數(shù)平均為196 d，其中，龍口的持續(xù)日數(shù)最短，為190 d;荷澤的持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng)，為204 d。從空間分布（圖3a）來(lái)看，山東省中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)的持續(xù)日數(shù)較短，為196～210 d;持續(xù)日數(shù)最長(zhǎng)的區(qū)域?yàn)樯綎|省南部及濟(jì)南的西部和北部地區(qū)，為221～227 d;膠東半島除青島市及膠州灣周邊地區(qū)外，其余地區(qū)的持續(xù)日數(shù)均小于214 d。

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃的活動(dòng)積溫平均為4 164 ℃·d，濟(jì)南的積溫值最大，為4 651.4 ℃·d;海陽(yáng)的最小，為3 799.4 ℃·d。從空間分布（圖3b）可以看出，山東省西南區(qū)域，包括荷澤、濟(jì)寧、棗莊的西部和濟(jì)南、德州等地區(qū)的交接區(qū)域，活動(dòng)積溫值較高，超過(guò)4 400 ℃·d;≥10℃活動(dòng)積溫值較低的區(qū)域?yàn)槟z東半島中部高海拔地區(qū)、膠東半島東北端和中部山區(qū)，活動(dòng)積溫值小于3 900 ℃·d。

2.2 山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫時(shí)間序列的變化趨勢(shì)

利用線性傾向估計(jì)方法對(duì)山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2015年≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃初日平均氣候傾向率為-1.38 d/10a，均呈提前趨勢(shì)，其中，龍口的提前幅度最大，為-2.53 d/10a;濰坊的提前幅度最小，為-0.50 d/10a。從空間分布來(lái)看，離海較近氣象站點(diǎn)的提前幅度普遍較高，如龍口、日照、青島、煙臺(tái)、臨沂、威海、東營(yíng)等氣象站點(diǎn)的氣候傾向率均大于1.25 d/10a，且除東營(yíng)站點(diǎn)外，均達(dá)到顯著水平;而位于內(nèi)陸地區(qū)的氣象站點(diǎn)，如濟(jì)南、濰坊、德州、荷澤、莒縣、莘縣、沂源和兗州等，其氣候傾向率則小于1.25 d/10a，提前幅度較小，且均未達(dá)顯著水平。

17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃終日的平均氣候傾向率為0.74 d/10a，總體呈推遲趨勢(shì)。其中，除煙臺(tái)呈提前趨勢(shì)外，其余16個(gè)氣象站點(diǎn)均呈推遲趨勢(shì)，推遲幅度最大的氣象站點(diǎn)為莒縣，氣候傾向率為1.85 d/10a，其次為海陽(yáng)、惠民、沂源、龍口，均達(dá)到了顯著或極顯著水平;推遲幅度最小的氣象站點(diǎn)為青島，氣候傾向率僅為0.06 d/10a。

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈顯著增加趨勢(shì)，17個(gè)氣象站點(diǎn)的平均氣候傾向率為2.12 d/10a，增加幅度最大的氣象站點(diǎn)為龍口，其傾向率為3.73 d/10a;增加幅度最小的站點(diǎn)為煙臺(tái)，其氣候傾向率為0.98 d/10a?；菝?、龍口、海陽(yáng)、沂源、莒縣和日照6個(gè)氣象站點(diǎn)的變化達(dá)到極顯著水平。

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃活動(dòng)積溫也均呈上升趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a，其中，增加速度最快的氣象站點(diǎn)為龍口，其氣候傾向率為129.80 ℃·d/10a;增加速度最慢的氣象站點(diǎn)為荷澤，僅為28.90 ℃·d/10a。龍口、海陽(yáng)、日照、莒縣、威海、東營(yíng)、臨沂、青島、沂源、惠民、濰坊11個(gè)氣象站點(diǎn)的變化達(dá)到了極顯著水平。從空間分布來(lái)看，除煙臺(tái)外，離海較近的氣象站點(diǎn)，如龍口、海陽(yáng)、日照、莒縣、威海、東營(yíng)、臨沂和青島≥10℃活動(dòng)積溫的氣候傾向率較大，而離海較遠(yuǎn)氣象站點(diǎn)≥10℃活動(dòng)積溫的氣候傾向率普遍較小。

距平主要反映某一氣象要素在整體平均值線上的年際波動(dòng)，圖6為1961—2015年間山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃熱量資源指標(biāo)平均值的距平變化?？梢钥闯觯?996年以前≥10℃初日的距平值中大于零的年份多于小于零的年份，而1997年以后則相反，即距平值中小于零的年份明顯多于大于零的年份，兩個(gè)時(shí)間段的距平值分別平均為1.82和-3.44?！?0℃終日距平的變化，1961—1996年間距平平均值小于零的居多，其平均值為-0.82;而1997—2015年間則相反，其平均值為1.56?！?0℃持續(xù)日數(shù)和≥10℃活動(dòng)積溫的距平變化比≥10℃初日和終日更為明顯，即1961—1996年間≥10℃持續(xù)日數(shù)和≥10℃活動(dòng)積溫的距平中小于零的年份明顯多于大于零的年份，兩者的距平平均值分別為-2.64和-77.74;而1997—2015年間兩者的距平多大于零，距平平均值分別為5.0和147.29。

