基于DEM的近60年辽宁省玉米生长季气温变化特征分析

张微玮，李雨鸿，李晓鸥，孟 鑫，刘东明*

（1.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110168；3.辽宁省丹东市气象局，辽宁 丹东 118000）

气温是最主要的气象要素之一，是大气科学研究的基础。随着全球气候资源利用的不断发展，迫切需要准确获取气温要素的高时空分辨率、空间栅格化变化情况[1]。气象观测站数量有限，且由于一些主观和客观原因，大部分台站处于空间开阔、海拔较低的地段。为研究气温的空间分布，学者们利用简单的插值分析方法对气温进行插值，推算其分布情况[2-3]。这种方法虽然简单方便，但是弊端也很明显，复杂地形下的气温空间变化与实际情况往往相差较大[4-5]。因此，对气象站观测资料进行空间插值，获得气温的空间精细化分布结果，已经是国内外研究的一个热点。相对于传统插值方式，基于地形的精细化插值分析能够更好地反映下垫面对气象要素的影响[6-9]。经度、纬度和海拔高度等地理信息均对气温的空间分布产生影响[10]。

20世纪90年代后GIS（地理信息系统）技术在国内迅速发展，通过地理因子与气温的统计关系，运用GIS软件自带的多种插值方法（多项式插值法、克里金插值法、样条插值法、反距离权重法等），可计算出各类精细化的气象要素[11-13]。陈晓峰等在气象站观测的气温数据基础上，利用GIS软件结合数字地形模型（DTM）、天文辐射、海拔高度、地理位置等影响因素建立了山区温度分布模型[14]。王丽等基于数字高程模型（DEM）数据，采用多元线性回归插值方法建立了适合江苏省的多元回归空间插值模型，并分析其与反距离权重法和克里金插值法等传统方法的插值精度，客观地反映了气温的空间变异性[15]。目前，结合地理空间信息推算气温的空间分布成为研究气温空间插值分布的重要方法之一。

本研究将基于气象台站1961—2020年逐日气温观测数据和1981—2010年玉米发育期观测资料，结合数字高程模型及回归统计方法，推算辽宁省玉米生长季内精细化网格点气温变化情况，最终获取近60年辽宁省生长季内平均气温的时空变化情况，探讨辽宁省热量条件的空间变化趋势。研究结果将对玉米种植区划和冷害灾害防御等决策提供理论支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

辽宁省位于欧亚大陆东北部，位置范围为118°53′～125°46′E、38°43′～43°26′N。其东部与朝鲜接壤，南部濒临黄海与渤海，与山东半岛隔海相望，西部和北部紧邻河北省、内蒙古自治区和吉林省。辽宁省地形呈东西高、中部低走势，东部山区为长白山余脉，西部为丘陵地区，中部为辽河平原，整体地形呈马蹄形（图1）。

1.2 研究资料

选取辽宁省52个气象观测站点1961—2020年玉米生长季内逐日平均气温和辽宁省15个农业气象观测站1981—2010年玉米发育期观测资料，观测资料来源于辽宁省生态气象和卫星遥感中心。DEM数据采用地理空间数据云提供的ASTER GDEM30M分辨率数字高程数据，利用ArcGIS的镶嵌至新栅格（Mosaic To New Raster）工具拼接多幅高程数据。通过辽宁省边界数据对DEM高程数据进行裁剪操作和重采样操作，得到辽宁省分辨率为100 m的数字高程数据。

1.3 发育期计算

利用辽宁省15个农业气象观测站1981—2010年的春玉米发育期资料，得到辽宁省农业气象观测站点的生育期多年平均起止日期。全省平均播种日期为4月27日，播种至3叶期为4月27日至6月2日，7叶至拔节期为6月3日至7月19日，抽穗至乳熟期为7月20日至9月21日，成熟至收获期为9月22日至10月15日。

1.4 空间插值方法

空间混合插值法（MLR）主要是通过建立气温与地理空间要素信息间的相关关系，利用逐步回归分析构建气温与地理空间要素的回归方程，并采用“整体逐步回归分析+局部残差内插分析”的方法推算网格点气温要素值。相关研究表明，空间混合插值法的插值精度要高于传统的插值法。

分别利用气象观测站点的地理信息数据（经度、纬度、海拔高度）与地形要素数据（坡度、坡向）作为自变量，利用平均气温作为因变量进行相关性分析。选取通过信度检验的自变量与因变量建立多元逐步回归方程。将各站点地理空间要素数据代入到回归方程，得到各站点气温模拟值，并结合站点实测值得到相应站点的残差值。基于DEM数据，利用逐步回归方程，推算每个网格点的模拟值及残差，并最终获得各网格点的气象要素的空间连续分布。其表达式为：

式中：Y为每个网格点的气象要素推算值；X1为网格点经度；X2为网格点纬度；X3为网格点海拔高度；X4为网格点坡向；X5为网格点坡度；ε为误差项。

2 结果与分析

2.1 气温的时间变化特征

2.1.1 全生育期气温的变化特征。利用辽宁省52个气象观测站的1961—2020年逐日平均气温资料，计算辽宁省逐年玉米全生育期平均气温，绘制玉米生育期平均气温时间序列图（图2）。从图2可见，近60年辽宁省玉米全生育期平均气温为19.7℃。研究时段内平均气温最高值出现在2000年，为21.0℃；最低值为18.3℃，出现在1976年。气温在2000年前呈稳定波动上升趋势，进入21世纪后温度迅速升高。辽宁省玉米全生育期平均气温在近60年呈明显的上升趋势，平均气温的气候倾向率为0.20℃/10年，相关系数为0.61（P＜0.01）。

