晋陕蒙地区≥10℃积温的时空变化特征*

孟艳灵，殷淑燕，杨 锋，周亚利

（陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062）

晋陕蒙地区≥10℃积温的时空变化特征*

孟艳灵，殷淑燕**，杨 锋，周亚利

（陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062）

利用1960-2014年晋陕蒙三省75个气象站逐日平均气温实测数据，采用多元线性回归模型的积温空间模拟方法和气候倾向率法，对晋陕蒙地区1960-2014年日平均气温稳定≥10℃积温的时空特征进行分析。结果显示：（1）从整个分析期来看，1960-2014年晋陕蒙地区日平均气温稳定≥10℃积温总体呈上升趋势，近55a积温增速为74.60℃·d·10a-1，93%的气象站点积温增加趋势显著（P＜0.05），仅有7%的站点变化趋势不显著。（2）从空间分布来看，分析期内≥10℃积温平均值呈现由低纬度向高纬度、由低海拔向高海拔逐渐减少的规律。（3）从各年代积温线的移动情况看，＜1600℃·d、1600～3200℃·d占的区域面积占总面积比例呈现逐年代降低的趋势；3200～4500℃·d的区域面积占总面积的比例呈现逐年代升高趋势；＞4500℃·d所占区域面积占总面积的比例在1970-1979年、1980-1989年呈降低趋势，在1990-1999年、2000-2014年呈升高趋势。（4）从时段Ⅰ（1960-1989年）和时段Ⅱ（1980-2014年）气候带的变化情况看，中亚热带从无到有，北亚热带、暖温带区域面积逐渐增加，中温带和寒温带区域面积逐渐减少，气候带在气候变暖背景下呈北移西扩的趋势。总体上，≥10℃积温呈现出向高海拔扩张和高纬度北移的趋势。

晋陕蒙；≥10℃积温线；空间插值；气候带

IPCC《气候变化2013：自然科学基础》报告指出，气候系统变暖是毋庸置疑的，过去30a地表气温高于1850年以来的任何一个10a，几乎全球所有地区地表都在增暖[1]。气候变暖引起热量资源的变化[2]，对农业生产、水资源安全、生态环境等均有一定影响[3]。

农业生产受气候变化影响非常敏感，特别是干旱地区农业受气候影响更大，积温作为重要的热量资源，其变化特征对合理配置农作物种植、预报物候期、防止病虫害等具有指导意义[4]。目前，国内研究者对不同地区热量资源进行了许多研究。胡琦等[2]认为，全国积温增加趋势约为 70℃·d·10a-1。唐宝琪等[5]认为华东地区≥10℃积温在空间分布上呈纬度地带性和垂直地带性特征。刘勤等[6]认为受全球气候变暖的影响，黄河流域≥0℃、≥10℃积温呈升高趋势。戴声佩等[7]指出在气候变暖形势下，华南地区气候带向高海拔扩张、高纬度北移。学者对西北地区热量资源变化也进行了相关研究，李克南等[8]认为，中国北方地区≥0℃积温带北移西扩，积温增加速率为65.5℃·d·10a-1，东北地区≥0℃积温变化最显著。邓振镛等[9]认为，气候变暖使西北地区冬小麦种植区西移北扩，多熟制向北和高海拔地区推移。孙兰东等[10]认为，陕西大部分地区＞10℃积温倾向率通过信度检验，积温增加显著，陕南积温增、减趋势不明显。李硕等[11]认为，西北地区≥10℃积温增加与日平均气温≥10℃持续时间的增加有关，≥10℃天数的增加主要是因为初始日期的提前。

