基于氣候生產(chǎn)力模型的安徽省氣溫與降水的變化分析

余秋實(shí)，邵燕林

（長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430000）

氣候變化問(wèn)題一直是全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，它與人類(lèi)的生活息息相關(guān)，直接影響著全世界的生態(tài)環(huán)境、交通出行和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等問(wèn)題，并對(duì)社會(huì)生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了一定程度的直接威脅[1-2]。其中，氣候因素將對(duì)作物的“氣候生產(chǎn)力”這一要素產(chǎn)生重要影響[3]。在農(nóng)業(yè)方面，氣候、品種、土壤、作物群體結(jié)構(gòu)和栽培技術(shù)等都會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。

當(dāng)其他因素均處于最適宜的狀態(tài)時(shí)，由氣候因素所直接決定的在單位面積土地上可能獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量被稱(chēng)為氣候生產(chǎn)力，可以用來(lái)綜合衡量一個(gè)地區(qū)的氣候資源狀況。因此，掌握其變化規(guī)律對(duì)于合理利用氣候資源有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性也具有促進(jìn)作用[5-6]。

綜合其他學(xué)者的研究情況，如王曉喆等研究了氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征，并結(jié)合一手的氣象資料綜合表征了河南省全省的變化情況[7]；李顏顏等使用近54 年的氣象站逐月、逐日氣象資料完成了基于氣候傾向率和IDW（inverse distance weight）方法的氣候生產(chǎn)力建模，并綜合分析了研究區(qū)的農(nóng)業(yè)情況和時(shí)空規(guī)律[8]。類(lèi)似的方法鮮少有綜合安徽省的氣候與降水情況進(jìn)行具體分析和探究。而安徽省是一個(gè)農(nóng)業(yè)資源豐富、水資源豐富、地形狀況復(fù)雜的省份，兼具平原、丘陵、山區(qū)等多種地形狀況[9]。地形地貌的復(fù)雜性以及復(fù)雜多樣的氣候特點(diǎn)，共同決定了安徽省降水量數(shù)據(jù)與氣溫?cái)?shù)據(jù)必然擁有充滿(mǎn)特色的時(shí)空變化特征，從而對(duì)其氣候生產(chǎn)力變化特征做出進(jìn)一步的數(shù)據(jù)化、可視化的描述，為充分利用本省的氣候資源和提高農(nóng)作物的氣候生產(chǎn)力提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

安徽省位于114°54'E-119°37'E、29°41'N-34°38'N，地處華東地區(qū)，境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣。從地形特點(diǎn)看，長(zhǎng)江、淮河兩大水系橫穿南北，北部為淮北平原，東部有江淮丘陵，南部為皖南山區(qū)，西部則是大別山區(qū)。從氣候變化看，屬于暖溫帶和亞熱帶的過(guò)渡地區(qū)，淮河以北屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，淮河以南屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，符合秦嶺-淮河分界線(xiàn)的南北分界規(guī)律[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)(http://www.dsac.cn/)，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)，氣溫?cái)?shù)據(jù)下載于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，并均結(jié)合了安徽省界與市界的矢量文件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。為保證待分析數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性，已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析(exploratory spatial data analysis,ESDA)，完成了對(duì)比和篩選[11-12]。

2 研究方法

2.1 氣候生產(chǎn)力模型

氣候生產(chǎn)力的計(jì)算公式存在很多，但考慮到原數(shù)據(jù)需要易于獲取，并且能有效說(shuō)明氣候變化的影響，綜合參照以往學(xué)者的研究，選用了TM（thornthwaite memorial）模型[13-14]。該模型如下

2.2 普通克里格插值

克里格插值法有許多種類(lèi)型，該插值理論的研究基礎(chǔ)是區(qū)域化變量和空間自相關(guān)理論該方法對(duì)滿(mǎn)足二階平穩(wěn)或一定固有假設(shè)的變量具有很好的估計(jì)精度，尤其是擁有最優(yōu)線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)特征(best linear unbiased estimator, BLUE)[15]。該插值法在使用時(shí)需要先計(jì)算樣本變異函數(shù)，再通過(guò)選擇合適的變異函數(shù)理論模型進(jìn)行模擬，最后根據(jù)模擬函數(shù)對(duì)待估計(jì)點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性估計(jì)，并給出估計(jì)方差作為估計(jì)不確定性的度量指標(biāo)[16]。

