基于DEM的近60年遼寧省玉米生長(zhǎng)季氣溫變化特征分析

張微瑋，李雨鴻，李曉鷗，孟 鑫，劉東明*

（1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168；3.遼寧省丹東市氣象局，遼寧 丹東 118000）

氣溫是最主要的氣象要素之一，是大氣科學(xué)研究的基礎(chǔ)。隨著全球氣候資源利用的不斷發(fā)展，迫切需要準(zhǔn)確獲取氣溫要素的高時(shí)空分辨率、空間柵格化變化情況[1]。氣象觀測(cè)站數(shù)量有限，且由于一些主觀和客觀原因，大部分臺(tái)站處于空間開闊、海拔較低的地段。為研究氣溫的空間分布，學(xué)者們利用簡(jiǎn)單的插值分析方法對(duì)氣溫進(jìn)行插值，推算其分布情況[2-3]。這種方法雖然簡(jiǎn)單方便，但是弊端也很明顯，復(fù)雜地形下的氣溫空間變化與實(shí)際情況往往相差較大[4-5]。因此，對(duì)氣象站觀測(cè)資料進(jìn)行空間插值，獲得氣溫的空間精細(xì)化分布結(jié)果，已經(jīng)是國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)插值方式，基于地形的精細(xì)化插值分析能夠更好地反映下墊面對(duì)氣象要素的影響[6-9]。經(jīng)度、緯度和海拔高度等地理信息均對(duì)氣溫的空間分布產(chǎn)生影響[10]。

20世紀(jì)90年代后GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)在國內(nèi)迅速發(fā)展，通過地理因子與氣溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，運(yùn)用GIS軟件自帶的多種插值方法（多項(xiàng)式插值法、克里金插值法、樣條插值法、反距離權(quán)重法等），可計(jì)算出各類精細(xì)化的氣象要素[11-13]。陳曉峰等在氣象站觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用GIS軟件結(jié)合數(shù)字地形模型（DTM）、天文輻射、海拔高度、地理位置等影響因素建立了山區(qū)溫度分布模型[14]。王麗等基于數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸插值方法建立了適合江蘇省的多元回歸空間插值模型，并分析其與反距離權(quán)重法和克里金插值法等傳統(tǒng)方法的插值精度，客觀地反映了氣溫的空間變異性[15]。目前，結(jié)合地理空間信息推算氣溫的空間分布成為研究氣溫空間插值分布的重要方法之一。

本研究將基于氣象臺(tái)站1961—2020年逐日氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)和1981—2010年玉米發(fā)育期觀測(cè)資料，結(jié)合數(shù)字高程模型及回歸統(tǒng)計(jì)方法，推算遼寧省玉米生長(zhǎng)季內(nèi)精細(xì)化網(wǎng)格點(diǎn)氣溫變化情況，最終獲取近60年遼寧省生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫的時(shí)空變化情況，探討遼寧省熱量條件的空間變化趨勢(shì)。研究結(jié)果將對(duì)玉米種植區(qū)劃和冷害災(zāi)害防御等決策提供理論支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于歐亞大陸東北部，位置范圍為118°53′～125°46′E、38°43′～43°26′N。其東部與朝鮮接壤，南部瀕臨黃海與渤海，與山東半島隔海相望，西部和北部緊鄰河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省。遼寧省地形呈東西高、中部低走勢(shì)，東部山區(qū)為長(zhǎng)白山余脈，西部為丘陵地區(qū)，中部為遼河平原，整體地形呈馬蹄形（圖1）。

1.2 研究資料

選取遼寧省52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1961—2020年玉米生長(zhǎng)季內(nèi)逐日平均氣溫和遼寧省15個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2010年玉米發(fā)育期觀測(cè)資料，觀測(cè)資料來源于遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心。DEM數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云提供的ASTER GDEM30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的鑲嵌至新柵格（Mosaic To New Raster）工具拼接多幅高程數(shù)據(jù)。通過遼寧省邊界數(shù)據(jù)對(duì)DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪操作和重采樣操作，得到遼寧省分辨率為100 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

1.3 發(fā)育期計(jì)算

利用遼寧省15個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2010年的春玉米發(fā)育期資料，得到遼寧省農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的生育期多年平均起止日期。全省平均播種日期為4月27日，播種至3葉期為4月27日至6月2日，7葉至拔節(jié)期為6月3日至7月19日，抽穗至乳熟期為7月20日至9月21日，成熟至收獲期為9月22日至10月15日。

