新疆有效積溫的時空演變特征

張輝　呂新

摘要：利用新疆1975—2015年逐日平均氣溫資料和新疆DEM數(shù)據(jù)，構(gòu)建了氣候要素與經(jīng)度，緯度和海拔高度3維2次趨勢面模型，采用線性回歸分析和Pettitt突變檢驗，結(jié)合ArcGIS，分析新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的時空演變。結(jié)果表明：在空間尺度上，新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)受到緯度和海拔高度的影響，南疆≥10℃有效積溫和持續(xù)日數(shù)整體上多于北疆，并且平原和盆地多余山區(qū)的分布格局。南疆≥10℃有效積溫的初日整體上早于北疆，平原和盆地早于山區(qū)的分布格局。新疆≥10℃有效積溫終日的空間分布特征與初日相反。在時間尺度，近41a以來，新疆≥10℃有效積溫及持續(xù)日數(shù)均呈現(xiàn)出極顯著的增加趨勢，發(fā)生突變年份主要集中在1994—2000年間，突變后≥10℃有效積溫及持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢。初日呈現(xiàn)出極顯著提前的趨勢，終日的變化趨勢與初日相反，發(fā)生突變的年份主要集中在1994—2005年。

關(guān)鍵詞：新疆;≥10℃有效積溫;時空演變;線性回歸分析;Pettitt突變檢驗

中圖分類號：S161

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115063

基金項目：兵團重大科技項目（項目編號：2016AA001-1）

1 引言

積溫是一個重要的熱量資源[1-3]，在評價作物的生長發(fā)育和作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整都具有積極的意義，積溫的多寡關(guān)系到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。≥10℃的積溫對研究生長發(fā)育，合理安排作物的生產(chǎn)布局都具有研究價值[4]。

國內(nèi)有許多農(nóng)業(yè)專家對≥10℃的積溫做過相關(guān)研究，王小燕[5]等對1961—2010年中國區(qū)域積溫研究表明20世紀90年代之后，除了西南局部地區(qū)氣溫呈下降趨勢外，其他地區(qū)的積溫呈增加趨勢。唐寶琪[6]等對華東地區(qū)≥10℃積溫的研究表明，日平均穩(wěn)定通過≥10℃及持續(xù)日數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)出自東向西，自中部向南北兩端遞減的規(guī)律。張智[7]等對寧夏多年積溫及其不同積溫降雨量變化研究發(fā)現(xiàn)，近40a以來，寧夏各地≥0℃積溫和≥10℃積溫呈現(xiàn)出增加的趨勢。潘冬梅[8]等對阿勒泰地區(qū)≥0℃積溫研究表明，≥10℃初日在空間分布上中部平原早，西部、東部山區(qū)晚的格局，≥10℃的持續(xù)日數(shù)和積溫在空間分布上表現(xiàn)為由內(nèi)向外呈現(xiàn)出遞減趨勢。劉少華[9]等對中國近50a≥10℃有效積溫研究時發(fā)現(xiàn)，1985年之后，我國≥10℃有效積溫和持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢，有效積溫的起始時間整體上呈現(xiàn)出顯著的提前趨勢。

許多氣象專家對積溫進行了很多研究，在積溫的計算上主要采用計算多年平均值的方法。由于氣候要素具有一定的波動性，并且在空間分布上受到地理因素的影響，用多年平均值去評價1個地區(qū)熱量資源的變化，會存在一定偏差。本研究主要通過計算80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)，構(gòu)建了氣候要素與經(jīng)度、緯度和海拔高度3維2次趨勢面模型，系統(tǒng)分析新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的時空演變，旨在為充分合理的利用新疆熱量資源和農(nóng)業(yè)種植布局的調(diào)整提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究從國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）獲取1975—2015年新疆51個氣象站點逐日平均氣溫資料，從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)（http：//www.gscloud.cn/）獲取分辨率為90m×90m的新疆DEM數(shù)據(jù)（圖1），為了便于計算，將數(shù)據(jù)重采樣為1km×1km的柵格。

2.2 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的確定

采用5日滑動平均法確定日平均氣溫穩(wěn)定通過≥10℃的初日和終日。初日定義為5日滑動平均氣溫≥10℃的日期，終日定義為5日滑動平均氣溫<10℃的日期[10]，為了便于計算，采用儒略日定義≥10℃的初日和終日，≥10℃的持續(xù)日數(shù)為初日和終日的間隔日數(shù)[11]。

