基于DEM的近60年遼寧省玉米生長季氣溫變化特征分析

張微瑋，李雨鴻，李曉鷗，孟 鑫，劉東明*

（1.遼寧省生態氣象和衛星遙感中心，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168；3.遼寧省丹東市氣象局，遼寧 丹東 118000）

氣溫是最主要的氣象要素之一，是大氣科學研究的基礎。隨著全球氣候資源利用的不斷發展，迫切需要準確獲取氣溫要素的高時空分辨率、空間柵格化變化情況[1]。氣象觀測站數量有限，且由于一些主觀和客觀原因，大部分臺站處于空間開闊、海拔較低的地段。為研究氣溫的空間分布，學者們利用簡單的插值分析方法對氣溫進行插值，推算其分布情況[2-3]。這種方法雖然簡單方便，但是弊端也很明顯，復雜地形下的氣溫空間變化與實際情況往往相差較大[4-5]。因此，對氣象站觀測資料進行空間插值，獲得氣溫的空間精細化分布結果，已經是國內外研究的一個熱點。相對于傳統插值方式，基于地形的精細化插值分析能夠更好地反映下墊面對氣象要素的影響[6-9]。經度、緯度和海拔高度等地理信息均對氣溫的空間分布產生影響[10]。

20世紀90年代后GIS（地理信息系統）技術在國內迅速發展，通過地理因子與氣溫的統計關系，運用GIS軟件自帶的多種插值方法（多項式插值法、克里金插值法、樣條插值法、反距離權重法等），可計算出各類精細化的氣象要素[11-13]。陳曉峰等在氣象站觀測的氣溫數據基礎上，利用GIS軟件結合數字地形模型（DTM）、天文輻射、海拔高度、地理位置等影響因素建立了山區溫度分布模型[14]。王麗等基于數字高程模型（DEM）數據，采用多元線性回歸插值方法建立了適合江蘇省的多元回歸空間插值模型，并分析其與反距離權重法和克里金插值法等傳統方法的插值精度，客觀地反映了氣溫的空間變異性[15]。目前，結合地理空間信息推算氣溫的空間分布成為研究氣溫空間插值分布的重要方法之一。

本研究將基于氣象臺站1961—2020年逐日氣溫觀測數據和1981—2010年玉米發育期觀測資料，結合數字高程模型及回歸統計方法，推算遼寧省玉米生長季內精細化網格點氣溫變化情況，最終獲取近60年遼寧省生長季內平均氣溫的時空變化情況，探討遼寧省熱量條件的空間變化趨勢。研究結果將對玉米種植區劃和冷害災害防御等決策提供理論支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

遼寧省位于歐亞大陸東北部，位置范圍為118°53′～125°46′E、38°43′～43°26′N。其東部與朝鮮接壤，南部瀕臨黃海與渤海，與山東半島隔海相望，西部和北部緊鄰河北省、內蒙古自治區和吉林省。遼寧省地形呈東西高、中部低走勢，東部山區為長白山余脈，西部為丘陵地區，中部為遼河平原，整體地形呈馬蹄形（圖1）。

1.2 研究資料

選取遼寧省52個氣象觀測站點1961—2020年玉米生長季內逐日平均氣溫和遼寧省15個農業氣象觀測站1981—2010年玉米發育期觀測資料，觀測資料來源于遼寧省生態氣象和衛星遙感中心。DEM數據采用地理空間數據云提供的ASTER GDEM30M分辨率數字高程數據，利用ArcGIS的鑲嵌至新柵格（Mosaic To New Raster）工具拼接多幅高程數據。通過遼寧省邊界數據對DEM高程數據進行裁剪操作和重采樣操作，得到遼寧省分辨率為100 m的數字高程數據。

1.3 發育期計算

利用遼寧省15個農業氣象觀測站1981—2010年的春玉米發育期資料，得到遼寧省農業氣象觀測站點的生育期多年平均起止日期。全省平均播種日期為4月27日，播種至3葉期為4月27日至6月2日，7葉至拔節期為6月3日至7月19日，抽穗至乳熟期為7月20日至9月21日，成熟至收獲期為9月22日至10月15日。