1.4 空間插值方法

空間混合插值法（MLR）主要是通過建立氣溫與地理空間要素信息間的相關(guān)關(guān)系，利用逐步回歸分析構(gòu)建氣溫與地理空間要素的回歸方程，并采用“整體逐步回歸分析+局部殘差內(nèi)插分析”的方法推算網(wǎng)格點(diǎn)氣溫要素值。相關(guān)研究表明，空間混合插值法的插值精度要高于傳統(tǒng)的插值法。

分別利用氣象觀測(cè)站點(diǎn)的地理信息數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、海拔高度）與地形要素?cái)?shù)據(jù)（坡度、坡向）作為自變量，利用平均氣溫作為因變量進(jìn)行相關(guān)性分析。選取通過信度檢驗(yàn)的自變量與因變量建立多元逐步回歸方程。將各站點(diǎn)地理空間要素?cái)?shù)據(jù)代入到回歸方程，得到各站點(diǎn)氣溫模擬值，并結(jié)合站點(diǎn)實(shí)測(cè)值得到相應(yīng)站點(diǎn)的殘差值。基于DEM數(shù)據(jù)，利用逐步回歸方程，推算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的模擬值及殘差，并最終獲得各網(wǎng)格點(diǎn)的氣象要素的空間連續(xù)分布。其表達(dá)式為：

式中：Y為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的氣象要素推算值；X1為網(wǎng)格點(diǎn)經(jīng)度；X2為網(wǎng)格點(diǎn)緯度；X3為網(wǎng)格點(diǎn)海拔高度；X4為網(wǎng)格點(diǎn)坡向；X5為網(wǎng)格點(diǎn)坡度；ε為誤差項(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫的時(shí)間變化特征

2.1.1 全生育期氣溫的變化特征。利用遼寧省52個(gè)氣象觀測(cè)站的1961—2020年逐日平均氣溫資料，計(jì)算遼寧省逐年玉米全生育期平均氣溫，繪制玉米生育期平均氣溫時(shí)間序列圖（圖2）。從圖2可見，近60年遼寧省玉米全生育期平均氣溫為19.7℃。研究時(shí)段內(nèi)平均氣溫最高值出現(xiàn)在2000年，為21.0℃；最低值為18.3℃，出現(xiàn)在1976年。氣溫在2000年前呈穩(wěn)定波動(dòng)上升趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后溫度迅速升高。遼寧省玉米全生育期平均氣溫在近60年呈明顯的上升趨勢(shì)，平均氣溫的氣候傾向率為0.20℃/10年，相關(guān)系數(shù)為0.61（P＜0.01）。

圖2 遼寧省1961—2020年玉米生育期平均氣溫時(shí)間變化特征

2.1.2 各生育期平均氣溫的變化特征。對(duì)1961—2020年遼寧省玉米各發(fā)育期逐日氣溫求平均，計(jì)算每年玉米各生育期平均氣溫，繪制播種—3葉（圖3-a）、7葉—拔節(jié)（圖3-b）、抽穗—乳熟（圖3-c）和成熟—收獲（圖3-d）4個(gè)發(fā)育時(shí)期的平均氣溫時(shí)間序列圖。由圖3-a可見，玉米播種—3葉期的平均氣溫為16.6℃。近60年該發(fā)育期平均氣溫最高值出現(xiàn)在2002年，為18.5℃；最低值出現(xiàn)在1973年，為15.1℃。平均氣溫在20世紀(jì)70年代后期呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后平均氣溫上升顯著。近60年氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，平均氣溫的氣候傾向率為0.23℃/10年，相關(guān)系數(shù)為0.45（P＜0.01）。圖3-b顯示，7葉—拔節(jié)期平均氣溫為22.3℃，最高值出現(xiàn)在2000年，為25.1℃；最低值出現(xiàn)在1976年，為20.1℃。近60年7葉—拔節(jié)期平均氣溫逐年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均氣溫的氣候傾向率為0.18℃/10年，相關(guān)系數(shù)為0.38（P＜0.01）。圖3-c表征了遼寧省玉米抽穗—乳熟期逐年平均氣溫變化特征，平均氣溫為22.0℃；最高值出現(xiàn)在2018年，為23.4℃；最低值出現(xiàn)在1976年，為20.5℃。近60年抽穗—乳熟期的平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，平均氣溫的氣候傾向率為0.19℃/10年，相關(guān)系數(shù)為0.52（P＜0.01）。由圖3-d可知，成熟—收獲期平均氣溫為13.4℃；最高值出現(xiàn)在1998年，為17.0℃；最低值出現(xiàn)在1969年，為11.1℃。近60年氣溫一直穩(wěn)定地波動(dòng)升高，平均氣溫氣候傾向率為0.22℃/10年，相關(guān)系數(shù)為0.34（P＜0.01）。

