河南省近50年來活動積溫時空變化特征

馮曉玙　陳小素河南理工大學測繪與國土信息工程學院

?

河南省近50年來活動積溫時空變化特征

馮曉玙陳小素
河南理工大學測繪與國土信息工程學院

[摘要]氣候變化是全球環境變化的核心內容，其中活動積溫是眾多氣候因子中的一個重要指標，特別是≥10℃活動積溫與植被演替、農作物生長關系密切，對區域生態狀況和糧食生產安全具有決定性作用。根據河南省17個地區基本或基準氣象站點1960～2008年逐日平均氣溫，采用5日滑動平均法求得起止日期，計算出日氣溫穩定通過≥10℃持續時段內的積溫數值，利用ArcGIS13.0平臺分析并展示其變化趨勢和特征。結果表明：（1）多年均值空間格局上，豫南地區最大、豫西地區最小；（2）空間變化格局上，絕大部分地區以增大趨勢為主，但其變化程度區域差異不顯著；（3）4個時段比較上，以1990～1999年呈現減少趨勢及區域差異性強與2000～2008年表現的增大趨勢及區域差異性弱的對比為最大特征。

[關鍵詞]活動積溫GIS空間分析時空格局河南省

氣候變化是全球環境變化的核心和主要內容。科學研究表明，近百年來地球正經歷著一次以氣溫變暖為主要特征的顯著變化[1]。其中，活動積溫是一個重要的氣候因子，是農作物生長發育不可缺少的條件。活動積溫是指大于等于10℃持續期內的日平均氣溫累加起來得到的氣溫總和。由于當日平均氣溫穩定上升到10℃以上時，大多數農作物才能活躍生長，喜溫作物開始生長、喜涼作物積極生長，此期間內的熱量資源直接影響春播作物的生長[2]。因此活動積溫反映了一個地方氣候對農作物所能提供的熱量條件，是評價農業氣候資源最重要、最普遍的指標，常用來估算某一地區的熱量資源和反映品種的生育特性，與農作物生長發育關系最為密切，對農業發展和糧食安全十分重要[3]。

年活動積溫受經度、緯度、海拔高度和大地構造地貌單元的影響，有較為明顯的區域空間差異，尤其是在全球氣候變暖的大背景下，分析研究≥10℃積溫的時空變化，不僅有助于進一步認識熱量空間分布和年際變化，而且對于作物及其品種的合理布局、氣候資源的合理開發和充分利用等均有直接的實際意義。張鐘月等基于西天山地區17個站點1961～2001年的氣象資料，通過建立數學模型研究了其區域活動積溫的時空變化特征[4]；劉志雄等根據湖北省20個氣象臺站1961～2005年逐日平均氣溫，計算并分析了歷年活動積溫及其變化趨勢，得出空間上的大部分地區顯著增加趨勢、時間上的波動現象[5]；劉志娟等基于66個氣象臺站1961～2007年間的氣候資料，比較分析了中國黃淮海平原半濕潤暖溫小麥-玉米兩熟農區內以活動積溫的農業氣候資源的時空變化特征，得出結論1961～1980年和1981～2007年2個時段對比顯著[6]；劉洋等利用東北地區89個氣象站的逐日地面氣候觀測資料，采用氣象氣候傾斜率、MK檢驗等氣候統計診斷方法，分析了54年來東北地區35萬平方公里熱量資源要素的變化規律[7]。但作為中國農業大省、糧食大省之稱的河南省，其時空變化特征還沒有系統開展，因此本研究以河南省17個國家基準或基本氣象站1960～2008年間的逐年活動積溫數據，應用氣候氣象傾斜率、線性回歸模型和ArcGIS13.0的空間分析模塊進行定量精準表達和地理分析，以期為河南省農業生產布局和結構調整提供指導。

