基于GIS 的山西有效积温时空变化分析

芦艳珍，韩小英，张 蕾，张小宁，王娟玲

（1.山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原030031；2.山西农业大学农业经济管理学院，山西太原030006；3.山西农业大学，山西太原030031）

积温是作物全生育期或某个生育期有效温度的总和，是一个区域某一时段内逐日平均气温的累加值。农业气象中一般用一个地区一年内日平均气温≥10 ℃持续期内日平均气温的总和来表示年积温（简称积温），其大小代表当地热量资源状况，直接反映植物生长发育对热量的要求，从强度、作用时间2 个方面来表示温度对生物体生长发育的影响[1]，以℃为单位，是作物地区间引种布局和新品种选择的重要依据，在农业气候研究中可作为分析该地区气候热量资源状况、进行农业气候区划的重要热量指标，也是农业气象预报、情报服务的重要参考。同一地域积温年际变化较大，不同地域积温也有不同程度的差异，研究一个地区积温的分布特点及时空变化规律，对指导农业生产和生态建设等具有重要意义[2]。

IPCC 第 5 次评估报告指出，1880—2012 年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85 ℃，对全球生态系统的结构、功能及分布产生重要影响[3]。目前，随着人类对气候变化异常的日益重视和农业生产发展的需要，积温的时空变化研究，积温对农业生产发展影响等问题的研究日益被人们所重视，但山西省近30 a 积温演变规律研究未见报道。王安乐[4]对山西农业生态环境中热量因素变化规律进行了探讨；王孟本等[5]研究了山西省近50 a（1959—2008 年）气温和降水变化基本特征；刘少华等[6]对1961—2010 年间我国有效积温时空演变进行了探讨，指出有效积温整体呈上升趋势，有效积温带整体显著北移，时间段都是较早的。

山西地形复杂多样，海拔高差悬殊，南北跨6 个纬度带，同时受季风气候变化等影响，各地积温差异大[7]，年际变化也大，形成了复杂多样的气候类型，全球气候变暖导致各地有效积温出现了不同程度提高[8]，对农作物布局、产量和品质影响很大[9]，对人类生活各个方面也有很大影响。研究积温时空演替规律，对科学指导农业生产和人类活动具有重要作用。

本研究通过对1979—2016 年间连续38 a 全省109 个气象站点每日实测数据进行统计，分析≥10 ℃积温变化特征，为新时期农业种植结构调整、优化生态建设和粮食安全生产提供理论参考，为种植业引种布局、农情测报、防灾减灾及气候区划等提供决策依据，让数据精准指导现代农业生产、生态建设和经济社会可持续发展，为小尺度、高精度GIS 模型分析提供理论方法。

1 资料和方法

1.1 数据来源

采用中国气象局气象数据中心《中国地面气候资料日值数据集》（V 3.0）中山西109 个气象台（站）1979 年1 月以来的地面气象观测数据，对各站点气温资料进行SNHT（Standard Normal Homogeneity Test）法标准正态均一性检验[10-11]。检验结果显示，所有站点的数据都通过了0.01 水平的显著性检验，故采用了全省现有的县级气象站多年观测值。基本地理信息资料采用中国气象局1∶25 地理信息数据和SRTM3（高精度地形网格数据）的DEM 数字高程资料（经纬度、海拔、坡度、坡向、等高线和县级行政界等），一律采用2000 国家大地坐标系。

1.2 研究方法

1.2.1 数据处理 气象数据中缺测数据采用邻近站资料，通过ArcGIS 10.2 软件把各站点热量资源内插到100 m×100 m 小网格上，建立小网格高精度热量资源数据信息，绘制全省积温分布图，确保了所用资料的系统性、可靠性和完整性。站点日均气温数据依据气候统计学中的5 日滑动平均法[12]，消除不稳定的波动变化。通过Fortran 结构化程序语言编程进行统计汇总，计算确定各年份各站点日平均气温稳定≥10 ℃的起止日期，及此期间的日平均气温总和、积温持续日数。通过ArcGIS 软件的空间分析和三维分析建模工具，采用线性回归模型、反距离权重插值方法（IDW）和Mann-Kendall 突变检验等方法[13-14]，在100 m×100 m 的小网格上进行热量资源精细化模拟，并绘制全省积温分布图，进行积温时空演变分析。

1.2.2 突变 M-K 检验 M-K（Mann-Kendall）是一种气候诊断与预测技术，通过其进行连续多年积温突变检验。以气候序列平稳为前提，且这序列是随机独立的，其概率分布等同[15]，它不受少数异常值的干扰，计算也比较方便，具体计算步骤参照魏凤英等[11]编著的《现代气候统计诊断与预测技术》和相关文献[16-17]。

