崔天麗 張國鑫 姜常松 楊錦忠 崔日鮮

摘要：利用1961—2015年山東省17個氣象站點和山東省周邊12個氣象站點的日平均氣溫資料和該區(qū)域的DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，采用混合插值和線性傾向估計方法，對山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫的時空變化特征進行了分析。結(jié)果表明：山東省≥10℃初日的空間分布呈現(xiàn)西部早，向東向北逐漸滯后的特征?！?0℃終日的空間分布呈現(xiàn)中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)早、南部地區(qū)和沿海地區(qū)晚的特征。≥10℃持續(xù)日數(shù)的空間分布呈現(xiàn)南部地區(qū)和濟南西部及北部地區(qū)長、中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)短的特征?！?0℃活動積溫的空間分布呈現(xiàn)西南地區(qū)高、中部山區(qū)和膠東半島中北部低的特征。1961—2015年間，山東省17個氣象站≥10℃初日均呈現(xiàn)提前趨勢，17個氣象站點平均氣候傾向率為-1.38 d/10a;≥10℃終日，除煙臺外，其余16個氣象站點呈推遲趨勢，17個氣象站點平均氣候傾向率為0.74 d/10a;17個氣象站點≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈增大趨勢，其平均氣候傾向率為2.12 d/10a;17個氣象站≥10℃的活動積溫均呈現(xiàn)增大趨勢，17個站平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a。

關(guān)鍵詞：≥10℃熱量資源;GIS;空間分布;變化趨勢;山東省

中圖分類號：S161.2+3 ?文獻標識號：A ?文章編號：1001-4942（2019）08-0100-07

Abstract In this study， the daily average temperature data of 17 meteorological stations in Shandong Province and 12 meteorological stations around Shandong Province from 1961 to 2015， and the digital elevation model （DEM） data were used to analyze the spatial and temporal variation characteristics of heat resources ≥10℃ in Shandong Province by mixed interpolation and linear bias estimation methods. The results showed that the spatial distribution of beginning date of ≥10℃ came early in the west， and came later with the increase of latitude from south to north and the increase of longitude from west to east. The spatial distribution of ending date of ≥10℃ came early in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula， and came late in the south and coastal areas. The duration of ≥10℃ was longer in the south of Shandong Province and the west and north areas of Jinan city compared with the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. The spatial distribution of accumulated temperature of ≥10℃ was higher in the southwest areas and lower in the mountainous areas of central Shandong Province and high altitude areas of Jiaodong peninsula. From 1961 to 2015， the time series of beginning date of ≥10℃ showed decreasing trends for all the 17 meteorological stations with the average rate of -1.38 days/decade. The time series of ending date of ≥10℃ for 16 stations showed increasing trends with the average rate of 0.74 days/decade except Yantai station. Both the duration and accumulated temperature of ≥10℃ showed increasing trends for all 17 meteorological stations with the increasing rate of 2.12 day/decade and 63.10 ℃·d/decade， respectively.

Keywords Heat resource of ≥10℃; GIS; Spatial distribution; Change trend; Shandong Province

農(nóng)業(yè)是對氣候變化反應最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一，任何程度的氣候變化都會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來顯著影響[1]。農(nóng)業(yè)界限溫度是指某些重要農(nóng)事活動開始、終止或轉(zhuǎn)折的溫度，其中界限溫度10℃與喜溫作物播種與生長密切相關(guān)[2]，且穩(wěn)定通過界限溫度10℃的活動積溫既作為衡量熱量資源的重要指標[3]，也用來表示玉米熱量需要[4]，因此研究界限溫度10℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)及活動積溫的時空變化特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。目前已有較多研究。