一、數據來源及方法

1.數據來源

本研究數據均來源于中國氣象局國家氣候中心，研究時段選擇1960～2008年，因為這一時段內河南省所有的17個基本或基準氣象臺站均沒有數據缺失現象；同時，臺站空間分布位置相對較為均勻，滿足空間插值基本條件；依據地理意義，河南省區域劃分為東西南北中五個地區，即豫東包括開封、商丘、周口3市，豫西包括洛陽、三門峽、平頂山3市，豫南包括南陽、駐馬店和信陽3市，豫北包括安陽、新鄉、焦作、濮陽、鶴壁和濟源6市，豫中則包括鄭州、許昌和漯河3市，共計18個地級市。其基本信息見表1。

表1　河南省17氣象臺站基本信息及活動積溫數據

2.研究方法

（1）穩定通過界限溫度起止日期的確定。采用辦公軟件Excel的5日滑動平均法求算活動積溫起止日期，氣溫≥10℃（穩定通過）持續日數的積溫數值[8]。

（2）氣候傾斜率。在計算變化趨勢時，采用最小二乘法，計算樣本與時間t(a)的線性回歸系數（a）。各要素的變化可用一次線性方程表示[9]。

圖1　河南省近50年≥10℃活動積溫均值

圖2　河南省近50年≥10℃活動積溫年際變化率均值

(3)數據處理。采用反距離插值方法（inverse distance interpolation，IDW）對氣象數據進行插值，本研究設定的Cell size參數均為0.005，基于ArcGIS13.0平臺生成空間柵格數據。

二、結果與分析

本研究主要從多年活動積溫空間格局、近50年年際變化和代際變化三個方面反映研究區時空變化特征。

1.多年活動積溫空間格局

從圖1和表1可以看出，河南省17個站點從1960～2008年≥10℃的活動積溫均值一般在4300℃～ 4500℃，平均數值為4305.25℃。固始數值最高，為4609.09℃；相對地，信陽（4539.05℃）、駐馬店（4513.31℃）和南陽（4500.15℃）三個氣象站也較高。亦即河南省17個氣象站中≥10℃活動積溫高于4500℃的所有4個站點均分布在豫南地區。欒川最低（3515.14℃），盧氏（3728.31℃）和三門峽（4202.18℃）也都較小，亦即河南省17個氣象站中≥10℃活動積溫低于4300℃的所有3個站點均分布在豫西地區。因此，≥10℃活動積溫高值區分布在豫南，低值區均分布在豫西。

2.近50年活動積溫年際變化

從圖2的河南省近50年≥10℃活動積溫年際變化率均值可以看出，所有地區的變化率均值均為正值，表明所有地區≥10℃活動積溫都呈增長趨勢；但幅度很小，一般小于0.45％，僅有三門峽、欒川、鄭州、開封、信陽五個站點的變化率高于0.45％，分別位于豫西、豫中、豫東和豫南四個區域，亦即區域分異不顯著。因此，河南省1960～2008年間≥10℃活動積溫年際變化均為增長趨勢，但其變化率的區域分異不顯著。

3.近50年活動積溫代際變化

圖3　河南省近50年來≥10℃活動積溫代際變化率空間格局

以1960～1969年≥10℃活動積溫年均值為基礎，在已知1970～1979年的活動積溫年均值的情況下，計算出每個氣象站點的1970～1979年的活動積溫代際變化率；以此類推，計算出1980～1989年、1990～1999年、2000～2008年三個時段的活動積溫代際變化率。下面分述上世紀70年代、80年代、90年代和本世紀初的活動積溫代際變化時空格局特征研究。基于ArcGIS13.0平臺生成的空間內插圖形見圖3。

（1）上世紀70年代。從圖3A可以看出，河南省17個站點1970～1979年≥10℃活動積溫的變化以增大為主。表現增大趨勢的氣象站點中，安陽、信陽、三門峽變化率較大，超過了2％；表現減小趨勢的氣象站點中，位于豫西地區的欒川變化率較大，其絕對值大于3％。其它站點的代際變化率相對均較小，僅為-1％～2％。總之，河南省上世紀70年代的活動積溫相對于60年代，其變化趨勢以增長為主，但區域差異相對較小。

