基于GIS 的山西有效積溫時空變化分析

蘆艷珍，韓小英，張 蕾，張小寧，王娟玲

（1.山西農業(yè)大學山西有機旱作農業(yè)研究院，山西太原030031；2.山西農業(yè)大學農業(yè)經濟管理學院，山西太原030006；3.山西農業(yè)大學，山西太原030031）

積溫是作物全生育期或某個生育期有效溫度的總和，是一個區(qū)域某一時段內逐日平均氣溫的累加值。農業(yè)氣象中一般用一個地區(qū)一年內日平均氣溫≥10 ℃持續(xù)期內日平均氣溫的總和來表示年積溫（簡稱積溫），其大小代表當地熱量資源狀況，直接反映植物生長發(fā)育對熱量的要求，從強度、作用時間2 個方面來表示溫度對生物體生長發(fā)育的影響[1]，以℃為單位，是作物地區(qū)間引種布局和新品種選擇的重要依據，在農業(yè)氣候研究中可作為分析該地區(qū)氣候熱量資源狀況、進行農業(yè)氣候區(qū)劃的重要熱量指標，也是農業(yè)氣象預報、情報服務的重要參考。同一地域積溫年際變化較大，不同地域積溫也有不同程度的差異，研究一個地區(qū)積溫的分布特點及時空變化規(guī)律，對指導農業(yè)生產和生態(tài)建設等具有重要意義[2]。

IPCC 第 5 次評估報告指出，1880—2012 年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，升高了0.85 ℃，對全球生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能及分布產生重要影響[3]。目前，隨著人類對氣候變化異常的日益重視和農業(yè)生產發(fā)展的需要，積溫的時空變化研究，積溫對農業(yè)生產發(fā)展影響等問題的研究日益被人們所重視，但山西省近30 a 積溫演變規(guī)律研究未見報道。王安樂[4]對山西農業(yè)生態(tài)環(huán)境中熱量因素變化規(guī)律進行了探討；王孟本等[5]研究了山西省近50 a（1959—2008 年）氣溫和降水變化基本特征；劉少華等[6]對1961—2010 年間我國有效積溫時空演變進行了探討，指出有效積溫整體呈上升趨勢，有效積溫帶整體顯著北移，時間段都是較早的。

山西地形復雜多樣，海拔高差懸殊，南北跨6 個緯度帶，同時受季風氣候變化等影響，各地積溫差異大[7]，年際變化也大，形成了復雜多樣的氣候類型，全球氣候變暖導致各地有效積溫出現了不同程度提高[8]，對農作物布局、產量和品質影響很大[9]，對人類生活各個方面也有很大影響。研究積溫時空演替規(guī)律，對科學指導農業(yè)生產和人類活動具有重要作用。

本研究通過對1979—2016 年間連續(xù)38 a 全省109 個氣象站點每日實測數據進行統(tǒng)計，分析≥10 ℃積溫變化特征，為新時期農業(yè)種植結構調整、優(yōu)化生態(tài)建設和糧食安全生產提供理論參考，為種植業(yè)引種布局、農情測報、防災減災及氣候區(qū)劃等提供決策依據，讓數據精準指導現代農業(yè)生產、生態(tài)建設和經濟社會可持續(xù)發(fā)展，為小尺度、高精度GIS 模型分析提供理論方法。

1 資料和方法

1.1 數據來源

采用中國氣象局氣象數據中心《中國地面氣候資料日值數據集》（V 3.0）中山西109 個氣象臺（站）1979 年1 月以來的地面氣象觀測數據，對各站點氣溫資料進行SNHT（Standard Normal Homogeneity Test）法標準正態(tài)均一性檢驗[10-11]。檢驗結果顯示，所有站點的數據都通過了0.01 水平的顯著性檢驗，故采用了全省現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 地理信息數據和SRTM3（高精度地形網格數據）的DEM 數字高程資料（經緯度、海拔、坡度、坡向、等高線和縣級行政界等），一律采用2000 國家大地坐標系。

