新疆有效積溫的時空演變特征

張輝　呂新

摘要：利用新疆1975—2015年逐日平均氣溫資料和新疆DEM數據，構建了氣候要素與經度，緯度和海拔高度3維2次趨勢面模型，采用線性回歸分析和Pettitt突變檢驗，結合ArcGIS，分析新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的時空演變。結果表明：在空間尺度上，新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數受到緯度和海拔高度的影響，南疆≥10℃有效積溫和持續日數整體上多于北疆，并且平原和盆地多余山區的分布格局。南疆≥10℃有效積溫的初日整體上早于北疆，平原和盆地早于山區的分布格局。新疆≥10℃有效積溫終日的空間分布特征與初日相反。在時間尺度，近41a以來，新疆≥10℃有效積溫及持續日數均呈現出極顯著的增加趨勢，發生突變年份主要集中在1994—2000年間，突變后≥10℃有效積溫及持續日數呈現出增加的趨勢。初日呈現出極顯著提前的趨勢，終日的變化趨勢與初日相反，發生突變的年份主要集中在1994—2005年。

關鍵詞：新疆;≥10℃有效積溫;時空演變;線性回歸分析;Pettitt突變檢驗

中圖分類號：S161

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115063

基金項目：兵團重大科技項目（項目編號：2016AA001-1）

1 引言

積溫是一個重要的熱量資源[1-3]，在評價作物的生長發育和作物種植結構的調整都具有積極的意義，積溫的多寡關系到作物的產量和品質。≥10℃的積溫對研究生長發育，合理安排作物的生產布局都具有研究價值[4]。

國內有許多農業專家對≥10℃的積溫做過相關研究，王小燕[5]等對1961—2010年中國區域積溫研究表明20世紀90年代之后，除了西南局部地區氣溫呈下降趨勢外，其他地區的積溫呈增加趨勢。唐寶琪[6]等對華東地區≥10℃積溫的研究表明，日平均穩定通過≥10℃及持續日數在空間分布上呈現出自東向西，自中部向南北兩端遞減的規律。張智[7]等對寧夏多年積溫及其不同積溫降雨量變化研究發現，近40a以來，寧夏各地≥0℃積溫和≥10℃積溫呈現出增加的趨勢。潘冬梅[8]等對阿勒泰地區≥0℃積溫研究表明，≥10℃初日在空間分布上中部平原早，西部、東部山區晚的格局，≥10℃的持續日數和積溫在空間分布上表現為由內向外呈現出遞減趨勢。劉少華[9]等對中國近50a≥10℃有效積溫研究時發現，1985年之后，我國≥10℃有效積溫和持續日數呈現出顯著的增加趨勢，有效積溫的起始時間整體上呈現出顯著的提前趨勢。

許多氣象專家對積溫進行了很多研究，在積溫的計算上主要采用計算多年平均值的方法。由于氣候要素具有一定的波動性，并且在空間分布上受到地理因素的影響，用多年平均值去評價1個地區熱量資源的變化，會存在一定偏差。本研究主要通過計算80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數，構建了氣候要素與經度、緯度和海拔高度3維2次趨勢面模型，系統分析新疆≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的時空演變，旨在為充分合理的利用新疆熱量資源和農業種植布局的調整提供理論依據。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本研究從國家氣象數據共享網（http：//data.cma.cn/）獲取1975—2015年新疆51個氣象站點逐日平均氣溫資料，從地理空間數據云網（http：//www.gscloud.cn/）獲取分辨率為90m×90m的新疆DEM數據（圖1），為了便于計算，將數據重采樣為1km×1km的柵格。

2.2 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的確定

采用5日滑動平均法確定日平均氣溫穩定通過≥10℃的初日和終日。初日定義為5日滑動平均氣溫≥10℃的日期，終日定義為5日滑動平均氣溫<10℃的日期[10]，為了便于計算，采用儒略日定義≥10℃的初日和終日，≥10℃的持續日數為初日和終日的間隔日數[11]。

2.3 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的統計方法

氣候變化具有波動性，為了能夠更好的反映新疆地區熱量資源的變化規律，本研究采用了R語言統計80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數。

2.4 ≥10℃有效積溫的柵格化數學模型

新疆位于我國西北邊陲，屬于大陸性氣候，南北疆由于3山夾2盆地形態勢，氣候要素差異較大，為了提高氣候要素的柵格點的模擬經度，本研究采用混合插值的方法[12]，對新疆地區51個氣象站點80%保證率下的≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數進行柵格化空間模擬。具體方法如下。