1.4 空間插值方法

空間混合插值法（MLR）主要是通過建立氣溫與地理空間要素信息間的相關關系，利用逐步回歸分析構建氣溫與地理空間要素的回歸方程，并采用“整體逐步回歸分析+局部殘差內插分析”的方法推算網格點氣溫要素值。相關研究表明，空間混合插值法的插值精度要高于傳統的插值法。

分別利用氣象觀測站點的地理信息數據（經度、緯度、海拔高度）與地形要素數據（坡度、坡向）作為自變量，利用平均氣溫作為因變量進行相關性分析。選取通過信度檢驗的自變量與因變量建立多元逐步回歸方程。將各站點地理空間要素數據代入到回歸方程，得到各站點氣溫模擬值，并結合站點實測值得到相應站點的殘差值。基于DEM數據，利用逐步回歸方程，推算每個網格點的模擬值及殘差，并最終獲得各網格點的氣象要素的空間連續分布。其表達式為：

式中：Y為每個網格點的氣象要素推算值；X1為網格點經度；X2為網格點緯度；X3為網格點海拔高度；X4為網格點坡向；X5為網格點坡度；ε為誤差項。

2 結果與分析

2.1 氣溫的時間變化特征

2.1.1 全生育期氣溫的變化特征。利用遼寧省52個氣象觀測站的1961—2020年逐日平均氣溫資料，計算遼寧省逐年玉米全生育期平均氣溫，繪制玉米生育期平均氣溫時間序列圖（圖2）。從圖2可見，近60年遼寧省玉米全生育期平均氣溫為19.7℃。研究時段內平均氣溫最高值出現在2000年，為21.0℃；最低值為18.3℃，出現在1976年。氣溫在2000年前呈穩定波動上升趨勢，進入21世紀后溫度迅速升高。遼寧省玉米全生育期平均氣溫在近60年呈明顯的上升趨勢，平均氣溫的氣候傾向率為0.20℃/10年，相關系數為0.61（P＜0.01）。

圖2 遼寧省1961—2020年玉米生育期平均氣溫時間變化特征

2.1.2 各生育期平均氣溫的變化特征。對1961—2020年遼寧省玉米各發育期逐日氣溫求平均，計算每年玉米各生育期平均氣溫，繪制播種—3葉（圖3-a）、7葉—拔節（圖3-b）、抽穗—乳熟（圖3-c）和成熟—收獲（圖3-d）4個發育時期的平均氣溫時間序列圖。由圖3-a可見，玉米播種—3葉期的平均氣溫為16.6℃。近60年該發育期平均氣溫最高值出現在2002年，為18.5℃；最低值出現在1973年，為15.1℃。平均氣溫在20世紀70年代后期呈波動上升趨勢，進入21世紀后平均氣溫上升顯著。近60年氣溫呈明顯的上升趨勢，平均氣溫的氣候傾向率為0.23℃/10年，相關系數為0.45（P＜0.01）。圖3-b顯示，7葉—拔節期平均氣溫為22.3℃，最高值出現在2000年，為25.1℃；最低值出現在1976年，為20.1℃。近60年7葉—拔節期平均氣溫逐年呈波動上升趨勢，平均氣溫的氣候傾向率為0.18℃/10年，相關系數為0.38（P＜0.01）。圖3-c表征了遼寧省玉米抽穗—乳熟期逐年平均氣溫變化特征，平均氣溫為22.0℃；最高值出現在2018年，為23.4℃；最低值出現在1976年，為20.5℃。近60年抽穗—乳熟期的平均氣溫呈顯著上升趨勢，平均氣溫的氣候傾向率為0.19℃/10年，相關系數為0.52（P＜0.01）。由圖3-d可知，成熟—收獲期平均氣溫為13.4℃；最高值出現在1998年，為17.0℃；最低值出現在1969年，為11.1℃。近60年氣溫一直穩定地波動升高，平均氣溫氣候傾向率為0.22℃/10年，相關系數為0.34（P＜0.01）。

