基于GIS的山东省≥10℃热量资源时空变化特征分析

2019-10-08崔天丽张国鑫姜常松杨锦忠崔日鲜

山东农业科学 2019年8期

崔天丽张国鑫姜常松杨锦忠崔日鲜

摘要：利用1961—2015年山东省17个气象站点和山东省周边12个气象站点的日平均气温资料和该区域的DEM（数字高程模型）数据，采用混合插值和线性倾向估计方法，对山东省≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温的时空变化特征进行了分析。结果表明：山东省≥10℃初日的空间分布呈现西部早，向东向北逐渐滞后的特征。≥10℃终日的空间分布呈现中部山区和胶东半岛高海拔地区早、南部地区和沿海地区晚的特征。≥10℃持续日数的空间分布呈现南部地区和济南西部及北部地区长、中部山区和胶东半岛高海拔地区短的特征。≥10℃活动积温的空间分布呈现西南地区高、中部山区和胶东半岛中北部低的特征。1961—2015年间，山东省17个气象站≥10℃初日均呈现提前趋势，17个气象站点平均气候倾向率为-1.38 d/10a;≥10℃终日，除烟台外，其余16个气象站点呈推迟趋势，17个气象站点平均气候倾向率为0.74 d/10a;17个气象站点≥10℃持續日数均呈增大趋势，其平均气候倾向率为2.12 d/10a;17个气象站≥10℃的活动积温均呈现增大趋势，17个站平均气候倾向率为63.10 ℃·d/10a。

关键词：≥10℃热量资源;GIS;空间分布;变化趋势;山东省

中图分类号：S161.2+3 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2019）08-0100-07

Abstract In this study， the daily average temperature data of 17 meteorological stations in Shandong Province and 12 meteorological stations around Shandong Province from 1961 to 2015， and the digital elevation model （DEM） data were used to analyze the spatial and temporal variation characteristics of heat resources ≥10℃ in Shandong Province by mixed interpolation and linear bias estimation methods. The results showed that the spatial distribution of beginning date of ≥10℃ came early in the west， and came later with the increase of latitude from south to north and the increase of longitude from west to east. The spatial distribution of ending date of ≥10℃ came early in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula， and came late in the south and coastal areas. The duration of ≥10℃ was longer in the south of Shandong Province and the west and north areas of Jinan city compared with the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. The spatial distribution of accumulated temperature of ≥10℃ was higher in the southwest areas and lower in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. From 1961 to 2015， the time series of beginning date of ≥10℃ showed decreasing trends for all the 17 meteorological stations with the average rate of -1.38 days/decade. The time series of ending date of ≥10℃ for 16 stations showed increasing trends with the average rate of 0.74 days/decade except Yantai station. Both the duration and accumulated temperature of ≥10℃ showed increasing trends for all 17 meteorological stations with the increasing rate of 2.12 day/decade and 63.10 ℃·d/decade， respectively.

Keywords Heat resource of ≥10℃; GIS; Spatial distribution; Change trend; Shandong Province

农业是对气候变化反应最为敏感和脆弱的领域之一，任何程度的气候变化都会给农业生产带来显著影响[1]。农业界限温度是指某些重要农事活动开始、终止或转折的温度，其中界限温度10℃与喜温作物播种与生长密切相关[2]，且稳定通过界限温度10℃的活动积温既作为衡量热量资源的重要指标[3]，也用来表示玉米热量需要[4]，因此研究界限温度10℃的初日、终日、持续日数及活动积温的时空变化特征对农业生产具有重要意义。目前已有较多研究。

刘勤等[3]利用黄河流域109个气象站点40年的气温资料和中国高程模型，对该流域≥10℃积温的时空变化进行了研究，指出黄河流域≥10℃的积温呈升高趋势。近50年来秦岭地区≥10℃初日呈提早趋势，终日呈推迟趋势，持续日数和积温呈增多趋势[5]。1970—2012年间山东省济宁地区≥10℃的活动积温及持续日数均呈增多趋势[6]。山东省近50年来（1961—2010年）界限温度10℃的积温和持续时间均呈现显著增多趋势[7]。界限温度的起始日期、持续时间和积温与海拔、经度和纬度等地理因素密切相关，基于其相关性构建多元线性回归模型来计算与栅格点界限温度相关的气象要素，再利用已知气象站点的实测值与模拟值的差值进行空间插值，最终完成界限温度相关气象要素的空间插值，得到较好的效果[3，4，8]。虽已有山东省≥10℃积温及持续时间等的时空变化方面的研究报道，但鲜有报道考虑经度、纬度和海拔等因素对山东省≥10℃的初日、终日、持续时间及活动积温影响的研究。

