河南省近50年來活動(dòng)積溫時(shí)空變化特征

馮曉玙　陳小素河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院

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河南省近50年來活動(dòng)積溫時(shí)空變化特征

馮曉玙陳小素
河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院

[摘要]氣候變化是全球環(huán)境變化的核心內(nèi)容，其中活動(dòng)積溫是眾多氣候因子中的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是≥10℃活動(dòng)積溫與植被演替、農(nóng)作物生長(zhǎng)關(guān)系密切，對(duì)區(qū)域生態(tài)狀況和糧食生產(chǎn)安全具有決定性作用。根據(jù)河南省17個(gè)地區(qū)基本或基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)1960～2008年逐日平均氣溫，采用5日滑動(dòng)平均法求得起止日期，計(jì)算出日氣溫穩(wěn)定通過≥10℃持續(xù)時(shí)段內(nèi)的積溫?cái)?shù)值，利用ArcGIS13.0平臺(tái)分析并展示其變化趨勢(shì)和特征。結(jié)果表明：（1）多年均值空間格局上，豫南地區(qū)最大、豫西地區(qū)最??；（2）空間變化格局上，絕大部分地區(qū)以增大趨勢(shì)為主，但其變化程度區(qū)域差異不顯著；（3）4個(gè)時(shí)段比較上，以1990～1999年呈現(xiàn)減少趨勢(shì)及區(qū)域差異性強(qiáng)與2000～2008年表現(xiàn)的增大趨勢(shì)及區(qū)域差異性弱的對(duì)比為最大特征。

[關(guān)鍵詞]活動(dòng)積溫GIS空間分析時(shí)空格局河南省

氣候變化是全球環(huán)境變化的核心和主要內(nèi)容?？茖W(xué)研究表明，近百年來地球正經(jīng)歷著一次以氣溫變暖為主要特征的顯著變化[1]。其中，活動(dòng)積溫是一個(gè)重要的氣候因子，是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的條件?；顒?dòng)積溫是指大于等于10℃持續(xù)期內(nèi)的日平均氣溫累加起來得到的氣溫總和。由于當(dāng)日平均氣溫穩(wěn)定上升到10℃以上時(shí)，大多數(shù)農(nóng)作物才能活躍生長(zhǎng)，喜溫作物開始生長(zhǎng)、喜涼作物積極生長(zhǎng)，此期間內(nèi)的熱量資源直接影響春播作物的生長(zhǎng)[2]。因此活動(dòng)積溫反映了一個(gè)地方氣候?qū)r(nóng)作物所能提供的熱量條件，是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)氣候資源最重要、最普遍的指標(biāo)，常用來估算某一地區(qū)的熱量資源和反映品種的生育特性，與農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系最為密切，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全十分重要[3]。

年活動(dòng)積溫受經(jīng)度、緯度、海拔高度和大地構(gòu)造地貌單元的影響，有較為明顯的區(qū)域空間差異，尤其是在全球氣候變暖的大背景下，分析研究≥10℃積溫的時(shí)空變化，不僅有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)熱量空間分布和年際變化，而且對(duì)于作物及其品種的合理布局、氣候資源的合理開發(fā)和充分利用等均有直接的實(shí)際意義。張鐘月等基于西天山地區(qū)17個(gè)站點(diǎn)1961～2001年的氣象資料，通過建立數(shù)學(xué)模型研究了其區(qū)域活動(dòng)積溫的時(shí)空變化特征[4]；劉志雄等根據(jù)湖北省20個(gè)氣象臺(tái)站1961～2005年逐日平均氣溫，計(jì)算并分析了歷年活動(dòng)積溫及其變化趨勢(shì)，得出空間上的大部分地區(qū)顯著增加趨勢(shì)、時(shí)間上的波動(dòng)現(xiàn)象[5]；劉志娟等基于66個(gè)氣象臺(tái)站1961～2007年間的氣候資料，比較分析了中國(guó)黃淮海平原半濕潤(rùn)暖溫小麥-玉米兩熟農(nóng)區(qū)內(nèi)以活動(dòng)積溫的農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空變化特征，得出結(jié)論1961～1980年和1981～2007年2個(gè)時(shí)段對(duì)比顯著[6]；劉洋等利用東北地區(qū)89個(gè)氣象站的逐日地面氣候觀測(cè)資料，采用氣象氣候傾斜率、MK檢驗(yàn)等氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法，分析了54年來東北地區(qū)35萬平方公里熱量資源要素的變化規(guī)律[7]。但作為中國(guó)農(nóng)業(yè)大省、糧食大省之稱的河南省，其時(shí)空變化特征還沒有系統(tǒng)開展，因此本研究以河南省17個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)或基本氣象站1960～2008年間的逐年活動(dòng)積溫?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)用氣候氣象傾斜率、線性回歸模型和ArcGIS13.0的空間分析模塊進(jìn)行定量精準(zhǔn)表達(dá)和地理分析，以期為河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供指導(dǎo)。