2.3 雙變量相關(guān)性分析

雙變量分析是根據(jù)變量之間的聯(lián)系建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且通過(guò)這些指標(biāo)來(lái)進(jìn)行比對(duì)從而做出評(píng)價(jià)結(jié)果的方法。利用其中的Pearson 相關(guān)系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行衡量時(shí)，主要用于衡量變量之間的線(xiàn)性關(guān)系[17]。相關(guān)系數(shù)r 的計(jì)算公式

式中：X，Y 為變量；-X 和-Y 分別表示其平均值。

3 制圖與分析

3.1 降水量的總體變化特征

3.1.1 降水的宏觀(guān)變化特征

由圖1(a)安徽省多年平均降水量示意圖可得，平均降水量分布區(qū)域與高程數(shù)據(jù)具有極為相似的分布關(guān)系。六安市、安慶市、黃山市與宣城市也正是安徽省內(nèi)高程較高的城市，分別屬于皖南山區(qū)和大別山區(qū)，這四個(gè)城市的多年平均降水量均達(dá)到了200 億m3左右。在此基礎(chǔ)上觀(guān)察圖1(b)安徽省2015 年降水量示意圖，對(duì)比多年平均降水量與2015 年的降水量數(shù)值，發(fā)現(xiàn)變化主要集中在池州市、銅陵市、蕪湖市等城市組成的沿江城市帶之上。觀(guān)察分析兩圖的綜合數(shù)據(jù)范圍，發(fā)現(xiàn)2015 年的降水?dāng)?shù)值普遍高于往年平均數(shù)值。在多年平均降水量中，最小值為15.5 億m3，而2015 年的最小值為21.4 億m3；多年平均的最大值為220.6 億m3，而2015 年的最大值為249.2 億m3。

3.1.2 降水的具體變化特征

為充分體現(xiàn)降水量的空間變化特征，制作圖1(c)安徽省2015 年降水量變化示意圖，可以發(fā)現(xiàn)該年皖南城市帶的降水量明顯多于皖中與皖北城市群，平均降水量的增加在70 億m3左右；皖中城市帶的色塊多呈黃色，表明降水量較以往并無(wú)過(guò)多變化；皖北城市群多呈明顯的紅色，表明降水量明顯少于往年，且減少的降水量約在50 億m3左右。這一北部的相對(duì)“干旱”與南部的相對(duì)“濕潤(rùn)”的水文特征，是符合安徽省的氣象帶分布的。在此變化圖中，較為突出的除了皖北四市降水量明顯少于往年，且數(shù)值變化相對(duì)巨大，還有位屬皖南的蕪湖市，降水量出現(xiàn)較為異常且突出的數(shù)值。

圖1 安徽省2015 年降水量時(shí)空變化特征示意圖

3.2 氣溫的時(shí)空變化特征

3.2.1 氣溫的時(shí)間趨勢(shì)變化特征

圖2(a)2015 年全年平均氣溫示意圖顯示，在該年，安徽省的氣溫基本處于(15.6,16.8)區(qū)間范圍內(nèi)，南北無(wú)更大變化差異。皖南地區(qū)較皖北地區(qū)的平均溫度數(shù)值普遍高一度以上，并且分布極有規(guī)律，基本按照緯度遞減的順序減少溫度數(shù)值。安慶、池州和黃山的溫度較高，平均氣溫在16.7 ℃左右；阜陽(yáng)和亳州市的平均溫度最低，在15.7 ℃左右。

因此，首先對(duì)比2015 年與2014 年的溫度數(shù)據(jù)，并按照變化的百分比繪制圖像，如圖2(b)所示，發(fā)現(xiàn)變化較大的區(qū)域集中在阜陽(yáng)市與亳州市以及皖南多個(gè)城市之上。皖北三城（阜陽(yáng)、亳州和淮北）的氣溫?cái)?shù)據(jù)與上年比較均在減少，而阜陽(yáng)與亳州的變化體現(xiàn)在氣溫異常下降，并較上年減少了1.6%～6.4%；而皖南的多個(gè)城市，如圖中的深棕色和淺粉色色帶，氣溫則陡然升高，提升的百分點(diǎn)在5.6～15.3 之間。