本研究利用山东省内（17个）及其周边（12个）共29个气象站1961—2015年的气温资料和DEM（数字高程模型）数据，通过混合插值法（回归分析计算+残差插值）和线性倾向估计法对山东省≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温的时空变化特征进行分析，为≥10℃热量资源的合理有效利用、农业结构的合理调整等提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

山东省位于我国东部沿海，黄河下游，是我国重要的粮食产区。山东省属暖温带半湿润季风气候区，气候温和，雨量集中，四季分明。

1.2 数据来源

从国家气象局气象数据中心选取山东省境内17个及其周边12个气象站（图1）1961—2015年的逐日气温数据。山东省及其周边的DEM数据来自于美国航天飞机雷达地形测绘任务（STRM）全球90 m分辨率的数字高程影像资料，其空间分辨率为90 m。为了提高运算速率，对原图像进行重采样获得180 m分辨率的DEM。

1.3 研究方法

1.3.1 界限温度10℃初日、终日、持续日数和活动积温的计算利用5日滑动平均法计算山东省境内及其周边共29个气象站点1961—2015年界限温度10℃的初日、终日，并计算初日至终日的持续日数和活动积温。

1.3.2 线性倾向估计用xi表示样本量为n的某一气象要素，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程[9]：

i=a+bti， i=1，2，…，n 。（1）

式中：i为某一气象要素的拟合值，ti为时间序列;回归常数a和回归系数b用最小二乘法进行估计。回归系数b的符号表示气象要素x的倾向趋势。回归系数b大于零，说明该气象要素随时间t的增加呈上升趋势;当b小于零，则说明随时间t的增加呈下降趋势。气候倾向率定义为b×10，其含义为气象要素每10年的变化速率。气象要素变化趋势的程度是否顯著，可以对气象要素x与时间t之间的相关系数r进行显著性检验。确定显著性水平α，若|r|>rα，表明气象要素随时间的变化趋势显著，若|r|

用上述方法分别计算山东省17个气象站点≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温近55年来的变化趋势，并对其变化趋势进行显著性检验。

1.3.3 栅格化方法本研究利用混合插值法，即“回归分析计算+残差插值”栅格化方法分别对≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温等热量指标进行空间插值。具体为：将气象站点≥10℃相关的热量指标，即≥10℃的初日、终日、持续日数和活动积温，分别设为输出变量，以气象站点的纬度、经度和海拔为输入变量，拟合上述4个热量指标的多元线性回归方程，通过回归方程分别计算4个热量指标每个栅格点的数值，获取这4个热量指标的栅格化空间分布;栅格面上的气象站点热量指标模拟值与实测值不一致，其差值即为残差，对各气象站点4个热量指标的残差进行空间插值，通过栅格运算获得其栅格化数据，即空间分布图。≥10℃的初日、终日、持续日数和活动积温均存在较大的年际变化，因此在构建基于经度、纬度和海拔的多元回归方程时，均采用了80%保证率的分位数。

2 结果与分析

2.1 山东省≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温的空间分布

山东省17个气象站点≥10℃的初日平均为4月13日，最早的气象站点为荷泽、兖州和济南，其初日为4月7日;最晚的气象站点为胶东半岛的威海，为4月22日。从空间分布（图2a）可以看出，山东省≥10℃初日较早的为山东省西部地区，包括荷泽、济宁、德州和济南等地的大部分区域，其≥10℃初日为4月7日—4月11日;由此向东向北，≥10℃的初日逐渐滞后，胶东半岛大部分区域的初日在4月15日以后，胶东半岛北部地区最晚，其≥10℃的初日在4月21日以后。