一、數(shù)據(jù)來源及方法

1.數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心，研究時(shí)段選擇1960～2008年，因?yàn)檫@一時(shí)段內(nèi)河南省所有的17個(gè)基本或基準(zhǔn)氣象臺(tái)站均沒有數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象；同時(shí)，臺(tái)站空間分布位置相對(duì)較為均勻，滿足空間插值基本條件；依據(jù)地理意義，河南省區(qū)域劃分為東西南北中五個(gè)地區(qū)，即豫東包括開封、商丘、周口3市，豫西包括洛陽、三門峽、平頂山3市，豫南包括南陽、駐馬店和信陽3市，豫北包括安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、鶴壁和濟(jì)源6市，豫中則包括鄭州、許昌和漯河3市，共計(jì)18個(gè)地級(jí)市。其基本信息見表1。

表1　河南省17氣象臺(tái)站基本信息及活動(dòng)積溫?cái)?shù)據(jù)

2.研究方法

（1）穩(wěn)定通過界限溫度起止日期的確定。采用辦公軟件Excel的5日滑動(dòng)平均法求算活動(dòng)積溫起止日期，氣溫≥10℃（穩(wěn)定通過）持續(xù)日數(shù)的積溫?cái)?shù)值[8]。

（2）氣候傾斜率。在計(jì)算變化趨勢(shì)時(shí)，采用最小二乘法，計(jì)算樣本與時(shí)間t(a)的線性回歸系數(shù)（a）。各要素的變化可用一次線性方程表示[9]。

圖1　河南省近50年≥10℃活動(dòng)積溫均值

圖2　河南省近50年≥10℃活動(dòng)積溫年際變化率均值

(3)數(shù)據(jù)處理。采用反距離插值方法（inverse distance interpolation，IDW）對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，本研究設(shè)定的Cell size參數(shù)均為0.005，基于ArcGIS13.0平臺(tái)生成空間柵格數(shù)據(jù)。

二、結(jié)果與分析

本研究主要從多年活動(dòng)積溫空間格局、近50年年際變化和代際變化三個(gè)方面反映研究區(qū)時(shí)空變化特征。

1.多年活動(dòng)積溫空間格局

從圖1和表1可以看出，河南省17個(gè)站點(diǎn)從1960～2008年≥10℃的活動(dòng)積溫均值一般在4300℃～ 4500℃，平均數(shù)值為4305.25℃。固始數(shù)值最高，為4609.09℃；相對(duì)地，信陽（4539.05℃）、駐馬店（4513.31℃）和南陽（4500.15℃）三個(gè)氣象站也較高。亦即河南省17個(gè)氣象站中≥10℃活動(dòng)積溫高于4500℃的所有4個(gè)站點(diǎn)均分布在豫南地區(qū)。欒川最低（3515.14℃），盧氏（3728.31℃）和三門峽（4202.18℃）也都較小，亦即河南省17個(gè)氣象站中≥10℃活動(dòng)積溫低于4300℃的所有3個(gè)站點(diǎn)均分布在豫西地區(qū)。因此，≥10℃活動(dòng)積溫高值區(qū)分布在豫南，低值區(qū)均分布在豫西。

2.近50年活動(dòng)積溫年際變化

從圖2的河南省近50年≥10℃活動(dòng)積溫年際變化率均值可以看出，所有地區(qū)的變化率均值均為正值，表明所有地區(qū)≥10℃活動(dòng)積溫都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；但幅度很小，一般小于0.45％，僅有三門峽、欒川、鄭州、開封、信陽五個(gè)站點(diǎn)的變化率高于0.45％，分別位于豫西、豫中、豫東和豫南四個(gè)區(qū)域，亦即區(qū)域分異不顯著。因此，河南省1960～2008年間≥10℃活動(dòng)積溫年際變化均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其變化率的區(qū)域分異不顯著。

3.近50年活動(dòng)積溫代際變化

圖3　河南省近50年來≥10℃活動(dòng)積溫代際變化率空間格局

以1960～1969年≥10℃活動(dòng)積溫年均值為基礎(chǔ)，在已知1970～1979年的活動(dòng)積溫年均值的情況下，計(jì)算出每個(gè)氣象站點(diǎn)的1970～1979年的活動(dòng)積溫代際變化率；以此類推，計(jì)算出1980～1989年、1990～1999年、2000～2008年三個(gè)時(shí)段的活動(dòng)積溫代際變化率。下面分述上世紀(jì)70年代、80年代、90年代和本世紀(jì)初的活動(dòng)積溫代際變化時(shí)空格局特征研究?；贏rcGIS13.0平臺(tái)生成的空間內(nèi)插圖形見圖3。