劉勤等[3]利用黃河流域109個氣象站點40年的氣溫資料和中國高程模型，對該流域≥10℃積溫的時空變化進行了研究，指出黃河流域≥10℃的積溫呈升高趨勢。近50年來秦嶺地區(qū)≥10℃初日呈提早趨勢，終日呈推遲趨勢，持續(xù)日數(shù)和積溫呈增多趨勢[5]。1970—2012年間山東省濟寧地區(qū)≥10℃的活動積溫及持續(xù)日數(shù)均呈增多趨勢[6]。山東省近50年來（1961—2010年）界限溫度10℃的積溫和持續(xù)時間均呈現(xiàn)顯著增多趨勢[7]。界限溫度的起始日期、持續(xù)時間和積溫與海拔、經(jīng)度和緯度等地理因素密切相關(guān)，基于其相關(guān)性構(gòu)建多元線性回歸模型來計算與柵格點界限溫度相關(guān)的氣象要素，再利用已知氣象站點的實測值與模擬值的差值進行空間插值，最終完成界限溫度相關(guān)氣象要素的空間插值，得到較好的效果[3，4，8]。雖已有山東省≥10℃積溫及持續(xù)時間等的時空變化方面的研究報道，但鮮有報道考慮經(jīng)度、緯度和海拔等因素對山東省≥10℃的初日、終日、持續(xù)時間及活動積溫影響的研究。

本研究利用山東省內(nèi)（17個）及其周邊（12個）共29個氣象站1961—2015年的氣溫資料和DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，通過混合插值法（回歸分析計算+殘差插值）和線性傾向估計法對山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫的時空變化特征進行分析，為≥10℃熱量資源的合理有效利用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整等提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于我國東部沿海，黃河下游，是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。山東省屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量集中，四季分明。

1.2 數(shù)據(jù)來源

從國家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心選取山東省境內(nèi)17個及其周邊12個氣象站（圖1）1961—2015年的逐日氣溫數(shù)據(jù)。山東省及其周邊的DEM數(shù)據(jù)來自于美國航天飛機雷達地形測繪任務（STRM）全球90 m分辨率的數(shù)字高程影像資料，其空間分辨率為90 m。為了提高運算速率，對原圖像進行重采樣獲得180 m分辨率的DEM。

1.3 研究方法

1.3.1 界限溫度10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫的計算 利用5日滑動平均法計算山東省境內(nèi)及其周邊共29個氣象站點1961—2015年界限溫度10℃的初日、終日，并計算初日至終日的持續(xù)日數(shù)和活動積溫。

1.3.2 線性傾向估計 用xi表示樣本量為n的某一氣象要素，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[9]：

i=a+bti， i=1，2，…，n 。（1）

式中：i為某一氣象要素的擬合值，ti為時間序列;回歸常數(shù)a和回歸系數(shù)b用最小二乘法進行估計?；貧w系數(shù)b的符號表示氣象要素x的傾向趨勢?；貧w系數(shù)b大于零，說明該氣象要素隨時間t的增加呈上升趨勢;當b小于零，則說明隨時間t的增加呈下降趨勢。氣候傾向率定義為b×10，其含義為氣象要素每10年的變化速率。氣象要素變化趨勢的程度是否顯著，可以對氣象要素x與時間t之間的相關(guān)系數(shù)r進行顯著性檢驗。確定顯著性水平α，若|r|>rα，表明氣象要素隨時間的變化趨勢顯著，若|r|

用上述方法分別計算山東省17個氣象站點≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫近55年來的變化趨勢，并對其變化趨勢進行顯著性檢驗。

1.3.3 柵格化方法 本研究利用混合插值法，即“回歸分析計算+殘差插值”柵格化方法分別對≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫等熱量指標進行空間插值。具體為：將氣象站點≥10℃相關(guān)的熱量指標，即≥10℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫，分別設為輸出變量，以氣象站點的緯度、經(jīng)度和海拔為輸入變量，擬合上述4個熱量指標的多元線性回歸方程，通過回歸方程分別計算4個熱量指標每個柵格點的數(shù)值，獲取這4個熱量指標的柵格化空間分布;柵格面上的氣象站點熱量指標模擬值與實測值不一致，其差值即為殘差，對各氣象站點4個熱量指標的殘差進行空間插值，通過柵格運算獲得其柵格化數(shù)據(jù)，即空間分布圖。≥10℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫均存在較大的年際變化，因此在構(gòu)建基于經(jīng)度、緯度和海拔的多元回歸方程時，均采用了80%保證率的分位數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫的空間分布