晋陕蒙大部分地区属半干旱、干旱地区，该区农业对气候变化的响应敏感，对气候变化的适应能力弱，对气候条件的依赖程度高，气候变化对该地区农业影响显著[12]。该区内蒙古地区草地以畜牧业为主，农区耕地面积大，是中国第三大商品粮产区，陕西、山西地区的丘陵地带以林业为主，河谷、盆地以农业为主，正由于该区地形的多样性，因此，因地制宜发展农业，探讨在气候变暖背景下，复杂多样的地形内部热量资源的变化情况，对该区农业发展具有重要意义。以往研究因受当时资料、研究区域的限制，对晋陕蒙地区积温进行专门精确化空间模拟的研究报道甚少。基于此，本文利用晋陕蒙地区已有气象站点的逐日气温观测数据，建立积温多元线性回归模型，运用ArcGIS10.0软件对该区积温的时空变化进行分析，以了解气候变暖背景下晋陕蒙地区积温的时空变化及其对农业的可能影响。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

晋陕蒙地区包括山西省、陕西省和内蒙古自治区，该区跨 31°7′-53°31′N、97°17′-125°98′E，总面积约154.58×104km2（图1）。研究区大部属温带大陆性季风气候，气候带从南向北依次为亚热带、暖温带、温带和寒温带，干湿分布由东向西依次为湿润、半湿润、半干旱和干旱，气候地域差异性和过渡性显著。晋陕蒙地区地貌类型复杂多样，有山地、丘陵、平原和高原等地形，复杂多样的地形使其农业种植方式、种植制度多样。

图1 研究区范围及气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area

1.2 资料来源

选取晋陕蒙地区气象要素完整的75个气象站点1960-2014年逐日平均气温观测资料，数据来源于中国气象局国家气象信息中心。数字高程数据采用全国1km空间分辨率DEM数据。

1.3 数据处理方法

1.3.1 ≥10℃积温计算

10℃是喜凉作物开始迅速生长、春季喜温作物开始播种与生长、多年生作物开始以较快速度积累干物质的温度[13]。本文在计算≥10℃积温时，采用5日滑动平均法[14]确定日平均气温稳定≥10℃起止日期，即从春（秋）季某一天日平均温度≥10℃开始计算5日滑动平均温度，从5日滑动平均序列中选出第一个（最后一个）在其后（前）不再出现低（高）于10℃的5日，在此5日中挑选日平均温度第一个（最后一个）大于或等于10℃的日期，即为稳定通过10℃的起日（止日）。起日与止日间日平均气温之和即为稳定≥10℃的积温。

1.3.2 气候倾向率

利用气候倾向率法[15]对年≥10℃积温进行线性估计，气候倾向率为正表明≥10℃积温随时间呈增多趋势，反之呈减少趋势。

1.3.3 积温空间插值方法

在多因素的地理系统中，多个因素之间存在着相互影响的情况[16]，因此，可以利用多组因变量和自变量的观测值，建立多元线性回归模型方程。参考文献[6-7,17]，把经度、纬度和海拔作为影响积温的主要要素，建立积温多元线性回归模型，即

式中，x1为经度（°），x2为纬度（°），x3为海拔（m），为回归分析值，b0为常数，b1、b2、b3为偏回归系数。

将各气象站点 1960-2014年≥10℃积温平均值与其经度、纬度、海拔数据进行多元线性回归，得到如下相应的回归方程，方程通过了0.01水平的显著性检验。

积温栅格化[6,18-19]：（1）利用ArcGis10.0软件，从研究区1km分辨率DEM图上提取每个栅格点的经度、纬度和海拔数据；（2）利用 SPSS软件把气象站点的经度、纬度、海拔作为输入变量，≥10℃积温值为输出变量进行多元回归分析，得到回归方程（式2），把提取的每个栅格点的经度、纬度、海拔数据代入式（2），得到≥10℃积温回归分析值；（3）用气象站点残差进行反距离权重（inverse distance weighted interpolation，IDW）插值，得到残差栅格图；（4）通过“回归分析值+残差插值”栅格化方法，得到各年代栅格化的积温数据。

2 结果与分析

2.1 ≥10℃积温的空间分布特征

利用模型和 1960-2014年所有站点实测资料插值得到研究区内栅格点历年≥10℃积温值，其平均值的空间分布见图2。由图2可以看出，1960-2014年晋陕蒙地区≥10℃积温的平均值表现出明显的纬度地带性特征，总体上看，从低纬度地区向高纬度地区≥10℃积温逐渐减少，由陕西省南部的5270℃·d，降至内蒙古东北部的不足1000℃·d，说明纬度对≥10℃积温有显著影响。由西向东，由于海拔高度的影响，研究区内≥10℃积温表现出逐渐减少的特点，在海拔高度变化明显的地区如大兴安岭地区，积温减幅较大，至大兴安岭东部地区，海拔高度减少，积温增加。

