山西積溫帶區(qū)劃與演變研究

蘆艷珍，楊三維

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西 太原 030006）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與光、熱、水、土等自然要素關(guān)系非常密切。IPCC第五次評估報告指出，1880 年到2012 年，全球海陸表面平均溫度升高了0.85 ℃，1983 年—2012 年可能是北半球過去1 400 年中最暖的30 年[1]。全球變暖是當(dāng)今人類最為關(guān)注的全球性環(huán)境問題，在三大全球性環(huán)境問題中排首位[2]，對自然生態(tài)、海洋、政治、經(jīng)濟(jì)及人體健康影響很大，也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了重大影響，導(dǎo)致各地積溫帶出現(xiàn)了新變化，進(jìn)而影響作物種植結(jié)構(gòu)和布局[3]。特別是近30 年來，干旱等災(zāi)害性天氣明顯增加了，既是全球溫度記錄最高的時期，同時又是ENSO 暖事件的頻發(fā)時期[4]。

山西地形復(fù)雜多樣，海拔高差懸殊，南北跨6 個緯度帶，同時受季風(fēng)氣候變化等影響，各地積溫差異大，年際變化也大，形成了復(fù)雜多樣的氣候類型。雜糧是山西傳統(tǒng)的糧食作物和重要的經(jīng)濟(jì)作物，山西素有“小雜糧王國”之稱，是全國雜糧大省[5]，常年種植面積約 100×104hm2，產(chǎn)量 26×108kg，占全國的 10%[6]，雜糧生產(chǎn)在區(qū)域糧食自給和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。開展山西積溫時空變化研究，準(zhǔn)確把握當(dāng)下各地積溫帶的變化特征，可有效解決因積溫變化帶來的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和品種調(diào)整等問題，科學(xué)高效地利用積溫資源，避免積溫浪費(fèi)，是保障糧食穩(wěn)產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)和農(nóng)民增產(chǎn)增收的必要舉措，為制定相應(yīng)氣候變化適應(yīng)性政策提供參考，為小尺度、高精度GIS 模型分析提供方法。

1 資料與方法

1.1 基礎(chǔ)資料

研究采用中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心公布的山西109 個縣級氣象臺站，1979 年1 月以來的地面氣象觀測數(shù)據(jù)，對各站點(diǎn)氣溫資料進(jìn)行 SNHT（standard normal homogeneity test）法標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)均一性檢驗[7]，檢驗結(jié)果顯示：所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)都通過了0.01 水平的顯著性檢驗，故采用了全省現(xiàn)有的縣級氣象站多年觀測值?；镜乩硇畔①Y料采用中國氣象局1∶25 地理信息數(shù)據(jù)、SRTM3- 90 m 分辨率的DEM 數(shù)字高程資料（經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、等高線、縣級行政界等），統(tǒng)一為2 000 國家大地坐標(biāo)系。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

通過ArcGIS 10.2 軟件把各站點(diǎn)熱量資源推算到100 m× 100 m 小網(wǎng)格上，建立小網(wǎng)格高精度熱量資源數(shù)據(jù)信息，繪制成全省積溫分布圖，確保了所用資料的系統(tǒng)性、可靠性和完整性。站點(diǎn)日均氣溫數(shù)據(jù)依據(jù)氣候統(tǒng)計學(xué)中的5 日滑動平均法[8]，消除不穩(wěn)定的波動變化，通過Fortran 結(jié)構(gòu)化程序語言編程進(jìn)行統(tǒng)計匯總，計算確定各年份各站點(diǎn)日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的起止日期，及此期間的日平均氣溫總和、積溫持續(xù)日數(shù)，采用ArcGIS 軟件的空間分析和三維分析建模工具, 利用多元線性回歸模型、反距離權(quán)重插值方法（IDW）等方法[9]，推算到100 m×100 m 的小網(wǎng)格上，進(jìn)行熱量資源精細(xì)化模擬并繪制成積溫分布圖，進(jìn)行全省積溫時空演變研究。