1.2 研究方法

1.2.1 數據處理 氣象數據中缺測數據采用鄰近站資料，通過ArcGIS 10.2 軟件把各站點熱量資源內插到100 m×100 m 小網格上，建立小網格高精度熱量資源數據信息，繪制全省積溫分布圖，確保了所用資料的系統(tǒng)性、可靠性和完整性。站點日均氣溫數據依據氣候統(tǒng)計學中的5 日滑動平均法[12]，消除不穩(wěn)定的波動變化。通過Fortran 結構化程序語言編程進行統(tǒng)計匯總，計算確定各年份各站點日平均氣溫穩(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。通過ArcGIS 軟件的空間分析和三維分析建模工具，采用線性回歸模型、反距離權重插值方法（IDW）和Mann-Kendall 突變檢驗等方法[13-14]，在100 m×100 m 的小網格上進行熱量資源精細化模擬，并繪制全省積溫分布圖，進行積溫時空演變分析。

1.2.2 突變 M-K 檢驗 M-K（Mann-Kendall）是一種氣候診斷與預測技術，通過其進行連續(xù)多年積溫突變檢驗。以氣候序列平穩(wěn)為前提，且這序列是隨機獨立的，其概率分布等同[15]，它不受少數異常值的干擾，計算也比較方便，具體計算步驟參照魏鳳英等[11]編著的《現代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術》和相關文獻[16-17]。

1.2.3 積溫計算 積溫計算是農業(yè)氣象中積溫帶劃分的重要指標[18]。為保證農業(yè)熱量資源的高效利用和高產穩(wěn)產的需要，農業(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[19]，按照經典的經驗頻率法將多年有效積溫數值進行由大到小排列后，依次計算近38 a 積溫對應的保證率。

式中，P 為保證率，n 為樣本序列數，即年代數；m 為新排列序列中的序號，m＝1，2，…，n。積溫數值為降序排列中第80 個百分位對應的積溫，數值為排序后對應積溫值的線性插值。

積溫時間變化的研究采用山西省各氣象站多年積溫平均值推算的100 m×100 m 小網格精細分析。

2 結果與分析

2.1 積溫時間變化特征分析

2.1.1 積溫年際變化 圖1 顯示，山西省1979—2016 年間積溫整體呈波浪式上升趨勢，≥10 ℃積溫的線性趨勢回歸模型為：y＝15.497x＋3 379.1，預測值與實測值線性相關系數R2為0.676 3。大部分年份積溫在趨勢線上方，表明近38 a 來積溫增加顯著，且1997 年以來進入快速增長期，2014 年≥10 ℃積溫為38 a 最高，達到4 112 ℃，比積溫最低的1984 年的3 402.5 ℃高出709.5 ℃，比近38 a 來的平均積溫高431 ℃。

從山西省積溫距平分布看，積溫整體呈上升趨勢，1997 年以前上升較慢，之后上升較快?！?0 ℃積溫距平在1997 年以前為一致的負距平，積溫平均值比 38 a 積溫均值低 176.04 ℃，1997 年以后，≥10 ℃積溫距平基本上是一致的正值（除2003、2004 年外），1997—2016 年積溫平均值比 38 a 積溫均值高158.44 ℃，1997 年以來積溫呈顯著上升趨勢，≥10 ℃積溫均值比1997 年以前的積溫均值高334.48 ℃。而且形成以7 a 為周期的波動，每7 a 有一個2～3 a 的低值期，且基本上都是正距平。

圖2 顯示，山西≥10 ℃積溫高低和持續(xù)日數的年際變化曲線呈波浪型上升趨勢，且呈正相關關系，隨著積溫的增加其持續(xù)日數也顯著增加。通過線性回歸分析，積溫線性回歸擬合方程為：y＝15.497x＋3 379.1（R2＝0.676 3，P＜0.05）；積溫持續(xù)日數線性回歸擬合方程為：y＝0.433 9x＋184.23（R2＝0.417 9，P＜0.05）。表明積溫和持續(xù)日數呈線性趨勢上升，且積溫的線性相關度更高，與全球氣溫上升結論一致，未來積溫可能還將持續(xù)上升。