图2 研究区≥10℃积温平均值的空间分布（1960-2014年）Fig.2 Spatial distribution of the average ≥10℃ accumulated temperature in the study area from 1960 to 2014

由图2还可见，研究区≥10℃积温≤1600℃·d的区域主要分布在陕西省太白县中部以及太白县、眉县与周至县交界处，山西省宁武县，繁峙县与五台县交界处，内蒙古自治区察哈尔右翼中旗，克什克腾旗北部和南部地区，科尔沁右翼前旗、鄂温克族自治旗与扎兰屯市交界处，牙克石市北部和额尔古纳左旗等高海拔地区；积温1600～3200℃·d的区域分布在内蒙古中东部地区，陕西省北部大部分地区，延安市南部的黄龙县、黄陵县西部、富县，秦岭山脉一带，陕西省南端大巴山西部、米仓山地区，山西省大同市、忻州市大部、晋中市中东部、长治市东南部、朔州市、太原市西部、吕梁市中东部；积温3200～4500℃·d的区域分布在内蒙古西部的阿拉善盟以及内蒙古自治区沿黄河一带，通辽市中东部，陕西省宝鸡市中北部、咸阳、渭南北部、商洛市、汉中市中西部，陕西省和山西省的黄河和汾河一带，晋城市大部、忻州中部地区；积温4500～5270℃·d的区域分布在陕西省渭河一带，汉江河谷地区。

由以上分析可得出，同纬度地区积温值差别很大，主要是受海拔高度的影响；由低纬度地区向高纬度地区，积温逐渐减少，主要受纬度的影响，可见，研究区积温分布表现出明显的纬度地带性和垂直地带性。

2.2 ≥10℃积温的变化趋势

由图3可见，1960-2014年研究区站点内≥10℃积温的气候倾向率，有99%的气象站点气候倾向率大于0，且88%的站点通过P＜0.01水平的显著性检验，5%的站点通过P＜0.05水平的显著性检验，7%的站点未通过显著性检验，可以看出，晋陕蒙地区≥10℃积温呈上升趋势，上升趋势最明显的区域分布在山西大同南部-忻州中东部-阳泉地区、陕西汉中-安康西北和内蒙古临河、额济纳旗，其气候倾向率均大于100℃·d·10a-1，最高值为252.82℃·d·10a-1，低值区分布在内蒙古赤峰南部，陕西省渭南南部、商洛地区，倾向率均小于 44℃·d·10a-1，最低值为-2.74℃·d·10a-1。

图3 研究区≥10℃积温倾向率的空间分布Fig.3 Spatial distribution of ≥10℃ accumulated temperature tendency rate in the study area

图4 研究区不同年代≥10℃积温的空间分布Fig.4 Spatial distribution of the ≥10℃ accumulated temperature in the study area in different decades

2.3 不同年代≥10℃积温线的移动特征

从不同年代≥10℃积温的空间分布图（图4）和≥10℃各积温段面积所占百分比统计图（图5）可以看出，（1）1960-2014年晋陕蒙≥10℃积温值呈由低纬度向高纬度、由低海拔向高海拔逐渐减少的趋势。（2）晋陕蒙≥10℃积温1600～3200℃·d所占区域面积最大，该积温段区域面积约占研究区总面积的60%；其次是 3200～4500℃·d所占区域的面积；＜1600℃·d、＞4500℃·d所占区域面积最小。（3）晋陕蒙地区≥10℃积温＜1600℃·d、1600～3200℃·d占的区域面积占总面积比例呈现逐年代降低的趋势；＞4500℃·d所占区域面积占总面积的比例在1970-1979年、1980-1989年呈降低趋势，在1990-1999年、2000-2014年呈升高趋势；3200～4500℃·d的区域面积占总面积的比例呈现逐年代升高趋势，由1960-1969年的29.17%增至2000-2014年的41.2%。（4）晋陕蒙地区<1600℃·d面积逐渐减少，3200～4500℃·d增加的区域向高海拔和高纬度移动，且该积温段面积增加最快，＞4500℃·d的区域出现北移和向周围扩大的趋势。