綜合山東省≥10℃熱量資源指標(biāo)距平變化的分析結(jié)果可以看出，從1997年開始≥10℃初日明顯提早，1997—2015年間山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)平均為4月4日，比1961—1996年的平均日期提早了5 d;1997—2015年間≥10℃終日平均為11月4日，較1961—1996年推遲了3 d;1997—2015年間≥10℃持續(xù)時(shí)間為214 d，較1961—1996年間增加了8 d;1997—2015年間≥10℃活動(dòng)積溫平均值為4478.9 ℃·d，較1961—1996年間的平均活動(dòng)積溫增加了225.0 ℃·d。

3 討論與結(jié)論

（1）山東省≥10℃初日的空間分布呈現(xiàn)西部早、向東向北逐漸滯后的特征。≥10℃終日呈現(xiàn)中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)早、南部和沿海地區(qū)晚的特征?！?0℃持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)南部地區(qū)及濟(jì)南的西部和北部長(zhǎng)、中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)短的特征?！?0℃活動(dòng)積溫呈西南地區(qū)高、中部山區(qū)和膠東半島中北部低的特征。

（2）1961—2015年間，山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃初日均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，平均氣候傾向率為-1.38 d/10a;除龍口、煙臺(tái)、威海、海陽(yáng)、青島和日照6個(gè)地處沿海的站點(diǎn)外，其它站點(diǎn)的提前趨勢(shì)均未達(dá)到顯著水平。17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃終日的變化，除煙臺(tái)外，均呈推遲趨勢(shì)，17個(gè)站點(diǎn)平均氣候傾向率為0.74 d/10a;除惠民、沂源、莒縣、龍口和海陽(yáng)5個(gè)站點(diǎn)的變化達(dá)到顯著水平外，其余站點(diǎn)的變化均未達(dá)到顯著水平。17個(gè)氣象站點(diǎn)≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈增大趨勢(shì)，平均氣候傾向率為2.12 d/10a，且均通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)。17個(gè)氣象站≥10℃的積溫均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a，且除濟(jì)南外均達(dá)到顯著水平。

在全球氣候變暖的背景下，我國(guó)近50年來(lái)地表年平均氣溫明顯升高，比同期全球或北半球增溫速率大[10]。從1951年到2001年間，我國(guó)冬、春、秋、夏季平均氣溫分別上升了1.8、1.2、1.0、0.6℃[10]，影響了≥10℃熱量資源指標(biāo)，如初日、終日、持續(xù)時(shí)間、積溫的變化。本研究結(jié)果表明，山東省1961—2015年間≥10℃初日呈提前趨勢(shì)，≥10℃終日呈推遲趨勢(shì)，≥10℃持續(xù)時(shí)間和活動(dòng)積溫（除濟(jì)南站點(diǎn)）顯著增加。

從山東省的種植結(jié)構(gòu)來(lái)看，夏玉米生長(zhǎng)期正好處于≥10℃持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)，該期間≥10℃的持續(xù)時(shí)間及積溫增加可為夏玉米生長(zhǎng)提供更多的熱量資源。山東省大部分地區(qū)≥10℃終日出現(xiàn)時(shí)間為10月25日以后，≥15℃終日80%保證率的分位數(shù)平均值為10月6日（崔天麗等，尚未發(fā)表），且均呈推遲趨勢(shì)。但山東省現(xiàn)行的夏玉米收獲期一般為9月下旬或10月初，此時(shí)不僅夏玉米籽粒還未完全成熟，而且山東省大部分地區(qū)的氣溫仍然高于15℃，這也意味著現(xiàn)行種植制度下夏玉米收獲后一段時(shí)間內(nèi)的熱量資源和光能資源未能被利用，因此，在不影響小麥冬前長(zhǎng)勢(shì)的前提下，適當(dāng)晚收夏玉米是有效利用這一時(shí)期光熱能資源的一種途徑。付雪麗[11]和周寶元[12]等的研究表明，在黃淮海地區(qū)夏玉米推遲10～15 d收獲、冬小麥推遲至10月20日左右播種的“雙晚”種植模式下，冬小麥產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異，但夏玉米卻顯著增產(chǎn)，這為氣候逐漸變暖背景下有效調(diào)節(jié)黃淮海地區(qū)光熱資源配置，提高該地區(qū)光熱資源利用效率，實(shí)現(xiàn)冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)提出了新的技術(shù)途徑。

參 考 文 獻(xiàn)：

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