去城市化作用前后黑龙江省积温对比分析*

李亚滨，陈 莉**，魏 磊，王一达，刘 栋，孙 爽，王丽岩，黄英伟

去城市化作用前后黑龙江省积温对比分析*

李亚滨1，陈 莉1**，魏 磊1，王一达2，刘 栋1，孙 爽1，王丽岩3，黄英伟4

（1.黑龙江省气候中心，哈尔滨 150030；2.哈尔滨市气象台,哈尔滨 150030；3.中国气象局华风集团，北京 100081；4.黑龙江省公共气象服务中心，哈尔滨 150030）

肩负粮食安全重要职责的黑龙江省，地处中高纬度，温度资源是限制该省农业生产的重要因素。≥10℃积温及积温带的变化，对农业品种布局、农业种植结构调整、产量形成都起着决定性作用。本研究采用1961−2020年黑龙江省31个国家气象站实测日平均气温、月平均气温和“基于城市化偏差订正的中国大陆月平均地面气温网格数据集”资料，进行了去城市化作用前后黑龙江省≥10℃积温对比分析。研究表明，与去城市化作用前相比，去城市化作用后近60a黑龙江省积温线性变化趋势和变化倾向率有所放缓；1991−2020年近30a积温平均值普遍降低，城市化作用导致的积温增量孙吴站超过200℃·d，呼玛、黑河、尚志、北安站超过100℃·d，其他大部地区在20～100℃·d；黑龙江省6条积温带中有5条因去城市化作用而调整，第一积温带范围大幅缩小，进而导致第二积温带范围显著增大，第三、四、五积温带有所南移。

黑龙江省；积温；积温带；城市化作用；对比分析

IPCC《气候变化与土地特别报告》[1]指出，在全球变暖背景下，气候变化和极端气候事件加重了土地压力，并严重影响全球粮食安全。气候变化对低纬地区粮食产量产生负面影响，而对较高纬地区一些作物（如玉米、小麦等）产量起到了积极作用[2]。在全球变暖大背景下，地处中国最高纬度的黑龙江省变暖显著，1961−2018年黑龙江省年平均气温呈显著上升趋势，上升速率为0.34℃·10a−1，高于全国平均水平[3]。由于其所处纬度较高，温度资源一直是制约该粮食大省农业生产的重要因素，气候变暖造成的温度资源增加，会对农业结构、种植制度和农作物产量产生重要影响。

热量是农业生物生存、生长发育必需的外界环境因子和能量来源[4]。温度资源在传统上常用积温、无霜期等指标来衡量。积温，又称度·日，为某一时期内大于或小于某一界限温度的日平均温度的总和[5]。它在农作物育种、选种、生产和生长发育评估模型中被广泛使用。前人从积温的概念及物理意义[6−9]、变化特征[10−16]、模拟[17−19]、空间格点化方法[20]等方面进行了大量研究。尤其对地处中高纬度、农业生产受温度资源制约的黑龙江省积温变化，开展了不少研究。曹萌萌等[21]研究表明，1981−2012年黑龙江省≥10℃积温年代际变化呈显著增加趋势，各积温带较20世纪90年代划分的积温带大致向北移、东扩了一个积温带。季生太等[22−23]指出，1961−2005年黑龙江省积温呈增加趋势，90年代增加显著，1976−2005年积温带分布较1961−1990年北移东扩明显，尤其是第一积温带北移平均达0.5个纬距，第三积温带东扩达 2个经距。袁湘玲等[11]研究指出，1961−2017年黑龙江省稳定通过10℃积温以27～101℃·d·10a−1的趋势显著增加。朱红蕊等[15]研究得出，1961−2014年黑龙江省≥10℃积温呈显著上升趋势，倾向率达67.7℃·d·10a−1，1981−2014年黑龙江省6个积温带区域均有变化，第一积温带所占全省面积由1961−1990年的1%增加到8%，第六积温带范围缩小8个百分点。这些研究揭示了黑龙江省积温变化特征，但基于城市化偏差的积温变化研究还较为少见。同时，东北平原广袤的农田大多距离城市较远，近几十年受城市化影响程度远小于气象站所受到的影响。更为关键的是，研究表明城市化偏差是中国地面气温观测记录中最大的系统性偏差[24−28]，由此必然带来因城市化因素引起的气温资料的不确定性。本研究旨在分离出温度资源增加中的城市化作用，对黑龙江省温度资源增加量进行科学评估，以便为农业结构、种植制度和农作物产量决策提供更科学依据。研究采用黑龙江省31个国家气象站1961−2020年实测逐日平均气温和“基于城市化偏差订正的中国大陆月平均地面气温网格数据集”中的月平均气温资料，进行去城市化作用前后积温对比分析，对于厘清温度资源的真实变化，指导当地农业生产有明显的科学意义，同时对生长发育进程测算模型中积温的订正使用提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料及其来源