圖3 1961—2020年遼寧省春玉米各生育期平均氣溫時間變化特征

2.2 氣溫的空間變化特征

2.2.1 全生育期氣溫的空間變化特征。利用遼寧省52個氣象觀測站的1961—2020年逐日平均氣溫資料，利用GIS軟件結合DEM高程數據計算精細化的玉米全生育期平均氣溫要素分布（圖4）。由圖4可見，遼寧省春玉米全生育期平均氣溫在中部平原地區、遼西中部地區以及環渤海一帶溫度偏高，在東部山區以及西部內蒙高原一帶氣溫偏低，平均溫度的空間分布符合遼寧省地形的分布。平均氣溫最高值出現在鞍山站，為21.1℃；平均氣溫最低值出現在新賓站，為17.5℃。

圖4 遼寧省春玉米全生育期平均氣溫精細化分布

2.2.2 各生育期氣溫的空間變化特征。利用遼寧省52個氣象觀測站1961—2020年逐日平均氣溫資料和地理信息數據，采用MLR混合插值法計算制作播種—3葉（圖5-a）、7葉—拔節（圖5-b）、抽穗—乳熟（圖5-c）和成熟—收獲（圖5-d）4個生育期的氣溫精細化分布圖。由圖5-a和圖5-b可以看出，播種—3葉期和7葉—拔節期平均氣溫的空間分布十分相似，中部平原地區的遼陽、鞍山、海城、大石橋和蓋縣這一沿線地區以及遼西中部地區氣溫最高，遼寧東部地區清原、新賓、桓仁，本溪縣、草河口、寬甸部分地區以及建平溫度最低。播種—3葉期氣溫最高的站為朝陽站，為18.6℃；氣溫最低的站是草河口站，為14.1℃。7葉—拔節期氣溫最高的站為鞍山站，為23.7℃；氣溫最低的站是草河口站，為20.2℃。由圖5-c和圖5-d可以看出，抽穗—乳熟期和成熟—收獲期平均氣溫的空間分布比較相似，沿海一線以及鞍山和海城部分地區溫度較高，東部山區以及西部建平地區溫度偏低。抽穗—乳熟期氣溫最高的站是大連站，為23.4℃；氣溫最低的站是建平鎮站，為19.3℃。成熟—收獲期氣溫最高的站是鞍山站，為17.0℃；最低的站是新賓站，為9.9℃。

圖5 遼寧省春玉米各生育期平均氣溫精細化分布

3 討論與結論

3.1 討論

在沒有疊加遼寧省旱田分布的情況下，精細化分析時對海拔較高、不適宜種植玉米的地區和林地等非農田區域亦做了模擬。由于氣溫偏低、積溫不足等因素影響，模擬結果誤差較大或無結果。在接下來的工作中可以通過疊加旱田分布情況，將非農田部分內的網格點剔除，不僅能夠增加運行效率，同時能夠提高區域模擬精度。隨著近年來遙感技術的不斷發展，在對氣溫的精細化表征方面，可以考慮融合遙感數據，以提高氣溫的精細化水平和準確率。

3.2 結論

1961—2020年遼寧省春玉米全生育期內氣溫逐年上升趨勢明顯，氣候傾向率為0.20℃/10年，說明遼寧省近年來氣溫上升顯著（P＜0.01），為玉米生長提供了良好的溫熱條件。空間分布上，氣溫的高值區位于遼寧中部和環渤海一帶，低值區位于朝陽建平高原和遼寧東部山區。研究玉米各生育期內氣溫變化情況可知，播種—3葉期、7葉—拔節期、抽穗—乳熟期和成熟—收獲期內的平均氣溫均呈顯著上升趨勢（P＜0.01），氣候傾向率分別為0.23、0.18、0.19、0.22℃/10年。平均氣溫在玉米生長前期上升趨勢顯著（P＜0.01），有利于玉米苗期抵御低溫冷害風險。在空間分布上，各生育期內氣溫總體呈現西部高于東部、沿海高于內陸等特點。