表1 基于≥10℃积温（AT10，℃·d）划分气候带的划分标准Table 1 The division standard for climatic zones based on ≥10℃ accumulated temperature（AT10，℃·d）

图6 研究区时段Ⅰ（1960-1989年）和时段Ⅱ（1980-2014年）气候带分布图Fig.6 Spatial distribution of climate zones in the study area in periodⅠ（1960-1989）and period Ⅱ（1980-2014）

2.4 不同年代气候带的变化特征

表 1为晋陕蒙地区积温气候带的划分标准，该标准由文献[20]给出，以日平均气温稳定≥10℃积温划分标准来划分气候带。

分时段统计各气候带的分布情况，结果见图6。总体可见，时段Ⅱ（1980-2014年）与时段Ⅰ（1960-1989年）相比，中亚热带、北亚热带和暖温带面积增多，中温带和寒温带面积减少，在气候变暖的背景下，晋陕蒙地区各气候带出现逐渐向高纬度和高海拔扩张的趋势。

具体比较图6a和图6b可以看出，分析期内研究区中亚热带从无增加到有，增加的区域零星分布在陕西省安康市。北亚热带面积呈增加趋势，汉中市（勉县、城固县、南郑县、西乡县）、安康市北亚热带面积增大，此外北移西扩的增加趋势较明显，主要沿渭河一带向西移动，约向西移动1.2个经度，西移地区在陕西关中地区（泾阳、咸阳、西安市、兴平县、户县、武功县、岐山、宝鸡），北移区域主要在山西省临汾市南部沿汾河一带，约向北移动0.7个纬度。暖温带分布呈增加趋势，在山西省朔州东部（沿河地区）呈连片增加，北移约0.7个纬度，在内蒙古赤峰市东部地区有向高海拔扩张的趋势。暖温带面积增加最多，由时段Ⅰ（1960-1989年）的30.4%增至时段Ⅱ（1980-2014年）的36.8%。中温带则呈减少趋势，减少区域分布在内蒙古鄂尔多斯、呼和浩特，减少区域被暖温带所取代。寒温带以缩小为主，缩小区域主要分布在大兴安岭西侧内蒙古呼伦贝尔市西部，忻州市东部高山地带。

3 结论与讨论

（1）从时间上看，1960-2014年，晋陕蒙地区日平均气温稳定≥10℃积温总体呈上升趋势，近 60a积温增加速率为74.60℃·d·10a-1。＜1600℃·d、1600～3200℃·d的区域面积占研究区总面积比例呈逐年降低趋势；＞4500℃·d的区域面积占总面积的比例在1970-1979年、1980-1989年呈降低趋势，在1990-1999年、2000-2014年呈上升趋势；3200～4500℃·d的区域面积占总面积的比例呈逐年上升趋势，由1960-1969年的29.17%增至2000-2014年的41.2%。

（2）从空间上看，晋陕蒙地区日平均气温稳定≥10℃积温由低纬度向高纬度、由低海拔向高海拔区域逐渐减少。晋陕蒙地区日平均气温稳定≥10℃积温在1600～3200℃·d所占区域面积最大，约占总面积的60%；其次是3200～4500℃·d所占区域的面积；＜1600℃·d、＞4500℃·d所占区域面积最小。1960-2014年晋陕蒙≥10℃积温的气候倾向率有99%的站点大于0，且93%的气象站点积温增加趋势显著（P＜0.05），表明晋陕蒙地区≥10℃积温总体呈上升趋势。