黑龙江省31个国家基本/基准站逐日平均气温观测资料和月平均气温资料时间范围为1961−2020年，来自黑龙江省气象数据中心。

经城市化偏差订正后各站月平均气温资料取自“基于城市化偏差订正的中国大陆月平均地面气温网格数据集”[26]，时间范围为1961−2015年。该数据集综合考虑了观测连续性、迁站次数、观测点附近聚落人口数量、测站周围12km2内人工建筑比率、历史资料的起止年份、与附近城镇中心的距离等因素，确定了143个中国大陆地面气温参考站[25−27]，而后采取自东往西迭代订正的方法，以各参考站与其目标站年均气温相关系数的平方为权重，得到目标站年和月平均气温参考序列，利用目标站及其参考气温序列趋势之差作为该目标站城市化偏差订正值。该数据集以2015年为基准年，向前逐渐递加平均每年的城市化影响，订正过的序列把站点当前及未来几年的气温作为固定值，使新的气温资料在未来数年内具有更好的可延展性。因此，把2016−2020年实测月平均气温数据续接到该序列中，形成黑龙省31个气象站基于城市化偏差订正的1961−2020年月平均气温序列。

地理信息数据采用1:25万的DEM数据，包括省、市、县各级行政边界和高程数据，资料来自中国气象局。

1.2 基于日平均气温数据计算≥10℃活动积温的方法

日平均气温稳定通过10℃为黑龙江省农作物正常生长的适宜温度，通常用稳定通过10℃期间的积温作为衡量作物生长的热量指标[29]。首先采用5日滑动平均法确定≥10℃的初/终日，初日为滑动平均温度中稳定通过10℃的第一个日平均气温≥10℃的日期，终日为滑动平均温度中第一个小于10℃的前一个5d中最后一个日平均气温大于或等于10℃的日期，持续天数为初日至终日之间的天数[29]。活动积温即≥10℃初日和终日之间的日平均气温之和。

1.3 基于月平均气温数据计算≥10℃活动积温的方法

1.3.1 ≥10℃初/终日计算方法

由表1可知，与各站基于日平均气温得到的1961−2020年≥10℃初日和终日平均值相比较，由实测月平均气温计算得到的各站初日普遍偏早、终日普遍偏晚。

表1 黑龙江省各站基于实测月平均气温得到的≥10℃初日、终日误差天数(d)

1.3.2 ≥10℃积温计算方法

初、终日所在月≥10℃积温值R为

式中，T为≥10℃初日所在月的最后一天日平均气温或≥10℃终日所在月的第一天日平均气温（℃）；h为初日或终日所在月≥10℃的天数（d）。

T由式（6）求得，即

由初日、终日所在月≥10℃积温之和，再加上初日、终日其间各完整月的积温值，则可求得全年≥10℃积温值。

与基于各站日平均气温得到的各站活动积温相比较，由实测月平均气温计算得到的活动积温普遍偏小，偏小数值在35～96℃·d，占全年积温值的2.1%～3.5%，二者相关系数为0.9996，为高度相关。

1.4 基于城市化偏差订正的近30a积温平均值（1991−2020年）计算流程

根据以上方法，可以得到基于城市化偏差订正的近30a积温平均值（1991−2020年）。其计算流程为从实测日、月平均气温出发，采用五日滑动平均方法分别计算≥10℃初、终日，随后完成对康德拉公式的修正；然后把基于城市化偏差订正的月平均气温带入修正的康德拉公式中，分别计算相应的≥10℃初、终日和积温值；最后结合实测日平均气温得到的前30a（1961−1990年）积温平均值，得到基于城市化偏差订正的近30a积温平均值（1991−2020年），具体流程如图1所示。

1.5 80%保证率积温计算方法

在实际指导农业生产过程中，排除生物学零度以下的无效积温，使用80%保证率数据来表征作物发育所需要的热量更为贴切和符合实际[29]。在积温带划分中采用经验频率法计算各站80%保证率下稳定通过10℃活动积温数据[30]，保证率（P）计算公式为