1.2.3 积温计算 积温计算是农业气象中积温带划分的重要指标[18]。为保证农业热量资源的高效利用和高产稳产的需要，农业上一般用80%保证率的积温及其持续日期作为研究积温带的重要指标[19]，按照经典的经验频率法将多年有效积温数值进行由大到小排列后，依次计算近38 a 积温对应的保证率。

式中，P 为保证率，n 为样本序列数，即年代数；m 为新排列序列中的序号，m＝1，2，…，n。积温数值为降序排列中第80 个百分位对应的积温，数值为排序后对应积温值的线性插值。

积温时间变化的研究采用山西省各气象站多年积温平均值推算的100 m×100 m 小网格精细分析。

2 结果与分析

2.1 积温时间变化特征分析

2.1.1 积温年际变化 图1 显示，山西省1979—2016 年间积温整体呈波浪式上升趋势，≥10 ℃积温的线性趋势回归模型为：y＝15.497x＋3 379.1，预测值与实测值线性相关系数R2为0.676 3。大部分年份积温在趋势线上方，表明近38 a 来积温增加显著，且1997 年以来进入快速增长期，2014 年≥10 ℃积温为38 a 最高，达到4 112 ℃，比积温最低的1984 年的3 402.5 ℃高出709.5 ℃，比近38 a 来的平均积温高431 ℃。

从山西省积温距平分布看，积温整体呈上升趋势，1997 年以前上升较慢，之后上升较快。≥10 ℃积温距平在1997 年以前为一致的负距平，积温平均值比 38 a 积温均值低 176.04 ℃，1997 年以后，≥10 ℃积温距平基本上是一致的正值（除2003、2004 年外），1997—2016 年积温平均值比 38 a 积温均值高158.44 ℃，1997 年以来积温呈显著上升趋势，≥10 ℃积温均值比1997 年以前的积温均值高334.48 ℃。而且形成以7 a 为周期的波动，每7 a 有一个2～3 a 的低值期，且基本上都是正距平。

图2 显示，山西≥10 ℃积温高低和持续日数的年际变化曲线呈波浪型上升趋势，且呈正相关关系，随着积温的增加其持续日数也显著增加。通过线性回归分析，积温线性回归拟合方程为：y＝15.497x＋3 379.1（R2＝0.676 3，P＜0.05）；积温持续日数线性回归拟合方程为：y＝0.433 9x＋184.23（R2＝0.417 9，P＜0.05）。表明积温和持续日数呈线性趋势上升，且积温的线性相关度更高，与全球气温上升结论一致，未来积温可能还将持续上升。

2.1.2 积温年代变化 从图1 可以看出，山西省1979—2016 年间积温年代际变化呈4 级阶梯上升趋势。全省≥10 ℃积温的第1 个10 a 的平均值为3 496.0 ℃，第 2 个 10 a 的平均值为 3 573.9 ℃，第3 个 10 a 的平均值为 3 776.7 ℃，第 4 个 10 a 的平均值为3 928.2 ℃，呈阶梯式增长趋势，第2 阶梯比第1 阶梯高 77.90 ℃，第 3 阶梯比第 2 阶梯高 202.8 ℃，第4 阶梯比第3 阶梯高151.5 ℃。按照30 a 积温段计算，1979—2008 年≥10 ℃的平均积温为 3 615.52 ℃，1987—2016 年≥10 ℃的平均积温为3 736.01 ℃，积温前后相差120.49 ℃。表明近30 a，尤其是21 世纪以来，气候变暖的速度有加速趋势，变幅达到了前所未有的水平，远超过以往的线性回归估计值，需要引起高度重视，积极做好气候应对措施。

由图3 可知，1979—2016 年间积温持续日数年代际变化也呈4 级阶梯上升趋势。全省≥10 ℃积温持续日数，第1 个10 a 平均日数为187.50 d，第2个10 a 平均日数为188.96 d，第3 个10 a 平均日数为 196.90 d，第 4 个 10 a 平均日数为 198.50 d，日数阶梯上升幅度呈明显增长趋势，第2 阶梯比第1 阶梯高1.46 d，第 3 阶梯比第 2 阶梯高 7.94 d，第 4 阶梯比第3 阶梯高1.60 d。前30 a≥10 ℃积温持续天数平均为191.1 d，后30 a 持续天数平均为194.2 d，年均日数增加了3.1 d。从日数距平变化看，1997 年以前基本是一致的负距平，之后多数为一致的正距平，呈波浪型上升，其趋势线也和积温变化趋势线一致，显示全省气候热量有明显的逐年增加趋势。