（2）上世紀80年代。圖3B展現的河南省1980～ 1989年≥10℃年活動積溫代際變化率一般也在-1～ 2％之間，其中呈現增加趨勢的欒川（1.57％）和寶豐（1.91％）兩個站的變化率較高，呈現減少趨勢的安陽和信陽兩個站點變化率絕對值也相對較高了些，分別為-2.81％和-1.07％。總之，上世紀80年代≥10℃活動積溫變化趨勢還是以增加為主，且區域差異更小。

（3）上世紀90年代。相對于1980～1989年，河南省1990～1999年≥10℃活動積溫代際變化表現出明顯減小趨勢，17站點代際變化率平均為-0.23％，四個代際變化率中唯一負值，這一點可以由圖3C清晰得到。在17個氣象站點中，新鄉（-1.69％）、盧氏（-1.49％）、寶豐（-1.47％）、孟津（-1.13％）、南陽（-1.12％）、駐馬店（-1.11％）、固始（-1.08％）、許昌（-0.82％）等8個站點的代際變化率均為負值，而且平均值絕對值也較高，為1.24％；而其它9個站點的代際變化率平均值的絕對值卻僅有0.67％。同時，區域分異也較為明顯，豫西、豫南以減少為主，而豫東則還以增加為主。

（4）本世紀初。進入21世紀以來，河南省整體區域≥10℃活動積溫則均以強勢的增加趨勢為特征，尤以豫南和豫中地區最顯著（圖3D）。2000～2008年間，17個氣象站點的代際變化率均值為2.83％，其中11個站點的代際變化率高于1％，特別是鄭州、開封、西峽、西華、信陽5站點的代際變化率大于5％，5站點分別屬于豫中、豫東和豫南。

總之，相對地，4個時段中的1990～1999年代際活動積溫總體呈現減小趨勢，區域分異顯著；而其它三個時段代際活動積溫總體表現為增大趨勢，區域分異不明顯。

三、主要結論

本研究以河南省17個國家基本或基準氣象臺站的1960～2008年間長時間序列的逐日氣溫數據為基礎，基于ArcGIS13.0平臺采用反距離空間插值方法，研究了≥10℃活動積溫的時空格局特征，其主要結論如下：

1.河南省大部分地區的近50年活動積溫均值多在4300～4500℃之間，以豫南較大、豫西較小為區域分異特征。

2.河南省近50年活動積溫年際變化均值均以增長趨勢為主，但區域分異不顯著。

3.四個時段中，1990～1999年代際活動積溫呈現減小趨勢，區域分異顯著；而其它三個時段代際活動積溫總體表現為增長趨勢，區域分異不明顯。

參考文獻：

[1]秦大河，丁一匯，蘇紀蘭等.中國氣候與環境演變[M].北京：科學出版社，2005:41-49.

[2]安昕，孟鵬，廖國進等.沈陽市近50 a 10℃活動積溫變化特征分析[J].氣象科學，2011，31：146-148.

[3]朱寶，孫佳麗，胡榮辰等.1961-2010年鹽城市氣候變化及其對農業的影響[J].江蘇農業科學，2012，40 （7）：309-312.

[4]張鐘月，師慶東，單勇等.新疆西天山≥10℃積溫時空變化特征分析[J].新疆農業科學，2007，44（2）：235-238.

[5]劉志雄，陳正洪，萬素琴.湖北省近45年≥10℃界限溫度的變化特征分析[J].湖北農業科學，2010，49 （6）：1349-1352.

[6]劉志娟，楊曉光，王文峰.氣候變化背景下中國農業氣候資源變化Ⅳ.黃淮海平原半濕潤暖溫麥-玉兩熟灌溉農區農業氣候資源時空變化特征[J].應用生態學報，2011，22（4）：905-912.

[7]劉洋，王占海，姜文來等.1956～2009年東北地區熱量資源時空變化特征分析[J].中國農業資源與區劃，2013，34（2）：12-19.

[8]高紹鳳，陳萬隆，朱超群等.應用氣候學[M].北京:氣象出版社，100-105.

[9]沈瑱，曾燕，肖卉等.江蘇省日照時數的氣候特征分析[J].氣象科學，2007，27（4）：425-429.

[基金項目]國家自然科學基金項目（41371105）