图2 辽宁省1961—2020年玉米生育期平均气温时间变化特征

2.1.2 各生育期平均气温的变化特征。对1961—2020年辽宁省玉米各发育期逐日气温求平均，计算每年玉米各生育期平均气温，绘制播种—3叶（图3-a）、7叶—拔节（图3-b）、抽穗—乳熟（图3-c）和成熟—收获（图3-d）4个发育时期的平均气温时间序列图。由图3-a可见，玉米播种—3叶期的平均气温为16.6℃。近60年该发育期平均气温最高值出现在2002年，为18.5℃；最低值出现在1973年，为15.1℃。平均气温在20世纪70年代后期呈波动上升趋势，进入21世纪后平均气温上升显著。近60年气温呈明显的上升趋势，平均气温的气候倾向率为0.23℃/10年，相关系数为0.45（P＜0.01）。图3-b显示，7叶—拔节期平均气温为22.3℃，最高值出现在2000年，为25.1℃；最低值出现在1976年，为20.1℃。近60年7叶—拔节期平均气温逐年呈波动上升趋势，平均气温的气候倾向率为0.18℃/10年，相关系数为0.38（P＜0.01）。图3-c表征了辽宁省玉米抽穗—乳熟期逐年平均气温变化特征，平均气温为22.0℃；最高值出现在2018年，为23.4℃；最低值出现在1976年，为20.5℃。近60年抽穗—乳熟期的平均气温呈显著上升趋势，平均气温的气候倾向率为0.19℃/10年，相关系数为0.52（P＜0.01）。由图3-d可知，成熟—收获期平均气温为13.4℃；最高值出现在1998年，为17.0℃；最低值出现在1969年，为11.1℃。近60年气温一直稳定地波动升高，平均气温气候倾向率为0.22℃/10年，相关系数为0.34（P＜0.01）。

图3 1961—2020年辽宁省春玉米各生育期平均气温时间变化特征

2.2 气温的空间变化特征

2.2.1 全生育期气温的空间变化特征。利用辽宁省52个气象观测站的1961—2020年逐日平均气温资料，利用GIS软件结合DEM高程数据计算精细化的玉米全生育期平均气温要素分布（图4）。由图4可见，辽宁省春玉米全生育期平均气温在中部平原地区、辽西中部地区以及环渤海一带温度偏高，在东部山区以及西部内蒙高原一带气温偏低，平均温度的空间分布符合辽宁省地形的分布。平均气温最高值出现在鞍山站，为21.1℃；平均气温最低值出现在新宾站，为17.5℃。

图4 辽宁省春玉米全生育期平均气温精细化分布

2.2.2 各生育期气温的空间变化特征。利用辽宁省52个气象观测站1961—2020年逐日平均气温资料和地理信息数据，采用MLR混合插值法计算制作播种—3叶（图5-a）、7叶—拔节（图5-b）、抽穗—乳熟（图5-c）和成熟—收获（图5-d）4个生育期的气温精细化分布图。由图5-a和图5-b可以看出，播种—3叶期和7叶—拔节期平均气温的空间分布十分相似，中部平原地区的辽阳、鞍山、海城、大石桥和盖县这一沿线地区以及辽西中部地区气温最高，辽宁东部地区清原、新宾、桓仁，本溪县、草河口、宽甸部分地区以及建平温度最低。播种—3叶期气温最高的站为朝阳站，为18.6℃；气温最低的站是草河口站，为14.1℃。7叶—拔节期气温最高的站为鞍山站，为23.7℃；气温最低的站是草河口站，为20.2℃。由图5-c和图5-d可以看出，抽穗—乳熟期和成熟—收获期平均气温的空间分布比较相似，沿海一线以及鞍山和海城部分地区温度较高，东部山区以及西部建平地区温度偏低。抽穗—乳熟期气温最高的站是大连站，为23.4℃；气温最低的站是建平镇站，为19.3℃。成熟—收获期气温最高的站是鞍山站，为17.0℃；最低的站是新宾站，为9.9℃。

图5 辽宁省春玉米各生育期平均气温精细化分布

3 讨论与结论

3.1 讨论

在没有叠加辽宁省旱田分布的情况下，精细化分析时对海拔较高、不适宜种植玉米的地区和林地等非农田区域亦做了模拟。由于气温偏低、积温不足等因素影响，模拟结果误差较大或无结果。在接下来的工作中可以通过叠加旱田分布情况，将非农田部分内的网格点剔除，不仅能够增加运行效率，同时能够提高区域模拟精度。随着近年来遥感技术的不断发展，在对气温的精细化表征方面，可以考虑融合遥感数据，以提高气温的精细化水平和准确率。

3.2 结论

1961—2020年辽宁省春玉米全生育期内气温逐年上升趋势明显，气候倾向率为0.20℃/10年，说明辽宁省近年来气温上升显著（P＜0.01），为玉米生长提供了良好的温热条件。空间分布上，气温的高值区位于辽宁中部和环渤海一带，低值区位于朝阳建平高原和辽宁东部山区。研究玉米各生育期内气温变化情况可知，播种—3叶期、7叶—拔节期、抽穗—乳熟期和成熟—收获期内的平均气温均呈显著上升趋势（P＜0.01），气候倾向率分别为0.23、0.18、0.19、0.22℃/10年。平均气温在玉米生长前期上升趋势显著（P＜0.01），有利于玉米苗期抵御低温冷害风险。在空间分布上，各生育期内气温总体呈现西部高于东部、沿海高于内陆等特点。