由圖2(c)，比較2015 年的氣溫?cái)?shù)據(jù)與多年平均值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2015 年的氣溫?cái)?shù)據(jù)基本都呈異常升高的趨勢(shì)。池州、黃山兩市氣溫上升的百分比達(dá)20%，而皖中與皖南的其它城市溫度上升的百分比基本上也達(dá)10%～18%之間。氣溫的異常上升基本蔓延全省，而阜陽(yáng)市、亳州市和淮北市的氣溫?cái)?shù)據(jù)較往年持平，且有輕微下降，最低僅下降了0.4 百分點(diǎn)。但百分比數(shù)值相較于全省數(shù)據(jù)，仍是十分微弱，并不特別明顯。

而在2015 年內(nèi)，該年的變化則體現(xiàn)在四季的變化上，春季南北變化較小，等溫線(xiàn)較為稀疏，而秋季與冬季的南北差異則更加明顯，如圖3。夏季的特殊性體現(xiàn)在全省的溫度均相對(duì)較高，而溫度更高的地區(qū)集中在城市群之處，換而言之，是城市的“熱島”效應(yīng)產(chǎn)生出了不一樣的等溫線(xiàn)圖[18]。

因此，季節(jié)間的溫度變化圖，如圖4，具體的溫度變化過(guò)程可歸述如下：由春入夏，皖北地區(qū)溫度上升更為明顯，平均上升10.5 ℃；而由夏轉(zhuǎn)秋，皖北及皖中部分城市則成為了降溫的主力軍；由秋至冬，全省東西兩側(cè)則形成了鮮明的對(duì)比，東部地區(qū)降溫幅度更為劇烈。

圖2 安徽省2015 年降水量時(shí)空變化特征示意圖(a)2015 年平均氣溫；(b)2014—2015 年氣溫變化量(c)2015 年氣溫變化量平均值

圖3 安徽省2015 年各季節(jié)等溫線(xiàn)地形圖(a)春季；(b)夏季；(c)秋季；(d)冬季

圖4 安徽省2015 年各季節(jié)氣溫變化示意圖(a)春夏季；(b)夏秋季；(c)秋冬季

3.2.2 氣溫的空間變化特征

為充分驗(yàn)證氣溫?cái)?shù)據(jù)的空間分布特征，在安徽省內(nèi)取100 個(gè)隨機(jī)點(diǎn)進(jìn)行提取氣溫?cái)?shù)據(jù)并輸出到屬性表中，結(jié)合DEM（digital elevation model）數(shù)據(jù)以供多元分析。使用SPSS 軟件對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。結(jié)果表明：兩個(gè)變量相關(guān)系數(shù)顯著，顯著水平為0.05。有95%的把握認(rèn)為相關(guān)性的確存在，并且符合雙側(cè)檢驗(yàn)的要求。

3.3 農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的變化特征

3.3.1 氣候生產(chǎn)力的總體變化特征

利用前述的氣候生產(chǎn)力模型，并結(jié)合安徽省2015 年的氣溫?cái)?shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)，作出圖5 安徽省2015 年氣候生產(chǎn)力示意圖。圖中顯示，安徽省全省的氣候生產(chǎn)力變化總體不大，皖北、皖中、皖南的界限劃分如表1，也顯得較為模糊，但仍有一定區(qū)別[19-20]。

圖5 安徽省2015 年氣候生產(chǎn)力示意圖

表1 安徽省的常用地域劃分

南部地區(qū)多個(gè)城市數(shù)值略微偏高，氣候生產(chǎn)能力優(yōu)于北部一些城市，這一點(diǎn)與多年平均氣溫值的分布特征相類(lèi)似。值得注意的是，宿州市與蕪湖市與周?chē)渌鞘械臄?shù)值變化較大。結(jié)合3.1 節(jié)的降水的變化特征中的降水量變化示意圖如圖1，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)城市在該年的降水量各位居一極端，符合先前對(duì)降水量數(shù)值的分析與預(yù)測(cè)。宿州市在皖北六市中，降水量最為正常，并沒(méi)有出現(xiàn)異常情況；而蕪湖市2015 年的降水量則偏少，不足以支撐起較高的氣候生產(chǎn)力數(shù)值，因此產(chǎn)生這一特殊現(xiàn)象。