2.3 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的統(tǒng)計方法

氣候變化具有波動性，為了能夠更好的反映新疆地區(qū)熱量資源的變化規(guī)律，本研究采用了R語言統(tǒng)計80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)。

2.4 ≥10℃有效積溫的柵格化數(shù)學(xué)模型

新疆位于我國西北邊陲，屬于大陸性氣候，南北疆由于3山夾2盆地形態(tài)勢，氣候要素差異較大，為了提高氣候要素的柵格點的模擬經(jīng)度，本研究采用混合插值的方法[12]，對新疆地區(qū)51個氣象站點80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)進行柵格化空間模擬。具體方法如下。

基于新疆DEM數(shù)據(jù)，提取各個柵格點的經(jīng)度、緯度和海拔高度。采用SPSS19.0軟件分析氣候要素與各個柵格點的經(jīng)度、緯度和海拔高度相關(guān)性，構(gòu)建基于地理因子的3維2次趨勢面模型。將氣候要素模擬值的殘差基于ArcGIS10.0軟件中的反距離權(quán)重法，訂正到各個柵格點上。氣候要素模擬公式如下：

p=p（λ，φ，h）+ε=a0+a1λ+a2φ+a3h+

a4λφ+a5φh+a6λh+a7λ2+a8φ2+a9h2+ε

式中：p為氣候要素柵格點的模擬值，λ，φ，h分別表示柵格點的經(jīng)度、緯度和海拔高度，ε表示殘差項，a0～a9表示為待定系數(shù)。

2.5 氣候傾向率

利用一元線性回歸模型分析新疆近41a 51個氣象站點氣候要素的變化規(guī)律，建立氣候要素x與時間t的線性模型。

x=a+bt，t=1，2，3，…，n（1）

式（1）中x為氣候要素的擬合值，a為常數(shù)，b為回歸系數(shù)，以b的10倍作為氣候要素的傾向率。當(dāng)氣候傾向率大于0時，表明氣候要素隨著溫度的增加而增加。當(dāng)氣候傾向率小于0時，表明氣候要素隨著時間的增加而減少[13]。

2.6 Pettitt突變檢驗

Pettitt突變檢驗是類似于Mann-Kendall法的一種非參數(shù)檢驗法[14-16]，對于X構(gòu)造1個秩序列，具體計算過程如下：

sk=∑ki=1rik=2，3，…，n（2）

ri=[JB（{][HL（2]1[]xi>xj0[]xi=xj-1[]xi

若t0時刻滿足kt0=maxsk，則t0為突變點。

p=2exp[-6k2t0（n3+n2）]（4）

若統(tǒng)計量P<0.05，說明t0時刻的突變點是顯著突變。

3 結(jié)果分析

3.1 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的分布特征

由圖2（a）可以看出新疆≥10℃有效積溫總體呈現(xiàn)出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區(qū)的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加呈現(xiàn)出逐漸減少趨勢。有效積溫最多的地區(qū)主要分布在塔里木盆地東部和西部地區(qū)以及吐魯番盆地，天山中西部地區(qū)，隨著海拔的增加，有效積溫逐漸減少。

由圖2（b）可以看出新疆≥10℃有效積溫的初日總體呈現(xiàn)出南疆早于北疆，平原和盆地早于山區(qū)的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加呈現(xiàn)出推遲的趨勢。有效積溫最早主要分布在塔里木盆地西部地區(qū)，北疆大部分地區(qū)有效積溫的初日晚于4月6日，天山中西部地區(qū)的有效積溫初日最晚，并隨隨著海拔的增加逐漸推遲。

由圖2（c）可以看出新疆≥10℃有效積溫的終日總體呈現(xiàn)出南疆早于北疆，平原和盆地晚于山區(qū)的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加逐漸提前。有效積溫最晚的地區(qū)主要分布在南疆西部地區(qū)和吐魯番盆地。北疆除了克拉瑪依地區(qū)有效積溫的終日在11月初，其余大部分地區(qū)在10月中下旬。天山中西部地區(qū)隨著海拔的增加，有效積溫的終日呈現(xiàn)出提前的趨勢。