山东省17个气象站点≥10℃的终日平均为10月26日，最早的站点为沂源，在10月20日，最晚的站点为临沂和威海，在10月29日。从空间分布（图2b）可以看出，山东省中部山区和胶东半岛高海拔地区≥10℃的终日较早，在10月5日—10月21日之间;南部和沿海地区≥10℃的终日较晚，均在10月28日以后，其中，济南北部和东部沿海地区（临沂、日照、青岛和威海等地）的终日最晚。

山东省17个气象站点≥10℃的持续日数平均为196 d，其中，龙口的持续日数最短，为190 d;荷泽的持续日数最长，为204 d。从空间分布（图3a）来看，山东省中部山区和胶东半岛高海拔地区的持续日数较短，为196～210 d;持续日数最长的区域为山东省南部及济南的西部和北部地区，为221～227 d;胶东半岛除青岛市及胶州湾周边地区外，其余地区的持续日数均小于214 d。

山东省17个气象站点≥10℃的活动积温平均为4 164 ℃·d，济南的积温值最大，为4 651.4 ℃·d;海阳的最小，为3 799.4 ℃·d。从空间分布（图3b）可以看出，山东省西南区域，包括荷泽、济宁、枣庄的西部和济南、德州等地区的交接区域，活动积温值较高，超过4 400 ℃·d;≥10℃活动积温值较低的区域为胶东半岛中部高海拔地区、胶东半岛东北端和中部山区，活动积温值小于3 900 ℃·d。

2.2 山东省≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温时间序列的变化趋势

利用线性倾向估计方法对山东省17个气象站点1961—2015年≥10℃初日、终日、持续日数和活动积温的变化趋势进行分析，结果见表1。可以看出，山东省17个气象站点≥10℃初日平均气候倾向率为-1.38 d/10a，均呈提前趋势，其中，龙口的提前幅度最大，为-2.53 d/10a;潍坊的提前幅度最小，为-0.50 d/10a。从空间分布来看，离海较近气象站点的提前幅度普遍较高，如龙口、日照、青岛、烟台、临沂、威海、东营等气象站点的气候倾向率均大于1.25 d/10a，且除东营站点外，均达到显著水平;而位于内陆地区的气象站点，如济南、潍坊、德州、荷泽、莒县、莘县、沂源和兖州等，其气候倾向率则小于1.25 d/10a，提前幅度较小，且均未达显著水平。

17个气象站点≥10℃终日的平均气候倾向率为0.74 d/10a，总体呈推迟趋势。其中，除烟台呈提前趋势外，其余16个气象站点均呈推迟趋势，推迟幅度最大的气象站点为莒县，气候倾向率为1.85 d/10a，其次为海阳、惠民、沂源、龙口，均达到了显著或极显著水平;推迟幅度最小的气象站点为青岛，气候倾向率仅为0.06 d/10a。

山东省17个气象站点≥10℃持续日数均呈显著增加趋势，17个气象站点的平均气候倾向率为2.12 d/10a，增加幅度最大的气象站点为龙口，其倾向率为3.73 d/10a;增加幅度最小的站点为烟台，其气候倾向率为0.98 d/10a。惠民、龙口、海阳、沂源、莒县和日照6个气象站点的变化达到极显著水平。

山东省17个气象站点≥10℃活动积温也均呈上升趋势，其平均气候倾向率为63.10 ℃·d/10a，其中，增加速度最快的气象站点为龙口，其气候倾向率为129.80 ℃·d/10a;增加速度最慢的气象站点为荷泽，仅为28.90 ℃·d/10a。龙口、海阳、日照、莒县、威海、东营、临沂、青岛、沂源、惠民、潍坊11个气象站点的变化达到了极显著水平。从空间分布来看，除烟台外，离海较近的气象站点，如龙口、海阳、日照、莒县、威海、东营、临沂和青岛≥10℃活动积温的气候倾向率较大，而离海较远气象站点≥10℃活动积温的气候倾向率普遍较小。