2.1.2 積溫年代變化 從圖1 可以看出，山西省1979—2016 年間積溫年代際變化呈4 級階梯上升趨勢。全省≥10 ℃積溫的第1 個10 a 的平均值為3 496.0 ℃，第 2 個 10 a 的平均值為 3 573.9 ℃，第3 個 10 a 的平均值為 3 776.7 ℃，第 4 個 10 a 的平均值為3 928.2 ℃，呈階梯式增長趨勢，第2 階梯比第1 階梯高 77.90 ℃，第 3 階梯比第 2 階梯高 202.8 ℃，第4 階梯比第3 階梯高151.5 ℃。按照30 a 積溫段計算，1979—2008 年≥10 ℃的平均積溫為 3 615.52 ℃，1987—2016 年≥10 ℃的平均積溫為3 736.01 ℃，積溫前后相差120.49 ℃。表明近30 a，尤其是21 世紀以來，氣候變暖的速度有加速趨勢，變幅達到了前所未有的水平，遠超過以往的線性回歸估計值，需要引起高度重視，積極做好氣候應對措施。

由圖3 可知，1979—2016 年間積溫持續(xù)日數年代際變化也呈4 級階梯上升趨勢。全省≥10 ℃積溫持續(xù)日數，第1 個10 a 平均日數為187.50 d，第2個10 a 平均日數為188.96 d，第3 個10 a 平均日數為 196.90 d，第 4 個 10 a 平均日數為 198.50 d，日數階梯上升幅度呈明顯增長趨勢，第2 階梯比第1 階梯高1.46 d，第 3 階梯比第 2 階梯高 7.94 d，第 4 階梯比第3 階梯高1.60 d。前30 a≥10 ℃積溫持續(xù)天數平均為191.1 d，后30 a 持續(xù)天數平均為194.2 d，年均日數增加了3.1 d。從日數距平變化看，1997 年以前基本是一致的負距平，之后多數為一致的正距平，呈波浪型上升，其趨勢線也和積溫變化趨勢線一致，顯示全省氣候熱量有明顯的逐年增加趨勢。

2.1.3 積溫突變 從前后30 a（圖4-a、b）山西省≥10 ℃積溫的M-K 突變檢驗曲線看，積溫在1997 年（圖4-a）和2004 年（圖4-b）前后存在突變。前30 a（圖4-a）中UF 曲線在20 世紀80 年代前期有負值出現，1985 年以后越過臨界線呈現出線性上升趨勢的正值，表明1980、1984 年積溫較常年有減小，之后是顯著波浪型增加的趨勢，在1998 年后越過了P＝0.05 的信度線（Up＝±1.96），表明積溫的上升趨勢是顯著的，曲線UF 和UB 在1997 年出現了相交，交點位于信度線之間，表明1997 年開始積溫增加是一突變現象，即1997 年是山西積溫突變開始的時間。突變點之前，全省多年平均積溫為3 131.95 ℃，突變后的平均積溫為3 385.95 ℃，比突變前增加了254 ℃，這與圖1 的積溫距平曲線結論也一致，圖1表明，≥10 ℃積溫距平在1979—1996 年之間為一致的負距平，期間平均為-176 ℃，在1997—2016 年間以正距平為主（2003—2004 年為負距平），平均為158 ℃，可見，突變后積溫異常明顯增加。后30 a（圖4-b）中UF 曲線在1997 年之前為負值，1997年以后越過臨界線呈線性上升趨勢的一致正值，表明積溫呈顯著增加趨勢，曲線UF 和UB 在2004 年出現了相交，在2005 年后越過了P＝0.05 的信度線（Up＝±1.76），交點位于信度線之間，表明2004年是近30 a 積溫增加的突變點，即積溫突變開始的時間，與圖1 的積溫距平曲線結論也一致，積溫距平在2004 年之后為一致的正距平，且周期性持續(xù)性增加。

2.2 積溫空間分布分析

2.2.1 積溫空間分布模型 研究篩選出積溫要素的關鍵地理因子，用IBMSPSS Statistics 25 軟件，以經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向作為自變量因子，以≥10 ℃積溫指標為因變量，建立多元線性回歸模型。積溫的空間推算模型表達式如下。