基于新疆DEM數據，提取各個柵格點的經度、緯度和海拔高度。采用SPSS19.0軟件分析氣候要素與各個柵格點的經度、緯度和海拔高度相關性，構建基于地理因子的3維2次趨勢面模型。將氣候要素模擬值的殘差基于ArcGIS10.0軟件中的反距離權重法，訂正到各個柵格點上。氣候要素模擬公式如下：

p=p（λ，φ，h）+ε=a0+a1λ+a2φ+a3h+

a4λφ+a5φh+a6λh+a7λ2+a8φ2+a9h2+ε

式中：p為氣候要素柵格點的模擬值，λ，φ，h分別表示柵格點的經度、緯度和海拔高度，ε表示殘差項，a0～a9表示為待定系數。

2.5 氣候傾向率

利用一元線性回歸模型分析新疆近41a 51個氣象站點氣候要素的變化規律，建立氣候要素x與時間t的線性模型。

x=a+bt，t=1，2，3，…，n（1）

式（1）中x為氣候要素的擬合值，a為常數，b為回歸系數，以b的10倍作為氣候要素的傾向率。當氣候傾向率大于0時，表明氣候要素隨著溫度的增加而增加。當氣候傾向率小于0時，表明氣候要素隨著時間的增加而減少[13]。

2.6 Pettitt突變檢驗

Pettitt突變檢驗是類似于Mann-Kendall法的一種非參數檢驗法[14-16]，對于X構造1個秩序列，具體計算過程如下：

sk=∑ki=1rik=2，3，…，n（2）

ri=[JB（{][HL（2]1[]xi>xj0[]xi=xj-1[]xi

若t0時刻滿足kt0=maxsk，則t0為突變點。

p=2exp[-6k2t0（n3+n2）]（4）

若統計量P<0.05，說明t0時刻的突變點是顯著突變。

3 結果分析

3.1 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的分布特征

由圖2（a）可以看出新疆≥10℃有效積溫總體呈現出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加呈現出逐漸減少趨勢。有效積溫最多的地區主要分布在塔里木盆地東部和西部地區以及吐魯番盆地，天山中西部地區，隨著海拔的增加，有效積溫逐漸減少。

由圖2（b）可以看出新疆≥10℃有效積溫的初日總體呈現出南疆早于北疆，平原和盆地早于山區的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加呈現出推遲的趨勢。有效積溫最早主要分布在塔里木盆地西部地區，北疆大部分地區有效積溫的初日晚于4月6日，天山中西部地區的有效積溫初日最晚，并隨隨著海拔的增加逐漸推遲。

由圖2（c）可以看出新疆≥10℃有效積溫的終日總體呈現出南疆早于北疆，平原和盆地晚于山區的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加逐漸提前。有效積溫最晚的地區主要分布在南疆西部地區和吐魯番盆地。北疆除了克拉瑪依地區有效積溫的終日在11月初，其余大部分地區在10月中下旬。天山中西部地區隨著海拔的增加，有效積溫的終日呈現出提前的趨勢。

由圖2（d）可以看出有效積溫的持續日數總體呈現出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區的空間分布格局，由南到北隨著緯度的增加持續日數逐漸減少的趨勢。有效積溫持續日數最多的地區主要分布在南疆東部地區和吐魯番盆地，北疆大部分地區有效積溫持續日數主要集中在190～220d，天山中西部地區有效積溫的持續日數小于160d，隨著海拔的升高，持續日數呈現出逐漸減少的趨勢。

3.2 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的變化規律

新疆96%氣象站點≥10℃有效積溫的傾向率總體以67.8d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）增加的趨勢（圖3a），41a間增加了277.98℃，增幅最大的站點主要位于十三間房地區，南疆除了庫車地區和柯坪地區≥10℃有效積溫以44.3d/10a的速率減少，其余地區都呈現出極顯著增加的趨勢，塔里木盆地以南增幅最大，天山中西部地區以44.3d/10a的速率增加，41a間累計增加了258.71℃。

新疆86%的氣象站點≥10℃有效積溫初日的傾向率總體以1.8d/10a呈現出極顯著（p<0.01）提前的趨勢（圖3b）。南疆除了若羌地區和庫爾勒地區以0～4d/10a的速率推遲外，其余大部分地區呈現出極顯著提前的趨勢，北疆除了昭蘇、北塔山、和布克賽爾、吉木乃地區≥10℃有效積溫初日推遲外，其余大部分地區都呈現出增加的趨勢。天山以東大部分地區提前幅度最大，41a間累計提前了8.2～16.4d。

新疆75%的氣象站點≥10℃有效積溫終日的傾向率總體以3.4d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）推遲的趨勢（圖3c）。南疆及天山大部分地區的終日以0～2d/10a的速率推遲，41a間累計推遲了0～8.2d，焉耆、拜城、庫車、阿拉爾和若羌地區呈現出極顯著提前趨勢。北疆僅北塔山地區推遲速率最大，達到16d/10a，中部大部分地區以2～4d/10a的速率呈現出極顯著推遲趨勢，41a間累計推遲了8.2～16.4 d/10a。

新疆90%的氣象站點≥10℃有效積溫的持續日數的傾向率總體以4.1d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）增加的趨勢（圖3d），41a間累計增加了16.81d。南疆除了柯坪、阿拉爾和若羌地區持續日數呈現出減少的趨勢，其余大部分地區以0～4d/10a的速率極顯著增加的趨勢。北疆僅昭蘇和北塔山地區增加的速率最大，達到10～22d/10a，其余大部分地區以4～6d/10a的速率增加，41a間持續日數累計增加了16.4～24.6 d/10a。