山東省17個氣象站點≥10℃的初日平均為4月13日，最早的氣象站點為荷澤、兗州和濟南，其初日為4月7日;最晚的氣象站點為膠東半島的威海，為4月22日。從空間分布（圖2a）可以看出，山東省≥10℃初日較早的為山東省西部地區(qū)，包括荷澤、濟寧、德州和濟南等地的大部分區(qū)域，其≥10℃初日為4月7日—4月11日;由此向東向北，≥10℃的初日逐漸滯后，膠東半島大部分區(qū)域的初日在4月15日以后，膠東半島北部地區(qū)最晚，其≥10℃的初日在4月21日以后。

山東省17個氣象站點≥10℃的終日平均為10月26日，最早的站點為沂源， 在10月20日，最晚的站點為臨沂和威海，在10月29日。從空間分布（圖2b）可以看出，山東省中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)≥10℃的終日較早，在10月5日—10月21日之間;南部和沿海地區(qū)≥10℃的終日較晚，均在10月28日以后，其中，濟南北部和東部沿海地區(qū)（臨沂、日照、青島和威海等地）的終日最晚。

山東省17個氣象站點≥10℃的持續(xù)日數(shù)平均為196 d，其中，龍口的持續(xù)日數(shù)最短，為190 d;荷澤的持續(xù)日數(shù)最長，為204 d。從空間分布（圖3a）來看，山東省中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)的持續(xù)日數(shù)較短，為196～210 d;持續(xù)日數(shù)最長的區(qū)域為山東省南部及濟南的西部和北部地區(qū)，為221～227 d;膠東半島除青島市及膠州灣周邊地區(qū)外，其余地區(qū)的持續(xù)日數(shù)均小于214 d。

山東省17個氣象站點≥10℃的活動積溫平均為4 164 ℃·d，濟南的積溫值最大，為4 651.4 ℃·d;海陽的最小，為3 799.4 ℃·d。從空間分布（圖3b）可以看出，山東省西南區(qū)域，包括荷澤、濟寧、棗莊的西部和濟南、德州等地區(qū)的交接區(qū)域，活動積溫值較高，超過4 400 ℃·d;≥10℃活動積溫值較低的區(qū)域為膠東半島中部高海拔地區(qū)、膠東半島東北端和中部山區(qū)，活動積溫值小于3 900 ℃·d。

2.2 山東省≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫時間序列的變化趨勢

利用線性傾向估計方法對山東省17個氣象站點1961—2015年≥10℃初日、終日、持續(xù)日數(shù)和活動積溫的變化趨勢進行分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯綎|省17個氣象站點≥10℃初日平均氣候傾向率為-1.38 d/10a，均呈提前趨勢，其中，龍口的提前幅度最大，為-2.53 d/10a;濰坊的提前幅度最小，為-0.50 d/10a。從空間分布來看，離海較近氣象站點的提前幅度普遍較高，如龍口、日照、青島、煙臺、臨沂、威海、東營等氣象站點的氣候傾向率均大于1.25 d/10a，且除東營站點外，均達到顯著水平;而位于內(nèi)陸地區(qū)的氣象站點，如濟南、濰坊、德州、荷澤、莒縣、莘縣、沂源和兗州等，其氣候傾向率則小于1.25 d/10a，提前幅度較小，且均未達顯著水平。