式中，Z 為積溫實測值，λ 為經度，φ 為緯度，h為海拔高度，β 為坡度，θ 為坡向；ε 為綜合地理殘差。

將緯度、經度、海拔高度、坡度和坡向代到公式（1）中進行計算，得到穩(wěn)定≥10 ℃積溫指標的模擬值，殘差值=實測值- 模擬值。

用ArcGIS 10.2 軟件的漁網工具（Creat Fishnet），創(chuàng)建 100 m×100 m 的小網格，計算每個小網格的經緯度，通過空間分析工具提取DEM數據對應網格點的海拔高度、坡度、坡向等地理信息。運用積溫空間推算模型推算出積溫指標因子在100 m×100 m 網格單元上的模擬值，利用反距離權重插值法內插出積溫指標因子的模擬柵格圖。

由表1 可知，各模型的復相關系數在0.960～0.965，從回歸效果看，各方程都通過了α＝0.001 的顯著性檢驗，表明方程具有良好的回歸效果，符合統(tǒng)計學要求。根據表1 中的模型表達式，計算出各氣象站點的積溫指標因子模擬值，再用公式（2）計算得出其殘差值并進行訂正，以109 個氣象站點的殘差值為樣本，利用GIS 的空間插值方法內插出100 m×100 m 網格的殘差柵格圖。將模擬值柵格圖和殘差值柵格圖用柵格計算器疊加運算，通過空間疊加生成≥10 ℃積溫分布和持續(xù)日數分布圖（圖5、6）。

表1 山西≥10 ℃積溫80%保證率下空間分析模型

2.2.2 ≥10 ℃積溫空間變化 山西省日均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的積溫，在省域空間尺度上的分布具有明顯的緯度地帶性（圖5），表現為由南向北遞減的趨勢，即隨緯度增加而減小。同時，也表現出明顯的垂直地帶性差異，即積溫隨海拔升高而降低?！?0 ℃有效積溫＜2 500 ℃的區(qū)域分布在北部海拔1 900 m以上的五臺山、恒山、蘆芽山、管涔山、云中山、關帝山、紫荊山等區(qū)域。2 500 ℃≤積溫＜3 500 ℃的區(qū)域主要受緯度和海拔高度的影響，分布在海拔1 200～1 900 m 的中低山區(qū)和北部盆地區(qū)，主要有大同市、懷仁縣、山陰縣、應縣、廣靈縣、朔城區(qū)、河曲縣、偏關縣、繁峙縣、代縣、定襄縣、臨縣、中陽縣、榆社縣、平順縣、武鄉(xiāng)縣、壺關縣、盂縣、隰縣、方山縣、蒲縣、安澤縣、潞州區(qū)、沁縣、襄垣縣、沁源縣等地。3 500 ℃≤積溫＜4 500 ℃的區(qū)域主要分布在海拔700～1 200 m 的中南部地區(qū)和西部黃河沿岸峽谷地帶，主要為太原北郊、陽曲縣、古交區(qū)、榆次區(qū)、文水縣、交城縣、平遙縣、太谷縣、祁縣、平定縣、左權縣、昔陽縣、忻府區(qū)、原平市、保德縣、興縣、離石區(qū)、汾西縣、吉縣、鄉(xiāng)寧縣、永和縣、長子縣、屯留縣、沁水縣、高平市、潞城縣、聞喜縣、絳縣、大寧縣、曲沃縣、襄汾縣、翼城縣、古縣、洪洞縣、霍州市、浮山縣、汾陽市、柳林縣、石樓縣、介休市、清徐縣、靈石縣、太原南郊、孝義市、陽泉市、晉城市、陽城縣和黎城縣。積溫≥4 500 ℃的區(qū)域位于山西西南部海拔400～600 m 的盆地區(qū)，主要為芮城縣、永濟市、臨猗縣、萬榮縣、河津市、稷山縣、新絳縣、侯馬市、鹽湖區(qū)、堯都區(qū)、平陸縣、夏縣、垣曲縣等地。

2.2.3 ≥10 ℃持續(xù)日數空間變化 從圖6 可以看出，積溫持續(xù)日數是由南向北遞減趨勢，也呈現出明顯的緯度地帶性和垂直地帶性特征，晉南盆地區(qū)持續(xù)日數最長，達229.2 d，全省持續(xù)日數在200 d以上的有38 個臺站，晉北地區(qū)和東西部中高山區(qū)較短，持續(xù)日數＜180 d。中部盆地、中低山區(qū)和晉東南地區(qū)持續(xù)日數在180～210 d，低值中心主要分布在五臺縣豆村、嵐縣、和順縣、寧武縣、交口縣、岢嵐縣、平魯縣、左云縣、五寨縣、神池縣、右玉縣等地，五臺山最低，只有67 d，說明持續(xù)日數受海拔和緯度的影響明顯。山西北部和呂梁山區(qū)高海拔地區(qū)≥10 ℃積溫持續(xù)日數最小。