圖5 表明，在2015 年這一年，皖北和皖中地區(qū)的氣溫變化差異較大，較不利于氣候生產(chǎn)力數(shù)值的增長(zhǎng)；宿州市作為皖北四市中的反例，充分體現(xiàn)了氣溫對(duì)氣候生產(chǎn)力的強(qiáng)大影響；蕪湖市在2015 年的降水量較少，這一點(diǎn)也同樣反映在了氣候生產(chǎn)力的模型之上。

同樣采用100 個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，對(duì)氣候生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)變量相關(guān)系數(shù)顯著，顯著水平為0.01，解釋是有99%的把握認(rèn)為相關(guān)性存在并且符合雙側(cè)檢驗(yàn)的要求。這體現(xiàn)了氣候生產(chǎn)力在空間上的變化特征。

3.3.2 氣候生產(chǎn)力的區(qū)域變化特征

分別制作皖北、皖中、皖南各城市各月的氣候生產(chǎn)力變化圖見(jiàn)圖6，橫坐標(biāo)為月份數(shù)，縱坐標(biāo)為當(dāng)年的氣候生產(chǎn)力，以便于后續(xù)的分析。安徽省各城市12 個(gè)月全部的數(shù)據(jù)平均值為13 617.83，該數(shù)據(jù)可以作為數(shù)據(jù)分析時(shí)的“原點(diǎn)”，在圖6 上作為次坐標(biāo)軸進(jìn)行標(biāo)注。

在皖北六個(gè)城市中，只有在4～9 月份，各城市才能突破這一平均值，并在6 月份和8 月份達(dá)到氣候生產(chǎn)力的較高水平，約在30 000 kg/(hm2·a)左右。蚌埠、阜陽(yáng)、淮南、亳州四市表現(xiàn)更為突出，但蚌埠市在2015 年的氣候生產(chǎn)力變化幅度更加明顯。3 月份與11 月發(fā)氣候生產(chǎn)力的小幅回升通常伴隨著溫度與降水的共同上升，也是季風(fēng)性氣候的慣常表現(xiàn)[21]。

皖中四市占據(jù)的土地面積巨大，氣候生產(chǎn)力數(shù)值也表現(xiàn)不俗。其中，安慶市的氣候生產(chǎn)能力更為優(yōu)秀，較為偏南的緯度優(yōu)勢(shì)和沿江城市帶的特有優(yōu)勢(shì)使得安慶市的降水與氣溫均達(dá)到了一個(gè)均衡的水平。3 月份與9 月份數(shù)值略低，一方面是因?yàn)闅鉁氐亩溉幌陆?，另一方面也是因?yàn)槊酚昙竟?jié)會(huì)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響。

皖南六市占據(jù)了優(yōu)秀的地理優(yōu)勢(shì)和氣候優(yōu)勢(shì)，又常伴隨著充裕的降水量，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)槠鋬?yōu)秀的氣候生產(chǎn)能力提供了強(qiáng)有力的保障。但于此同時(shí)，南部獨(dú)特的山區(qū)地形在一定程度上決定了農(nóng)作物總體的生產(chǎn)數(shù)量無(wú)法超越皖北的平原地帶，因此皖南地區(qū)適合發(fā)展特有的經(jīng)濟(jì)作物種植，例如茶葉與水果等。9 月份與10 月份氣候生產(chǎn)力低于平均數(shù)值，可以考慮發(fā)展農(nóng)業(yè)旅游，結(jié)合當(dāng)?shù)卣呐e措，共同將金秋季節(jié)變?yōu)橥钅系狞S金季節(jié)。

圖6 安徽省各地區(qū)各月氣候生產(chǎn)力變化圖

4 結(jié)果與討論

4.1 結(jié)果

總體而言，安徽省在2015 年并未產(chǎn)生較為突出的氣候或降雨、洪澇災(zāi)害，因此分析該年數(shù)據(jù)時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)異常偏高/偏低的數(shù)據(jù)，完成氣候生產(chǎn)力模型分析時(shí)可以提高輸入數(shù)據(jù)的合理性。獲取的多年平均數(shù)值（氣溫和降水量）則建立在前人的觀(guān)測(cè)之上，利用平均數(shù)進(jìn)行分析，有助于觀(guān)測(cè)當(dāng)下的環(huán)境狀況與農(nóng)業(yè)發(fā)展程度。