（1）上世紀(jì)70年代。從圖3A可以看出，河南省17個(gè)站點(diǎn)1970～1979年≥10℃活動(dòng)積溫的變化以增大為主。表現(xiàn)增大趨勢(shì)的氣象站點(diǎn)中，安陽、信陽、三門峽變化率較大，超過了2％；表現(xiàn)減小趨勢(shì)的氣象站點(diǎn)中，位于豫西地區(qū)的欒川變化率較大，其絕對(duì)值大于3％。其它站點(diǎn)的代際變化率相對(duì)均較小，僅為-1％～2％?？傊?，河南省上世紀(jì)70年代的活動(dòng)積溫相對(duì)于60年代，其變化趨勢(shì)以增長(zhǎng)為主，但區(qū)域差異相對(duì)較小。

（2）上世紀(jì)80年代。圖3B展現(xiàn)的河南省1980～ 1989年≥10℃年活動(dòng)積溫代際變化率一般也在-1～ 2％之間，其中呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的欒川（1.57％）和寶豐（1.91％）兩個(gè)站的變化率較高，呈現(xiàn)減少趨勢(shì)的安陽和信陽兩個(gè)站點(diǎn)變化率絕對(duì)值也相對(duì)較高了些，分別為-2.81％和-1.07％。總之，上世紀(jì)80年代≥10℃活動(dòng)積溫變化趨勢(shì)還是以增加為主，且區(qū)域差異更小。

（3）上世紀(jì)90年代。相對(duì)于1980～1989年，河南省1990～1999年≥10℃活動(dòng)積溫代際變化表現(xiàn)出明顯減小趨勢(shì)，17站點(diǎn)代際變化率平均為-0.23％，四個(gè)代際變化率中唯一負(fù)值，這一點(diǎn)可以由圖3C清晰得到。在17個(gè)氣象站點(diǎn)中，新鄉(xiāng)（-1.69％）、盧氏（-1.49％）、寶豐（-1.47％）、孟津（-1.13％）、南陽（-1.12％）、駐馬店（-1.11％）、固始（-1.08％）、許昌（-0.82％）等8個(gè)站點(diǎn)的代際變化率均為負(fù)值，而且平均值絕對(duì)值也較高，為1.24％；而其它9個(gè)站點(diǎn)的代際變化率平均值的絕對(duì)值卻僅有0.67％。同時(shí)，區(qū)域分異也較為明顯，豫西、豫南以減少為主，而豫東則還以增加為主。

（4）本世紀(jì)初。進(jìn)入21世紀(jì)以來，河南省整體區(qū)域≥10℃活動(dòng)積溫則均以強(qiáng)勢(shì)的增加趨勢(shì)為特征，尤以豫南和豫中地區(qū)最顯著（圖3D）。2000～2008年間，17個(gè)氣象站點(diǎn)的代際變化率均值為2.83％，其中11個(gè)站點(diǎn)的代際變化率高于1％，特別是鄭州、開封、西峽、西華、信陽5站點(diǎn)的代際變化率大于5％，5站點(diǎn)分別屬于豫中、豫東和豫南。

總之，相對(duì)地，4個(gè)時(shí)段中的1990～1999年代際活動(dòng)積溫總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，區(qū)域分異顯著；而其它三個(gè)時(shí)段代際活動(dòng)積溫總體表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，區(qū)域分異不明顯。

三、主要結(jié)論

本研究以河南省17個(gè)國(guó)家基本或基準(zhǔn)氣象臺(tái)站的1960～2008年間長(zhǎng)時(shí)間序列的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS13.0平臺(tái)采用反距離空間插值方法，研究了≥10℃活動(dòng)積溫的時(shí)空格局特征，其主要結(jié)論如下：

1.河南省大部分地區(qū)的近50年活動(dòng)積溫均值多在4300～4500℃之間，以豫南較大、豫西較小為區(qū)域分異特征。

2.河南省近50年活動(dòng)積溫年際變化均值均以增長(zhǎng)趨勢(shì)為主，但區(qū)域分異不顯著。

3.四個(gè)時(shí)段中，1990～1999年代際活動(dòng)積溫呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，區(qū)域分異顯著；而其它三個(gè)時(shí)段代際活動(dòng)積溫總體表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，區(qū)域分異不明顯。

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[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371105）