3 結論與討論

依據山西109 個氣象站近38 a 來各站逐日平均氣溫資料和高精度數字高程模型（DEM），借助ArcGIS 平臺的數據空間分析、三維分析、空間分析建模等工具，建立100 m×100 m 的小網格推算模型，運用回歸統(tǒng)計方法、趨勢分析法、反距離插值、距平法和Mann-Kendall 突變檢驗等方法，定量分析了山西省≥10 ℃積溫的時空變化特征。

1979 年以來，山西≥10 ℃積溫及持續(xù)日數呈顯著上升趨勢，提高了作物全生育期熱量資源供給，擴大了喜溫作物和中晚熟作物的適栽區(qū)面積，并影響到種植制度。從年代際平均值看，積溫及持續(xù)天數 10 a 平均值分別為 3 496 ℃、187.5 d，3 573.9 ℃、189 d，3 776.7 ℃、196.9 d，3 928.2 ℃、198.5 d，年代際變化呈顯著的階梯式上升趨勢；且≥10 ℃積溫在1997、2004 年發(fā)生突變，突變之后積溫顯著增加。該結論與蔣嘯等[20]、張卉等[21]的研究結論相似，但不完全一致（1993、1997 年為突變年份）；與楊倩等[22]的研究結論基本一致，但很接近，其差別主要是資料時間段和分析方法不同所致。

≥10 ℃積溫的大小與持續(xù)期的長短密切相關[23]，二者變化趨勢吻合，1997 年以來其區(qū)域面積顯著增加，空間分布整體呈現出隨緯度增加由西南向東北推移和向高海拔區(qū)擴展的趨勢。這一變化可能使作物生長期延長，有利于種植邊界向高緯度和高海拔地區(qū)擴展，利于作物產量和質量的同步提高。同時，由于受氣候變暖的影響，原本受溫度限制的病蟲害活動區(qū)域也將向高緯度和高海拔地區(qū)擴張，干旱和極端天氣發(fā)生的強度和頻率也將增加，自然災害風險等級提高。因此，做好農作物種植結構和布局的合理調整，加大災害防控力度，是積極應對氣候變化，實現可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

繪制的≥10 ℃積溫的分布圖和積溫持續(xù)日數分布圖，直觀地展現了山西省積溫資源的分布特征，達到小尺度、高精度的分析效果，提升了統(tǒng)計模型的數據質量。建立的小網格積溫推算模型相關系數高，統(tǒng)計學檢驗為顯著，提升了氣候熱量資源空間模擬的精度，是未來小尺度地域空間精準化、精細化模擬發(fā)展的趨勢和引領。為高效利用氣候資源、科學布局農業(yè)生產和產業(yè)結構調整提供了高精度的數據支持與科學依據。

氣溫的顯著上升和降水量的普遍減少（降水量17 個站減少顯著，85 個站減少不顯著），潛在蒸發(fā)量上升，干旱化趨勢和進程將進一步加重，加劇了水資源的緊缺，未來水資源供需矛盾將更加突出，對糧食生產能力和經濟社會可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅。因此，積溫增加和干旱缺水問題必須引起人類的高度重視，需加大力度保護自然生態(tài)環(huán)境。

影響氣候變化的因子非常錯綜復雜，有自然原因，也有人類活動的影響。本研究由于氣候資料時間段有限，無法體現更大尺度時間段的變化規(guī)律，本研究通過殘差的內插處理來提高氣候資源推算的精準度，如果能獲得更長時間尺度的完整氣象觀測資料來對積溫資源時空演變進行分析，可得到更完整的不同時段變化趨勢，從而提高未來時空演變預測的精準度，對主動應對氣候變化，科學布局農業(yè)生產、高效利用氣候資源和優(yōu)化區(qū)域種植制度等具有重要意義。