1.2.2 積溫資料處理

積溫計算是農(nóng)業(yè)氣象中積溫帶劃分的重要指標(biāo)[10]，按照世界氣象組織（WMO）規(guī)定的30 a 平均值作為一地的氣候值[11]，分別統(tǒng)計出山西各站點(diǎn)前后各30 a 兩個時段（1979 年—2008年、1987 年—2016 年）≥10 ℃的積溫及對應(yīng)持續(xù)日數(shù)。為保證農(nóng)業(yè)熱量資源的高效利用和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需要，農(nóng)業(yè)上一般用80 %保證率的積溫及其持續(xù)日期作為研究積溫帶的重要指標(biāo)，故又采用經(jīng)驗頻率法統(tǒng)計出各站點(diǎn)80 %保證率下≥10 ℃的積溫數(shù)據(jù)。

式中，p——保證率；n——樣本序列數(shù)，本文取30 a；m——序列中任一序號，m=1，…，n。以單站30 a 積溫數(shù)據(jù)為一組，數(shù)據(jù)從大到小排列，80 %保證率下的積溫為該序列中的第25 個數(shù)值，對109 個站點(diǎn)均作相同處理，得到各站兩個時段的≥10 ℃的80 %保證率的積溫，作為積溫帶劃分的研究指標(biāo)。

1.2.3 建立空間分析模型

研究篩選出與積溫相關(guān)顯著的地理因子，用IBM SPSS 25軟件，以經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向作為自變量，≥10 ℃積溫指標(biāo)作為因變量，建立多元線性回歸方程，積溫資源的推算模型計算公式為：

式中，Z——積溫實測值；λ——經(jīng)度；φ——緯度；h——海拔高度；β——坡度；θ——坡向；ε——綜合地理殘差。

將緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度和坡向代到 Z=F（λ，φ，h，β，θ）中進(jìn)行計算，得到穩(wěn)定≥10 ℃積溫指標(biāo)的模擬值，殘差值=實測值- 模擬值。即：

使用ArcGIS 軟件的漁網(wǎng)工具（Creat Fishnet），在山西省政區(qū)范圍內(nèi)，創(chuàng)建100×100 m 的小網(wǎng)格，計算每個網(wǎng)格的中心點(diǎn)經(jīng)緯度，通過空間分析工具，提取出DEM 在每個對應(yīng)小網(wǎng)格上的海拔高度、坡度、坡向等地理信息。運(yùn)用空間推算模型推算出積溫因子在100×100 m 網(wǎng)格單元上的模擬值，利用反距離權(quán)重插值法內(nèi)插出積溫指標(biāo)因子的模擬柵格圖。

表1 山西省≥10 ℃積溫80 %保證率下的空間分析模型Tab.1 Spatial analysis model under 80% guarantee rate of accumulated temperature of 10℃or above

從表1 可見，各模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.960～0.975，從回歸效果看，各方程都通過了α= 0.01 的顯著性檢驗，表明方程具有良好的回歸效果，符合統(tǒng)計學(xué)要求。根據(jù)表1 中的模型表達(dá)式，計算出109 個氣象站點(diǎn)的積溫指標(biāo)因子模擬值，再利用公式（2）計算得出其殘差值并進(jìn)行殘差訂正，以109 個氣象站點(diǎn)的殘差值為樣本，利用GIS 的空間插值方法內(nèi)插出100 m×100 m 網(wǎng)格殘差柵格圖。將模擬值柵格圖和殘差值柵格圖用柵格計算器疊加運(yùn)算，通過空間疊加技術(shù)得到每個小網(wǎng)格的積溫空間分布值。

1.3 積溫帶精細(xì)劃分指標(biāo)

山西省地處華北西部的黃土高原東翼,大部分地區(qū)海拔在1 000 m 以上,南北跨 6 個緯度帶[12]，地形復(fù)雜，山地占 40 %，丘陵占40.3 %、平原占19.7 %，海拔最高處五臺山3 058 m，最低處垣曲谷地185 m。綜合全省各地?zé)崃亢偷匦螚l件分析，確定出山西省積溫帶區(qū)劃的指標(biāo)（表2）。