距平主要反映某一气象要素在整体平均值线上的年际波动，图6为1961—2015年间山东省17个气象站点≥10℃热量资源指标平均值的距平变化。可以看出，1996年以前≥10℃初日的距平值中大于零的年份多于小于零的年份，而1997年以后则相反，即距平值中小于零的年份明显多于大于零的年份，两个时间段的距平值分别平均为1.82和-3.44。≥10℃终日距平的变化，1961—1996年间距平平均值小于零的居多，其平均值为-0.82;而1997—2015年间则相反，其平均值为1.56。≥10℃持续日数和≥10℃活动积温的距平变化比≥10℃初日和终日更为明显，即1961—1996年间≥10℃持续日数和≥10℃活动积温的距平中小于零的年份明显多于大于零的年份，两者的距平平均值分别为-2.64和-77.74;而1997—2015年间两者的距平多大于零，距平平均值分别为5.0和147.29。

综合山东省≥10℃热量资源指标距平变化的分析结果可以看出，从1997年开始≥10℃初日明显提早，1997—2015年间山东省17个气象站点平均为4月4日，比1961—1996年的平均日期提早了5 d;1997—2015年间≥10℃终日平均为11月4日，较1961—1996年推迟了3 d;1997—2015年间≥10℃持续时间为214 d，较1961—1996年间增加了8 d;1997—2015年间≥10℃活动积温平均值为4478.9 ℃·d，较1961—1996年间的平均活动积温增加了225.0 ℃·d。

3 讨论与结论

（1）山东省≥10℃初日的空间分布呈现西部早、向东向北逐渐滞后的特征。≥10℃终日呈现中部山区和胶东半岛高海拔地区早、南部和沿海地区晚的特征。≥10℃持续日数呈现南部地区及济南的西部和北部长、中部山区和胶东半岛高海拔地区短的特征。≥10℃活动积温呈西南地区高、中部山区和胶东半岛中北部低的特征。

（2）1961—2015年间，山东省17个气象站点≥10℃初日均呈现提前趋势，平均气候倾向率为-1.38 d/10a;除龙口、烟台、威海、海阳、青岛和日照6个地处沿海的站点外，其它站点的提前趋势均未达到显著水平。17个气象站点≥10℃终日的变化，除烟台外，均呈推迟趋势，17个站点平均气候倾向率为0.74 d/10a;除惠民、沂源、莒县、龙口和海阳5个站点的变化达到显著水平外，其余站点的变化均未达到显著水平。17個气象站点≥10℃持续日数均呈增大趋势，平均气候倾向率为2.12 d/10a，且均通过了显著性水平检验。17个气象站≥10℃的积温均呈现增大趋势，平均气候倾向率为63.10 ℃·d/10a，且除济南外均达到显著水平。

在全球气候变暖的背景下，我国近50年来地表年平均气温明显升高，比同期全球或北半球增温速率大[10]。从1951年到2001年间，我国冬、春、秋、夏季平均气温分别上升了1.8、1.2、1.0、0.6℃[10]，影响了≥10℃热量资源指标，如初日、终日、持续时间、积温的变化。本研究结果表明，山东省1961—2015年间≥10℃初日呈提前趋势，≥10℃终日呈推迟趋势，≥10℃持续时间和活动积温（除济南站点）显著增加。

从山东省的种植结构来看，夏玉米生长期正好处于≥10℃持续时间范围内，该期间≥10℃的持续时间及积温增加可为夏玉米生长提供更多的热量资源。山东省大部分地区≥10℃终日出现时间为10月25日以后，≥15℃终日80%保证率的分位数平均值为10月6日（崔天丽等，尚未发表），且均呈推迟趋势。但山东省现行的夏玉米收获期一般为9月下旬或10月初，此时不仅夏玉米籽粒还未完全成熟，而且山东省大部分地区的气温仍然高于15℃，这也意味着现行种植制度下夏玉米收获后一段时间内的热量资源和光能资源未能被利用，因此，在不影响小麦冬前长势的前提下，适当晚收夏玉米是有效利用这一时期光热能资源的一种途径。付雪丽[11]和周宝元[12]等的研究表明，在黄淮海地区夏玉米推迟10～15 d收获、冬小麦推迟至10月20日左右播种的“双晚”种植模式下，冬小麦产量没有显著差异，但夏玉米却显著增产，这为气候逐渐变暖背景下有效调节黄淮海地区光热资源配置，提高该地区光热资源利用效率，实现冬小麦-夏玉米周年高产提出了新的技术途径。

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