2.1.3 积温突变 从前后30 a（图4-a、b）山西省≥10 ℃积温的M-K 突变检验曲线看，积温在1997 年（图4-a）和2004 年（图4-b）前后存在突变。前30 a（图4-a）中UF 曲线在20 世纪80 年代前期有负值出现，1985 年以后越过临界线呈现出线性上升趋势的正值，表明1980、1984 年积温较常年有减小，之后是显著波浪型增加的趋势，在1998 年后越过了P＝0.05 的信度线（Up＝±1.96），表明积温的上升趋势是显著的，曲线UF 和UB 在1997 年出现了相交，交点位于信度线之间，表明1997 年开始积温增加是一突变现象，即1997 年是山西积温突变开始的时间。突变点之前，全省多年平均积温为3 131.95 ℃，突变后的平均积温为3 385.95 ℃，比突变前增加了254 ℃，这与图1 的积温距平曲线结论也一致，图1表明，≥10 ℃积温距平在1979—1996 年之间为一致的负距平，期间平均为-176 ℃，在1997—2016 年间以正距平为主（2003—2004 年为负距平），平均为158 ℃，可见，突变后积温异常明显增加。后30 a（图4-b）中UF 曲线在1997 年之前为负值，1997年以后越过临界线呈线性上升趋势的一致正值，表明积温呈显著增加趋势，曲线UF 和UB 在2004 年出现了相交，在2005 年后越过了P＝0.05 的信度线（Up＝±1.76），交点位于信度线之间，表明2004年是近30 a 积温增加的突变点，即积温突变开始的时间，与图1 的积温距平曲线结论也一致，积温距平在2004 年之后为一致的正距平，且周期性持续性增加。

2.2 积温空间分布分析

2.2.1 积温空间分布模型 研究筛选出积温要素的关键地理因子，用IBMSPSS Statistics 25 软件，以经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向作为自变量因子，以≥10 ℃积温指标为因变量，建立多元线性回归模型。积温的空间推算模型表达式如下。

式中，Z 为积温实测值，λ 为经度，φ 为纬度，h为海拔高度，β 为坡度，θ 为坡向；ε 为综合地理残差。

将纬度、经度、海拔高度、坡度和坡向代到公式（1）中进行计算，得到稳定≥10 ℃积温指标的模拟值，残差值=实测值- 模拟值。

用ArcGIS 10.2 软件的渔网工具（Creat Fishnet），创建 100 m×100 m 的小网格，计算每个小网格的经纬度，通过空间分析工具提取DEM数据对应网格点的海拔高度、坡度、坡向等地理信息。运用积温空间推算模型推算出积温指标因子在100 m×100 m 网格单元上的模拟值，利用反距离权重插值法内插出积温指标因子的模拟栅格图。

由表1 可知，各模型的复相关系数在0.960～0.965，从回归效果看，各方程都通过了α＝0.001 的显著性检验，表明方程具有良好的回归效果，符合统计学要求。根据表1 中的模型表达式，计算出各气象站点的积温指标因子模拟值，再用公式（2）计算得出其残差值并进行订正，以109 个气象站点的残差值为样本，利用GIS 的空间插值方法内插出100 m×100 m 网格的残差栅格图。将模拟值栅格图和残差值栅格图用栅格计算器叠加运算，通过空间叠加生成≥10 ℃积温分布和持续日数分布图（图5、6）。

表1 山西≥10 ℃积温80%保证率下空间分析模型

2.2.2 ≥10 ℃积温空间变化 山西省日均气温稳定≥10 ℃的积温，在省域空间尺度上的分布具有明显的纬度地带性（图5），表现为由南向北递减的趋势，即随纬度增加而减小。同时，也表现出明显的垂直地带性差异，即积温随海拔升高而降低。≥10 ℃有效积温＜2 500 ℃的区域分布在北部海拔1 900 m以上的五台山、恒山、芦芽山、管涔山、云中山、关帝山、紫荆山等区域。2 500 ℃≤积温＜3 500 ℃的区域主要受纬度和海拔高度的影响，分布在海拔1 200～1 900 m 的中低山区和北部盆地区，主要有大同市、怀仁县、山阴县、应县、广灵县、朔城区、河曲县、偏关县、繁峙县、代县、定襄县、临县、中阳县、榆社县、平顺县、武乡县、壶关县、盂县、隰县、方山县、蒲县、安泽县、潞州区、沁县、襄垣县、沁源县等地。3 500 ℃≤积温＜4 500 ℃的区域主要分布在海拔700～1 200 m 的中南部地区和西部黄河沿岸峡谷地带，主要为太原北郊、阳曲县、古交区、榆次区、文水县、交城县、平遥县、太谷县、祁县、平定县、左权县、昔阳县、忻府区、原平市、保德县、兴县、离石区、汾西县、吉县、乡宁县、永和县、长子县、屯留县、沁水县、高平市、潞城县、闻喜县、绛县、大宁县、曲沃县、襄汾县、翼城县、古县、洪洞县、霍州市、浮山县、汾阳市、柳林县、石楼县、介休市、清徐县、灵石县、太原南郊、孝义市、阳泉市、晋城市、阳城县和黎城县。积温≥4 500 ℃的区域位于山西西南部海拔400～600 m 的盆地区，主要为芮城县、永济市、临猗县、万荣县、河津市、稷山县、新绛县、侯马市、盐湖区、尧都区、平陆县、夏县、垣曲县等地。