3.3 ≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數的突變特征

采用pettitt突變檢測的方法，對新疆1975—2015年51個氣象站點≥10℃有效積溫及初、終日和持續日數進行突變分析。結果表明：41a間新疆共有42個氣象站點≥10℃有效積溫發生突變（圖4a），其中有38個氣象站點發生極顯著突變（p<0.01），南疆除了庫車地區在1987年發生了顯著突變，其余大部分地區在1995—1999年發生突變，天山大部分地區突變年份主要集中在1994—1996年，北疆地區突變的年份與南疆和天山大部分地區差異不大，主要集中在1994—1998年，并且突變后≥10℃有效積溫呈現出極顯著增加的趨勢。

1975—2015年新疆共有8個氣象站點≥10℃有效積溫的初日發生顯著突變（p<0.05）（圖4b），南疆僅阿合奇地區在2005年發生突變，由南到北隨著緯度的增加，突變站點成增加的趨勢，北疆除了北塔山地區在1988年發生突變，其余地區發生突變的年份主要集中在1994—1998年。吐魯番、十三間房和巴里坤地區在1998—2000年發生突變，突變后≥10℃有效積溫的初日呈現出顯著的提前趨勢。

1975—2015年新疆共有5個氣象站點發生顯著突變（p<0.05）（圖4c），突變站點主要分布在塔里木盆地西部，南疆僅和田地區在1998年發生極顯著突變，其余大部分站點發生突變的年份主要集中在1994—2005年。十三間房地區在2005年發生突變，突變后≥10℃有效積溫的終日呈現顯著推遲的趨勢。

1975—2015年新疆共有11個氣象站點≥10℃有效積溫的持續日數發生顯著突變（圖4d），南疆發生站點的區域主要分布在塔里木盆地的西部，突變年份主要集中在1995—2006年。隨著緯度的增加，突變站點呈現出增加的趨勢，北疆發生突變的年份主要集中在1996—1999年。吐魯番、十三間房和巴里坤主要在2000年和1998年發生極顯著突變（p<0.01），并且突變后≥10℃有效積溫的持續日數呈現出極顯著增加的趨勢。

4 討論

本研究分析了80%保證率下的≥10℃的有效積溫及初、終日和持續日數的時空演變，驗證了部分已有的相關結論。例如：≥10℃的有效積溫空間分布總體呈現出南疆多，北疆少，平原和盆地多，山區少的特點，這與張山清[12]、李蘭[17]的研究結論一致。受到緯度和海拔高度的影響，南疆≥10℃的有效積溫的初日早于北疆，終日晚于北疆，持續日數多余北疆。北疆≥10℃的有效積溫持續日數的變化幅度大于南疆，這與劉少華[9]的研究結果一致，但在數值上存在一些差異，可能是由于數據的處理方法和所選的數據時間序列的不同。從突變分析（圖4a）可以看出新疆共有42個站點發生突變，發生突變的年份主要集中在1994—1999年，共有62%的站點在1996年發生極顯著突變，并且突變后≥10℃的有效積溫呈現出增加趨勢，這與普宗朝[18]的研究略有差別。普宗朝的研究認為近55a新疆≥10℃的積溫在1997年發生突變。造成此結果差異的原因除了所選的數據時間序列的不同之外，可能與數據的處理方法和采用的不同的突變檢測方法有關。

5 結論

本研究主要選取了1975—2015年時間序列較長的新疆51個氣象站點的逐日平均氣溫資料，計算和分析了80%保證率下的≥10℃的有效積溫及初、終日和持續日數的時空演變，結論如下。

從空間分看，新疆≥10℃的有效積溫總體上呈現出南疆多于北疆，平原和盆地多于山區的空間分布格局。受到緯度和海拔高度的影響，南疆總體上≥10℃的有效積溫的初日早于北疆，終日晚于北疆，持續日數多于北疆。

近41a以來，新疆≥10℃的有效積溫總體以67.8 d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）增加的趨勢，初日的傾向率總體以1.8 d/10a呈現出極顯著（p<0.01）提前的趨勢。終日總體以3.4 d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）推遲的趨勢。持續日數的傾向率總體以4.1 d/10a的速率呈現出極顯著（p<0.01）增加的趨勢。

41a間，新疆有42個氣象站點≥10℃有效積溫發生突變，其中有38個氣象站點發生極顯著突變（p<0.01），突變后有≥10℃有效積溫呈極顯著增加趨勢。有8個氣象站點≥10℃有效積溫的初日發生顯著突變（p<0.05），突變后≥10℃有效積溫的初日呈現的提前的趨勢。有5個氣象站點≥10℃有效積溫的終日發生顯著突變，突變后≥10℃有效積溫的終日呈推遲的趨勢。有11個氣象站點≥10℃有效積溫的持續日數發生顯著突變，突變后≥10℃有效積溫持續日數增加。

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作者簡介：

張輝（1992-），男，碩士。研究方向：兵團機采棉種植適宜性區劃;

呂新（1964-），男，教授，博士生導師。研究方向：農業生態研究。