由圖2（d）可以看出有效積溫的持續(xù)日數(shù)總體呈現(xiàn)出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區(qū)的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加持續(xù)日數(shù)逐漸減少的趨勢。有效積溫持續(xù)日數(shù)最多的地區(qū)主要分布在南疆東部地區(qū)和吐魯番盆地，北疆大部分地區(qū)有效積溫持續(xù)日數(shù)主要集中在190～220d，天山中西部地區(qū)有效積溫的持續(xù)日數(shù)小于160d，隨著海拔的升高，持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。

3.2 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的變化規(guī)律

新疆96%氣象站點≥10℃有效積溫的傾向率總體以67.8d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）增加的趨勢（圖3a），41a間增加了277.98℃，增幅最大的站點主要位于十三間房地區(qū)，南疆除了庫車地區(qū)和柯坪地區(qū)≥10℃有效積溫以44.3d/10a的速率減少，其余地區(qū)都呈現(xiàn)出極顯著增加的趨勢，塔里木盆地以南增幅最大，天山中西部地區(qū)以44.3d/10a的速率增加，41a間累計增加了258.71℃。

新疆86%的氣象站點≥10℃有效積溫初日的傾向率總體以1.8d/10a呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）提前的趨勢（圖3b）。南疆除了若羌地區(qū)和庫爾勒地區(qū)以0～4d/10a的速率推遲外，其余大部分地區(qū)呈現(xiàn)出極顯著提前的趨勢，北疆除了昭蘇、北塔山、和布克賽爾、吉木乃地區(qū)≥10℃有效積溫初日推遲外，其余大部分地區(qū)都呈現(xiàn)出增加的趨勢。天山以東大部分地區(qū)提前幅度最大，41a間累計提前了8.2～16.4d。

新疆75%的氣象站點≥10℃有效積溫終日的傾向率總體以3.4d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）推遲的趨勢（圖3c）。南疆及天山大部分地區(qū)的終日以0～2d/10a的速率推遲，41a間累計推遲了0～8.2d，焉耆、拜城、庫車、阿拉爾和若羌地區(qū)呈現(xiàn)出極顯著提前趨勢。北疆僅北塔山地區(qū)推遲速率最大，達到16d/10a，中部大部分地區(qū)以2～4d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著推遲趨勢，41a間累計推遲了8.2～16.4 d/10a。

新疆90%的氣象站點≥10℃有效積溫的持續(xù)日數(shù)的傾向率總體以4.1d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）增加的趨勢（圖3d），41a間累計增加了16.81d。南疆除了柯坪、阿拉爾和若羌地區(qū)持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出減少的趨勢，其余大部分地區(qū)以0～4d/10a的速率極顯著增加的趨勢。北疆僅昭蘇和北塔山地區(qū)增加的速率最大，達到10～22d/10a，其余大部分地區(qū)以4～6d/10a的速率增加，41a間持續(xù)日數(shù)累計增加了16.4～24.6 d/10a。

3.3 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的突變特征

采用pettitt突變檢測的方法，對新疆1975—2015年51個氣象站點≥10℃有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)進行突變分析。結(jié)果表明：41a間新疆共有42個氣象站點≥10℃有效積溫發(fā)生突變（圖4a），其中有38個氣象站點發(fā)生極顯著突變（p<0.01），南疆除了庫車地區(qū)在1987年發(fā)生了顯著突變，其余大部分地區(qū)在1995—1999年發(fā)生突變，天山大部分地區(qū)突變年份主要集中在1994—1996年，北疆地區(qū)突變的年份與南疆和天山大部分地區(qū)差異不大，主要集中在1994—1998年，并且突變后≥10℃有效積溫呈現(xiàn)出極顯著增加的趨勢。

1975—2015年新疆共有8個氣象站點≥10℃有效積溫的初日發(fā)生顯著突變（p<0.05）（圖4b），南疆僅阿合奇地區(qū)在2005年發(fā)生突變，由南到北隨著緯度的增加，突變站點成增加的趨勢，北疆除了北塔山地區(qū)在1988年發(fā)生突變，其余地區(qū)發(fā)生突變的年份主要集中在1994—1998年。吐魯番、十三間房和巴里坤地區(qū)在1998—2000年發(fā)生突變，突變后≥10℃有效積溫的初日呈現(xiàn)出顯著的提前趨勢。