17個氣象站點≥10℃終日的平均氣候傾向率為0.74 d/10a，總體呈推遲趨勢。其中，除煙臺呈提前趨勢外，其余16個氣象站點均呈推遲趨勢，推遲幅度最大的氣象站點為莒縣，氣候傾向率為1.85 d/10a，其次為海陽、惠民、沂源、龍口，均達到了顯著或極顯著水平;推遲幅度最小的氣象站點為青島，氣候傾向率僅為0.06 d/10a。

山東省17個氣象站點≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈顯著增加趨勢，17個氣象站點的平均氣候傾向率為2.12 d/10a，增加幅度最大的氣象站點為龍口，其傾向率為3.73 d/10a;增加幅度最小的站點為煙臺，其氣候傾向率為0.98 d/10a?；菝?、龍口、海陽、沂源、莒縣和日照6個氣象站點的變化達到極顯著水平。

山東省17個氣象站點≥10℃活動積溫也均呈上升趨勢，其平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a，其中，增加速度最快的氣象站點為龍口，其氣候傾向率為129.80 ℃·d/10a;增加速度最慢的氣象站點為荷澤，僅為28.90 ℃·d/10a。龍口、海陽、日照、莒縣、威海、東營、臨沂、青島、沂源、惠民、濰坊11個氣象站點的變化達到了極顯著水平。從空間分布來看，除煙臺外，離海較近的氣象站點，如龍口、海陽、日照、莒縣、威海、東營、臨沂和青島≥10℃活動積溫的氣候傾向率較大，而離海較遠氣象站點≥10℃活動積溫的氣候傾向率普遍較小。

距平主要反映某一氣象要素在整體平均值線上的年際波動，圖6為1961—2015年間山東省17個氣象站點≥10℃熱量資源指標平均值的距平變化?？梢钥闯觯?996年以前≥10℃初日的距平值中大于零的年份多于小于零的年份，而1997年以后則相反，即距平值中小于零的年份明顯多于大于零的年份，兩個時間段的距平值分別平均為1.82和-3.44?！?0℃終日距平的變化，1961—1996年間距平平均值小于零的居多，其平均值為-0.82;而1997—2015年間則相反，其平均值為1.56?！?0℃持續(xù)日數(shù)和≥10℃活動積溫的距平變化比≥10℃初日和終日更為明顯，即1961—1996年間≥10℃持續(xù)日數(shù)和≥10℃活動積溫的距平中小于零的年份明顯多于大于零的年份，兩者的距平平均值分別為-2.64和-77.74;而1997—2015年間兩者的距平多大于零，距平平均值分別為5.0和147.29。

綜合山東省≥10℃熱量資源指標距平變化的分析結(jié)果可以看出，從1997年開始≥10℃初日明顯提早，1997—2015年間山東省17個氣象站點平均為4月4日，比1961—1996年的平均日期提早了5 d;1997—2015年間≥10℃終日平均為11月4日，較1961—1996年推遲了3 d;1997—2015年間≥10℃持續(xù)時間為214 d，較1961—1996年間增加了8 d;1997—2015年間≥10℃活動積溫平均值為4478.9 ℃·d，較1961—1996年間的平均活動積溫增加了225.0 ℃·d。

3 討論與結(jié)論

（1）山東省≥10℃初日的空間分布呈現(xiàn)西部早、向東向北逐漸滯后的特征?！?0℃終日呈現(xiàn)中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)早、南部和沿海地區(qū)晚的特征?！?0℃持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)南部地區(qū)及濟南的西部和北部長、中部山區(qū)和膠東半島高海拔地區(qū)短的特征。≥10℃活動積溫呈西南地區(qū)高、中部山區(qū)和膠東半島中北部低的特征。