（3）时段Ⅰ（1960-1989年）与时段Ⅱ（1980-2014年）相比，晋陕蒙地区中亚热带、北亚热带、暖温带区域面积逐渐增加，中温带和寒温带区域面积逐渐减少，气候带在气候变暖背景下呈现北移西扩的趋势。研究区暖温带面积增加最多，农作物区域布局上，可以扩大适宜暖温带生长的作物种植面积。

随着全球气候变暖，中、高纬度地区热量资源相应增加，与热量资源变化一致的积温也随之增加，为作物生长提供了更多热量，进而增加地区复种指数，作物种植北界北移，多熟制种植面积增加并呈现向高纬度和高海拔区域移动的趋势，该区农作物的种植区将增加[12,21-23]，一方面，积温增加为冬（春）小麦、灌溉区玉米、棉花和冬油菜等喜温作物生长发育赢得了更充足、更有利的热量资源，使以上作物种植面积和产量增加，品质提高，另一方面，积温增加也会导致草地气候趋向暖干化，土壤干旱化与盐渍化加剧，进而导致牧草品质和牧草生产稳定性降低。但积温升高也有利于部分农作物害虫越冬，导致病虫害增加[24]。总之，面对积温升高带来的有利和不利影响，要趋利避害，通过调整种植结构和选育抗逆品种以适应气候变化，利用气候变化带来的机遇，寻求该地区农业发展新模式。

与前人研究相比[5-7,23-25]，本文分析了晋陕蒙地区 1960-2014年日平均气温稳定≥10℃积温的时空变化特征，以及气候变暖下晋陕蒙地区气候带的变化情况，运用多元线性回归模型，考虑了经度、纬度和海拔对≥10℃积温的影响，一定程度上提高了模拟区域积温精度，但本文未考虑坡度、坡向和遮蔽度等因子对积温的影响，后续研究拟加入这些因子以使模拟更精确。

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Spatial and Temporal Distribution of Accumulated Temperature above 10℃ in Shanxi-Shaanxi-Inner Mongolia Region

MENG Yan-ling, YIN Shu-yan, YANG Feng, ZHOU Ya-li
(College of Tourism and Environmental Sciences, Shannxi Normal University, Xi’an 710062, China )

The spatial and temporal distribution of accumulated temperature ≥10℃ (AT10) was analyzed by using the multiple linear regression interpolation method, and linear trend line method based on the daily meteorological observed data from 75 meteorological stations in Shanxi province, Shaanxi province, Inner Mongolia autonomous region from 1960 to 2014.The results showed that: (1) from the analysis of whole period, the daily mean air temperature of AT10 increased at the rate of 74.60℃·d·10y-1in Shanxi-Shaanxi-Inner Mongolia.The accumulated temperature increased obviously in 93% of the meteorological stations (P＜0.05), and only 7% of the meteorological stations was not obvious.(2) From the spatial distribution, AT10 in the whole region decreased with latitude increasing and altitude increasing.(3) From the moving condition of temperature line in each decades, the proportion of ＜1600℃·d, 1600～3200℃·d in the whole area of the region showed a trend of decreasing by decades; the proportion of 3200～4500℃·d in the whole area of the region showed a trend of increasing by decades; the proportion of ＞4500℃·d in the whole area of the region showed a trend of decreasing in 1970s and 1980s, and a trend of increasing in 1990s and 2000-2014.(4) From the change of climate zones between period Ⅰ(1960-1989) to period Ⅱ(1980-2014), a new central subtropical zone appeared obviously, north subtropical zone and warm temperature zone expanded gradually, and middle temperature zone and cold temperature zone narrowed gradually.As a whole, the AT10 showed the trend of expanding towards high latitude and high altitude.

Shanxi-Shaanxi-Inner Mongolia; The line of accumulated temperature above 10℃; Spatial interpolation; Climate zones

2016-04-20**

国家自然科学基金项目（41371029；41471071）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2015JM4137）

孟艳灵（1989-），女，硕士生，主要从事环境变化与自然灾害研究。E-mail：1529182899@qq.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.001

孟艳灵,殷淑燕,杨锋.晋陕蒙地区≥10℃积温的时空变化特征[J].中国农业气象,2016,37(6):615-622