图1 基于城市化偏差订正的近30a（1991−2020年）积温均值计算流程

式中，n为样本序列数（年），m为任一序号，m=1，2，…，n。

1.6 积温带划分方法和积温均值计算方法

农业、气象部门通常以30a内80%保证率下≥10℃积温进行积温带划分。20世纪90年代中期，黑龙江省划分了6条积温带[31]。本研究基于1961−1990年实测逐日平均气温数据，确定了第一至第六积温带的空间位置。31个气象站所属积温带情况如表2所示，各积温带积温均值，即各积温带所包含的气象站积温平均值。

1.7 数据处理

利用趋势分析方法[32−33]分析时间序列的趋势和线性变化倾向率。数据分析和处理应用Fortran、SPSS、EXCEL软件，绘图采用了GIS软件。

2结果与分析

2.1 去城市化作用前后黑龙江省≥10℃积温近60a变化趋势对比

1961−2020年黑龙江省≥10℃积温序列用31个气象站≥10℃积温逐年平均值计算得到。基于实测日平均气温计算得到的黑龙江省≥10℃积温近60a呈显著增加趋势，趋势系数为0.6654，通过了0.01水平的显著性检验，线性变化倾向率为66.0℃·d·10a−1。基于城市化偏差订正的月平均气温计算得到的积温近60a来趋势系数为0.6236，线性变化倾向率为48.5℃·d·10a−1（图2）。可见，去城市化作用后，黑龙江省积温线性增加趋势和增加速率均有所放缓。

表2 黑龙江≥10℃积温带中气象站分布情况（1961−1990年）

图2 1961−2020年去城市化作用前后黑龙江省≥10℃积温变化趋势

2.2 去城市化作用前后黑龙江省近30a≥10℃活动积温空间分布对比

图3a为去城市化作用前后近30a（1991−2020年）黑龙江省≥10℃积温均值空间分布图。由图可见，去城市化作用后，黑龙江省各积温等值线普遍南移，其中大兴安岭北部2100℃·d以下积温值范围变化不大，但2100～2400℃·d和2400～2700℃·d积温区域范围明显增大，黑河部分市县的≥10℃积温均值由原来的2400～2700℃·d减至2100～2400℃·d；三江平原东部一带在去城市化作用后2700℃·d以上的积温范围明显收缩，由原来的大于2700℃·d调整为2400～2700℃·d，积温差在100～200℃·d。由此可见，近30a黑河部分市县和三江平原东部区域城市化作用影响较大。从去城市化作用前后的积温均值变化量来看（图3b），城市化作用导致的积温增加量大部地区在20～100℃·d，其中除漠河以外的大兴安岭地区、黑河、齐齐哈尔西部、哈尔滨中西部及三江平原大部市县增加量在50℃·d以上，尤其是呼玛、黑河、尚志、北安的增量超过100℃·d，孙吴超过200℃·d。

2.3 去城市化作用前后黑龙江省积温带分布对比

积温带是农业部门进行农作物种植结构调整和品种选择的重要依据。以1961−1990年积温带空间分布为标准（表2），分析近30a（1991−2020年）去城市化作用前后黑龙江省六条积温带积温均值情况。结果见表3。由表中可见，各积温带积温均值因去城市化作用有所减小，第一积温带均值减少23.8℃·d，第六积温带均值减少72.3℃·d。

对比去城市化作用前后的近30a积温带分布图（图4a和图4b）可见，第一积温带范围大幅缩小，原处于第一积温带的三江平原中部、牡丹江西部及哈尔滨东南部市县，在去城市化作用后均处于第二积温带，由此导致第二积温带范围显著增大；第三、四、五积温带有所南移，尤其是黑河北部在去城市化之前为第四积温带，去城市化之后调整为第五积温带。尽管第六积温带积温均值在去城市化作用后减少较明显，但去城市化前后积温均值都在1900℃·d以下，所以该积温带空间位置基本无变化。

图3 去城市化作用前后黑龙江省近30a积温均值（a）和城市化作用引起的积温增量（b）的空间分布

注：图3a 中，不同灰度的分界线为去城市化作用之前积温均值，黑色实线为去城市化作用之后。

Note: The contour map filled with different grayscale is before de-urbanization and the solid line is after de-urbanization in Fig.2a.