表2 山西省積溫帶劃分指標(biāo)Tab.2 Division index of accumulated temperature zone

2 結(jié)果與分析

2.1 積溫帶劃分結(jié)果

將上面計推算得到的每個小網(wǎng)格的積溫空間分布值，在ArcGIS 軟件中用表2 的積溫帶劃分指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)，劃分出全省積溫帶圖（圖1、圖2 和圖3）。

用109 個氣象站80 %保證率積溫制的1979 年—2008 年積溫帶分布圖（圖1），和1987 年—2016 年積溫帶分布圖（圖2）進(jìn)行比較（圖 3），3 900 ℃、3 600 ℃、3200 ℃、2500 ℃積溫等值線都有變化，可見，全球氣候變暖，使全省熱量資源分布發(fā)生了變化，各地后30 a 比前30 a 積溫整體增加顯著，第一、二、三積溫帶面積均有不同程度擴(kuò)大，第四和第五積溫帶面積有不同程度縮小。

2.2 積溫帶時空變化

利用ArcGIS 軟件的空間疊加統(tǒng)計分析功能，對山西省后30 a（1987 年—2016 年）和前 30 a（1979 年—2008 年）積溫分布范圍進(jìn)行精細(xì)計算，統(tǒng)計得到山西省積溫帶面積統(tǒng)計表（表 3）。

表3 山西省積溫帶面積統(tǒng)計表Tab.3 The statistical table of accumulated temperature zone area in Shanxi

從圖3 和表3 看出，第一積溫帶在沿黃線有明顯東擴(kuò)；第二、三積溫帶有顯著的北移和東擴(kuò)，第二積溫帶在沿黃線和太原盆地北移和東擴(kuò)明顯，侵占了第三積溫帶原來的部分地區(qū)，在懷仁大部、應(yīng)縣西和山陰縣東由原來的第四積溫帶變?yōu)榱说谌e溫帶；同時，第四和第五積溫帶面積有不同程度的縮小，可見，山西氣溫整體呈升高趨勢, 積溫帶顯著北移和東擴(kuò)。

3 結(jié)論

近50 a 來，我國北方地區(qū)增溫顯著，最高增溫達(dá)4 ℃。受氣候變暖影響，山西積溫帶和積溫均發(fā)生了顯著的變化，本文通過對山西近38 a 來積溫資料的分析，得出如下結(jié)論：

（1）1979 年以來，山西≥10℃積溫呈顯著的升高趨勢，對作物全生育期熱量資源供給提高了，喜溫作物和中晚熟作物的適栽區(qū)面積擴(kuò)大了，部分地區(qū)影響到種植制度變化。與國內(nèi)外氣候變化研究結(jié)論一致（平均氣溫呈顯著上升趨勢）。

（2） 通過對山西前后30 a 積溫分布范圍的研究分析得出，后30 a 比前30 a 第一積溫帶面積增加了0.22×104km2，增加了1.39 %；第二積溫帶面積增加了0.37×104km2，增加了2.41 %；第三積溫帶面積增加了0.27×104km2，增加了1.7 %，變化率達(dá)47%，表明各地增溫變化顯著。

（3）繪制的前后30 a ≥10 ℃積溫帶分布圖，直觀地展現(xiàn)了山西省積溫資源在不同時段的分布特征，數(shù)據(jù)達(dá)到100 m 見方的高精度要求，為未來小尺度地域空間精準(zhǔn)化、精細(xì)化發(fā)展布局提供決策支撐，也為高效利用氣候資源、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供了高精度的最新數(shù)據(jù)支持與科學(xué)依據(jù)。

（4） 積溫帶的精細(xì)劃分應(yīng)用了最新的地理信息技術(shù)和成果，較以前的產(chǎn)品在空間上更具精細(xì)化，突破了傳統(tǒng)積溫帶劃分中空間尺度大、粗糙、靜態(tài)，數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)等問題，為建立山西特色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品基地提供精細(xì)化氣候服務(wù)，提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率，保障國家食物安全與生態(tài)安全，助力鄉(xiāng)村振興。

（5）積溫增加，蒸發(fā)量隨之加大，加上降水的減少，未來干旱缺水問題將會更加嚴(yán)峻，必須引起高度重視，科學(xué)應(yīng)對氣候變化，才能提高可持續(xù)發(fā)展能力。