分析可得，2015 年的降水?dāng)?shù)值普遍高于往年平均數(shù)值，且該年皖南城市帶的降水量明顯多于皖中與皖北城市群。其中，皖北四市（阜陽(yáng)市、亳州市、淮北市和宿州市）降水量和皖南地區(qū)的蕪湖市降水量都少于往年均值。

在2015 年，安徽省的氣溫基本處于(15.6,16.8)區(qū)間范圍內(nèi)，南北無(wú)更大的變化差異。皖南地區(qū)較皖北地區(qū)的溫度數(shù)值普遍高一度以上，分布極有規(guī)律，基本按照緯度遞減的順序均勻減少溫度數(shù)值。在驗(yàn)證了氣溫?cái)?shù)據(jù)與DEM 數(shù)據(jù)的相關(guān)性之后，發(fā)現(xiàn)在四季之中：由春入夏，皖北地區(qū)溫度上升更為明顯；而由夏轉(zhuǎn)秋，皖北及皖中部分城市則成為了降溫的主力軍；由秋至冬，全省東西兩側(cè)則形成了鮮明的對(duì)比，東部地區(qū)降溫幅度更為劇烈。

與氣溫?cái)?shù)據(jù)相似的是，農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的數(shù)值與DEM 數(shù)據(jù)之間同樣存在顯著的雙變量相關(guān)性。在2015 年內(nèi)，氣候生產(chǎn)力的總體變化特征并不明顯，各個(gè)城市的數(shù)值差異不大，部分城市的降水量和氣溫?cái)?shù)值出現(xiàn)了極端情況，這一點(diǎn)在氣候生產(chǎn)力的模型上被表達(dá)了出來(lái)，主要體現(xiàn)在與周?chē)鞘械牟钪?；但全省的區(qū)域變化特征則較為明顯，皖南六市的氣候生產(chǎn)力數(shù)值大于皖中四市，皖中四市則大于皖北六市，這一點(diǎn)可以通過(guò)該年的全年/全省平均氣候生產(chǎn)力數(shù)值進(jìn)行衡量。

4.2 討論

隨著氣候生產(chǎn)力數(shù)值的不斷計(jì)算和獲取，單純的將某個(gè)省份劃分為三個(gè)區(qū)域的方法是明顯不符實(shí)際情況的，如皖北地區(qū)中的宿州市與皖南地區(qū)中的蕪湖市，均因當(dāng)年的特殊氣候現(xiàn)象而產(chǎn)生了一定的區(qū)分性。因此，在研究某地區(qū)該年和未來(lái)的農(nóng)業(yè)發(fā)展政策時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合使用氣候生產(chǎn)力模型，通過(guò)計(jì)算得到具體地區(qū)的生產(chǎn)力情況。

本次研究主要著眼于安徽省的氣候資源情況，主要探討了影響農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)力的兩個(gè)氣候因子，即氣溫和降水量，并且從時(shí)間和空間、總體和區(qū)域上進(jìn)行了一定的分析，得出了一些現(xiàn)實(shí)化的結(jié)論。但是由于數(shù)據(jù)量有限，未能進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，這也是未來(lái)工作的一個(gè)重要內(nèi)容。

5 小結(jié)

分析表明：2015 年安徽省整體降水量較為穩(wěn)定，明顯高于往年平均數(shù)值。從城市帶的角度分析，皖南降水量明顯多于皖中與皖北城市帶。2015 年，安徽省的氣溫基本處于(15.6，16.8)區(qū)間范圍內(nèi)，皖南地區(qū)比皖北地區(qū)的平均數(shù)值普遍高1 ℃以上。氣溫?cái)?shù)據(jù)和氣候生產(chǎn)力的數(shù)值均與DEM 數(shù)據(jù)之間存在顯著的雙變量相關(guān)性，因此氣候生產(chǎn)力模型可以有效地表達(dá)并分析全省的區(qū)域變化特征。