表3 去城市化作用前后黑龙江≥10℃积温带近30a平均值(℃·d)

图4 去城市化作用之前（a）和之后（b）黑龙江省近30a积温带分布图

3 结论与讨论

3.1 讨论

气候变暖给处于中高纬度、农业生产受温度资源制约的地区带来了难得的温度资源，科学评估增加的温度资源是正确决策的依据。最近几十年的变暖，使黑龙江省积温带北移东扩[15,21−23]，本研究基于城市化偏差订正月平均气温数据集，揭示了城市化作用在积温带北移东扩中有不可忽视的贡献，尤其像三江平原中部、牡丹江西部、北部的黑河地区，其贡献更为明显。如果忽视了城市化偏差造成农作物品种越区种植，会造成低温冷害风险加大，可能会给当地农业稳产、高产和农民增收带来巨大挑战。

目前城市化偏差订正的月平均气温数据集资料年份为2015年，采用的是向前订正方法，因此，本研究把2016−2020年数据直接续接到该数据集中是科学而合理的。但随着时间的推移，距离2015年越来越远，未来几年的数据直接续接会产生较大的误差，因此，有必要建立新的城市化偏差订正月平均气温数据集，才能保证在未来几年或几十年相关的城市化作用研究得以开展。同时该数据集时间分辨率为月，如果在当地布设自动气象站开展城市化作用监测，把城市化偏差数据订正到日尺度，由此开展积温研究会得到更精确的结果。因此，开展气候变化背景下黑龙江省乃至东北地区城市化偏差精细化订正和积温带变化研究，对于调整农业品种布局、种植结构和产量形成都有重要意义。

3.2 结论

（1）1961−2020年黑龙江省≥10℃积温线性增加趋势和增加速率有所放缓。在去城市化作用前，趋势系数为0.6654，通过了0.01水平的显著性检验，线性变化倾向率为66.0℃·d·10a−1，去城市化作用后，趋势系数为0.6236，线性变化倾向率为48.5℃·d·10a−1。

（2）与去城市化作用前相比，黑龙江省各站近30a（1991−2020年）积温均值在去城市化作用后普遍降低。城市化作用导致的积温增加量孙吴站超过200℃·d，呼玛、黑河、尚志、北安站增量超过100℃·d，其他大部地区在100℃·d以下。

（3）与去城市化作用前相比，黑龙江省6条积温带中有5条因去城市化作用而调整。各条积温带积温均值因去城市化作用而有所减小。第一积温带范围大幅缩小，原处于第一积温带的三江平原中部、牡丹江西部及哈尔滨东南部市县，在去城市化作用后均处于第二积温带，由此也导致第二积温带范围显著增大；第三、四、五积温带有所南移。

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Comparative Analysis of Thermal Time above 10℃ in Heilongjiang Province before and after De-urbanization

LI Ya-bin1, CHEN Li1, WEI Lei1, WANG Yi-da2, LIU Dong1, SUN Shuang1, WANG Li-yan3, HUANG Ying-wei4

(1. Heilongjiang Climate Center, Harbin 150030, China; 2. Harbin Meteorological Observatory, Harbin 150030; 3. Huafeng Group of China Meteorological Administration, Beijing 100081; 4. Public Meteorological Service Center of Heilongjiang Province, Harbin 150030)

Heilongjiang province, with an important responsibility for food security, is in the middle-high latitudes. Thermal resource is an important factor restricting agricultural production in the province. Meanwhile its climate warming has been significantly higher than the national average in the past 60 years. Changes in thermal time and thermal time zones play decisive roles in the distribution of agricultural varieties, the adjustment of agricultural planting structure, and the formation of output. Using daily and monthly average temperature data of 31 national meteorological stations in Heilongjiang province from 1961 to 2020 and “Grid dataset of monthly average surface temperature in mainland China revised based on the urbanization deviation”, changes of thermal time above 10℃ in Heilongjiang province before and after de-urbanization were analyzed. The results show that after removing the effects of urbanization, the linear change trend and rate of change tendency of thermal time from 1961 to 2020 have slowed down in Heilongjiang province. In the past 30 years during 1991 to 2020, the average thermal time generally decreased after de-urbanization. The increase thermal time caused by urbanization was below 100℃·d in most areas. The amount of Huma, Heihe, Shangzhi and Bei'an exceeds 100℃·d, and Sunwu exceeds 200℃·d. Five of six thermal time zones in Heilongjiang province were adjusted due to the removal of urbanization. The range of First Zone was greatly reduced, which led to a significant increase in Second Zone, and Third, Fourth, and Fifth Zones moved south.

Heilongjiang province; Thermal time above 10℃; Zone of thermal time; Urbanization; Comparative analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.06.002

李亚滨,陈莉,魏磊,等.去城市化作用前后黑龙江省积温对比分析[J].中国农业气象,2022,43(6):440-449

收稿日期：2021−09−28

黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2020D015）

通讯作者：陈莉，正高级工程师，博士，主要从事气候与气候变化研究，E-mail:climate_chenli@163.com

李亚滨，E-mail:113931077@qq.com