1975—2015年新疆共有5個氣象站點發(fā)生顯著突變（p<0.05）（圖4c），突變站點主要分布在塔里木盆地西部，南疆僅和田地區(qū)在1998年發(fā)生極顯著突變，其余大部分站點發(fā)生突變的年份主要集中在1994—2005年。十三間房地區(qū)在2005年發(fā)生突變，突變后≥10℃有效積溫的終日呈現(xiàn)顯著推遲的趨勢。

1975—2015年新疆共有11個氣象站點≥10℃有效積溫的持續(xù)日數(shù)發(fā)生顯著突變（圖4d），南疆發(fā)生站點的區(qū)域主要分布在塔里木盆地的西部，突變年份主要集中在1995—2006年。隨著緯度的增加，突變站點呈現(xiàn)出增加的趨勢，北疆發(fā)生突變的年份主要集中在1996—1999年。吐魯番、十三間房和巴里坤主要在2000年和1998年發(fā)生極顯著突變（p<0.01），并且突變后≥10℃有效積溫的持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出極顯著增加的趨勢。

4 討論

本研究分析了80%保證率下的≥10℃的有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的時空演變，驗證了部分已有的相關(guān)結(jié)論。例如：≥10℃的有效積溫空間分布總體呈現(xiàn)出南疆多，北疆少，平原和盆地多，山區(qū)少的特點，這與張山清[12]、李蘭[17]的研究結(jié)論一致。受到緯度和海拔高度的影響，南疆≥10℃的有效積溫的初日早于北疆，終日晚于北疆，持續(xù)日數(shù)多余北疆。北疆≥10℃的有效積溫持續(xù)日數(shù)的變化幅度大于南疆，這與劉少華[9]的研究結(jié)果一致，但在數(shù)值上存在一些差異，可能是由于數(shù)據(jù)的處理方法和所選的數(shù)據(jù)時間序列的不同。從突變分析（圖4a）可以看出新疆共有42個站點發(fā)生突變，發(fā)生突變的年份主要集中在1994—1999年，共有62%的站點在1996年發(fā)生極顯著突變，并且突變后≥10℃的有效積溫呈現(xiàn)出增加趨勢，這與普宗朝[18]的研究略有差別。普宗朝的研究認為近55a新疆≥10℃的積溫在1997年發(fā)生突變。造成此結(jié)果差異的原因除了所選的數(shù)據(jù)時間序列的不同之外，可能與數(shù)據(jù)的處理方法和采用的不同的突變檢測方法有關(guān)。

5 結(jié)論

本研究主要選取了1975—2015年時間序列較長的新疆51個氣象站點的逐日平均氣溫資料，計算和分析了80%保證率下的≥10℃的有效積溫及初、終日和持續(xù)日數(shù)的時空演變，結(jié)論如下。

從空間分看，新疆≥10℃的有效積溫總體上呈現(xiàn)出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區(qū)的空間分布格局。受到緯度和海拔高度的影響，南疆總體上≥10℃的有效積溫的初日早于北疆，終日晚于北疆，持續(xù)日數(shù)多于北疆。

近41a以來，新疆≥10℃的有效積溫總體以67.8 d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）增加的趨勢，初日的傾向率總體以1.8 d/10a呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）提前的趨勢。終日總體以3.4 d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）推遲的趨勢。持續(xù)日數(shù)的傾向率總體以4.1 d/10a的速率呈現(xiàn)出極顯著（p<0.01）增加的趨勢。

41a間，新疆有42個氣象站點≥10℃有效積溫發(fā)生突變，其中有38個氣象站點發(fā)生極顯著突變（p<0.01），突變后有≥10℃有效積溫呈極顯著增加趨勢。有8個氣象站點≥10℃有效積溫的初日發(fā)生顯著突變（p<0.05），突變后≥10℃有效積溫的初日呈現(xiàn)的提前的趨勢。有5個氣象站點≥10℃有效積溫的終日發(fā)生顯著突變，突變后≥10℃有效積溫的終日呈推遲的趨勢。有11個氣象站點≥10℃有效積溫的持續(xù)日數(shù)發(fā)生顯著突變，突變后≥10℃有效積溫持續(xù)日數(shù)增加。

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作者簡介：

張輝（1992-），男，碩士。研究方向：兵團機采棉種植適宜性區(qū)劃;

呂新（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。