圖3 1961—2020年遼寧省春玉米各生育期平均氣溫時(shí)間變化特征

2.2 氣溫的空間變化特征

2.2.1 全生育期氣溫的空間變化特征。利用遼寧省52個(gè)氣象觀測(cè)站的1961—2020年逐日平均氣溫資料，利用GIS軟件結(jié)合DEM高程數(shù)據(jù)計(jì)算精細(xì)化的玉米全生育期平均氣溫要素分布（圖4）。由圖4可見，遼寧省春玉米全生育期平均氣溫在中部平原地區(qū)、遼西中部地區(qū)以及環(huán)渤海一帶溫度偏高，在東部山區(qū)以及西部?jī)?nèi)蒙高原一帶氣溫偏低，平均溫度的空間分布符合遼寧省地形的分布。平均氣溫最高值出現(xiàn)在鞍山站，為21.1℃；平均氣溫最低值出現(xiàn)在新賓站，為17.5℃。

圖4 遼寧省春玉米全生育期平均氣溫精細(xì)化分布

2.2.2 各生育期氣溫的空間變化特征。利用遼寧省52個(gè)氣象觀測(cè)站1961—2020年逐日平均氣溫資料和地理信息數(shù)據(jù)，采用MLR混合插值法計(jì)算制作播種—3葉（圖5-a）、7葉—拔節(jié)（圖5-b）、抽穗—乳熟（圖5-c）和成熟—收獲（圖5-d）4個(gè)生育期的氣溫精細(xì)化分布圖。由圖5-a和圖5-b可以看出，播種—3葉期和7葉—拔節(jié)期平均氣溫的空間分布十分相似，中部平原地區(qū)的遼陽、鞍山、海城、大石橋和蓋縣這一沿線地區(qū)以及遼西中部地區(qū)氣溫最高，遼寧東部地區(qū)清原、新賓、桓仁，本溪縣、草河口、寬甸部分地區(qū)以及建平溫度最低。播種—3葉期氣溫最高的站為朝陽站，為18.6℃；氣溫最低的站是草河口站，為14.1℃。7葉—拔節(jié)期氣溫最高的站為鞍山站，為23.7℃；氣溫最低的站是草河口站，為20.2℃。由圖5-c和圖5-d可以看出，抽穗—乳熟期和成熟—收獲期平均氣溫的空間分布比較相似，沿海一線以及鞍山和海城部分地區(qū)溫度較高，東部山區(qū)以及西部建平地區(qū)溫度偏低。抽穗—乳熟期氣溫最高的站是大連站，為23.4℃；氣溫最低的站是建平鎮(zhèn)站，為19.3℃。成熟—收獲期氣溫最高的站是鞍山站，為17.0℃；最低的站是新賓站，為9.9℃。

圖5 遼寧省春玉米各生育期平均氣溫精細(xì)化分布

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

在沒有疊加遼寧省旱田分布的情況下，精細(xì)化分析時(shí)對(duì)海拔較高、不適宜種植玉米的地區(qū)和林地等非農(nóng)田區(qū)域亦做了模擬。由于氣溫偏低、積溫不足等因素影響，模擬結(jié)果誤差較大或無結(jié)果。在接下來的工作中可以通過疊加旱田分布情況，將非農(nóng)田部分內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)剔除，不僅能夠增加運(yùn)行效率，同時(shí)能夠提高區(qū)域模擬精度。隨著近年來遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，在對(duì)氣溫的精細(xì)化表征方面，可以考慮融合遙感數(shù)據(jù)，以提高氣溫的精細(xì)化水平和準(zhǔn)確率。

3.2 結(jié)論

1961—2020年遼寧省春玉米全生育期內(nèi)氣溫逐年上升趨勢(shì)明顯，氣候傾向率為0.20℃/10年，說明遼寧省近年來氣溫上升顯著（P＜0.01），為玉米生長(zhǎng)提供了良好的溫?zé)釛l件。空間分布上，氣溫的高值區(qū)位于遼寧中部和環(huán)渤海一帶，低值區(qū)位于朝陽建平高原和遼寧東部山區(qū)。研究玉米各生育期內(nèi)氣溫變化情況可知，播種—3葉期、7葉—拔節(jié)期、抽穗—乳熟期和成熟—收獲期內(nèi)的平均氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)（P＜0.01），氣候傾向率分別為0.23、0.18、0.19、0.22℃/10年。平均氣溫在玉米生長(zhǎng)前期上升趨勢(shì)顯著（P＜0.01），有利于玉米苗期抵御低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)。在空間分布上，各生育期內(nèi)氣溫總體呈現(xiàn)西部高于東部、沿海高于內(nèi)陸等特點(diǎn)。