2.2.3 ≥10 ℃持续日数空间变化 从图6 可以看出，积温持续日数是由南向北递减趋势，也呈现出明显的纬度地带性和垂直地带性特征，晋南盆地区持续日数最长，达229.2 d，全省持续日数在200 d以上的有38 个台站，晋北地区和东西部中高山区较短，持续日数＜180 d。中部盆地、中低山区和晋东南地区持续日数在180～210 d，低值中心主要分布在五台县豆村、岚县、和顺县、宁武县、交口县、岢岚县、平鲁县、左云县、五寨县、神池县、右玉县等地，五台山最低，只有67 d，说明持续日数受海拔和纬度的影响明显。山西北部和吕梁山区高海拔地区≥10 ℃积温持续日数最小。

3 结论与讨论

依据山西109 个气象站近38 a 来各站逐日平均气温资料和高精度数字高程模型（DEM），借助ArcGIS 平台的数据空间分析、三维分析、空间分析建模等工具，建立100 m×100 m 的小网格推算模型，运用回归统计方法、趋势分析法、反距离插值、距平法和Mann-Kendall 突变检验等方法，定量分析了山西省≥10 ℃积温的时空变化特征。

1979 年以来，山西≥10 ℃积温及持续日数呈显著上升趋势，提高了作物全生育期热量资源供给，扩大了喜温作物和中晚熟作物的适栽区面积，并影响到种植制度。从年代际平均值看，积温及持续天数 10 a 平均值分别为 3 496 ℃、187.5 d，3 573.9 ℃、189 d，3 776.7 ℃、196.9 d，3 928.2 ℃、198.5 d，年代际变化呈显著的阶梯式上升趋势；且≥10 ℃积温在1997、2004 年发生突变，突变之后积温显著增加。该结论与蒋啸等[20]、张卉等[21]的研究结论相似，但不完全一致（1993、1997 年为突变年份）；与杨倩等[22]的研究结论基本一致，但很接近，其差别主要是资料时间段和分析方法不同所致。

≥10 ℃积温的大小与持续期的长短密切相关[23]，二者变化趋势吻合，1997 年以来其区域面积显著增加，空间分布整体呈现出随纬度增加由西南向东北推移和向高海拔区扩展的趋势。这一变化可能使作物生长期延长，有利于种植边界向高纬度和高海拔地区扩展，利于作物产量和质量的同步提高。同时，由于受气候变暖的影响，原本受温度限制的病虫害活动区域也将向高纬度和高海拔地区扩张，干旱和极端天气发生的强度和频率也将增加，自然灾害风险等级提高。因此，做好农作物种植结构和布局的合理调整，加大灾害防控力度，是积极应对气候变化，实现可持续发展的重要措施。

绘制的≥10 ℃积温的分布图和积温持续日数分布图，直观地展现了山西省积温资源的分布特征，达到小尺度、高精度的分析效果，提升了统计模型的数据质量。建立的小网格积温推算模型相关系数高，统计学检验为显著，提升了气候热量资源空间模拟的精度，是未来小尺度地域空间精准化、精细化模拟发展的趋势和引领。为高效利用气候资源、科学布局农业生产和产业结构调整提供了高精度的数据支持与科学依据。

气温的显著上升和降水量的普遍减少（降水量17 个站减少显著，85 个站减少不显著），潜在蒸发量上升，干旱化趋势和进程将进一步加重，加剧了水资源的紧缺，未来水资源供需矛盾将更加突出，对粮食生产能力和经济社会可持续发展造成严重威胁。因此，积温增加和干旱缺水问题必须引起人类的高度重视，需加大力度保护自然生态环境。

影响气候变化的因子非常错综复杂，有自然原因，也有人类活动的影响。本研究由于气候资料时间段有限，无法体现更大尺度时间段的变化规律，本研究通过残差的内插处理来提高气候资源推算的精准度，如果能获得更长时间尺度的完整气象观测资料来对积温资源时空演变进行分析，可得到更完整的不同时段变化趋势，从而提高未来时空演变预测的精准度，对主动应对气候变化，科学布局农业生产、高效利用气候资源和优化区域种植制度等具有重要意义。