（2）1961—2015年間，山東省17個氣象站點≥10℃初日均呈現(xiàn)提前趨勢，平均氣候傾向率為-1.38 d/10a;除龍口、煙臺、威海、海陽、青島和日照6個地處沿海的站點外，其它站點的提前趨勢均未達到顯著水平。17個氣象站點≥10℃終日的變化，除煙臺外，均呈推遲趨勢，17個站點平均氣候傾向率為0.74 d/10a;除惠民、沂源、莒縣、龍口和海陽5個站點的變化達到顯著水平外，其余站點的變化均未達到顯著水平。17個氣象站點≥10℃持續(xù)日數(shù)均呈增大趨勢，平均氣候傾向率為2.12 d/10a，且均通過了顯著性水平檢驗。17個氣象站≥10℃的積溫均呈現(xiàn)增大趨勢，平均氣候傾向率為63.10 ℃·d/10a，且除濟南外均達到顯著水平。

在全球氣候變暖的背景下，我國近50年來地表年平均氣溫明顯升高，比同期全球或北半球增溫速率大[10]。從1951年到2001年間，我國冬、春、秋、夏季平均氣溫分別上升了1.8、1.2、1.0、0.6℃[10]，影響了≥10℃熱量資源指標，如初日、終日、持續(xù)時間、積溫的變化。本研究結(jié)果表明，山東省1961—2015年間≥10℃初日呈提前趨勢，≥10℃終日呈推遲趨勢，≥10℃持續(xù)時間和活動積溫（除濟南站點）顯著增加。

從山東省的種植結(jié)構(gòu)來看，夏玉米生長期正好處于≥10℃持續(xù)時間范圍內(nèi)，該期間≥10℃的持續(xù)時間及積溫增加可為夏玉米生長提供更多的熱量資源。山東省大部分地區(qū)≥10℃終日出現(xiàn)時間為10月25日以后，≥15℃終日80%保證率的分位數(shù)平均值為10月6日（崔天麗等，尚未發(fā)表），且均呈推遲趨勢。但山東省現(xiàn)行的夏玉米收獲期一般為9月下旬或10月初，此時不僅夏玉米籽粒還未完全成熟，而且山東省大部分地區(qū)的氣溫仍然高于15℃，這也意味著現(xiàn)行種植制度下夏玉米收獲后一段時間內(nèi)的熱量資源和光能資源未能被利用，因此，在不影響小麥冬前長勢的前提下，適當晚收夏玉米是有效利用這一時期光熱能資源的一種途徑。付雪麗[11]和周寶元[12]等的研究表明，在黃淮海地區(qū)夏玉米推遲10～15 d收獲、冬小麥推遲至10月20日左右播種的“雙晚”種植模式下，冬小麥產(chǎn)量沒有顯著差異，但夏玉米卻顯著增產(chǎn)，這為氣候逐漸變暖背景下有效調(diào)節(jié)黃淮海地區(qū)光熱資源配置，提高該地區(qū)光熱資源利用效率，實現(xiàn)冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)提出了新的技術(shù)途徑。

參 考 文 獻：

[1] 錢鳳魁，王文濤，劉燕華. 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應對氣候變化的適應措施與對策[J]. 中國人口·資源與環(huán)境，2014，24（5）：19-24.

[2] 段若溪，姜會飛. 農(nóng)業(yè)氣象學[M].北京：氣象出版社，2013：74-76.

[3] 劉勤，嚴昌榮，何文清，等. 黃河流域近40a積溫動態(tài)變化研究[J]. 自然資源學報，2009，24（1）：147-153.

[4] 楊錦忠，崔福柱，郝建平，等. 基于GIS的山西省玉米熱量資源精細區(qū)劃[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學，2014，42（1）：33-38.

[5] 高蓓，鄒繼業(yè)，劉瑞芳. 氣候變暖背景下秦嶺地區(qū)≥10℃熱量的時空變化[J]. 中國農(nóng)學通報，2016，32（2）：155-166.

[6] 李春光，郭紅艷，馬登超，等. 濟寧地區(qū)1970—2012年熱量資源變化特征及其對作物生長的影響[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2015，47（1）：100-104.

[7] 高燕軍，韓榮青，趙明華，等. 近50年來山東省農(nóng)業(yè)熱量資源時空變化分析[J]. 大麥與谷類作物，2017，34（2）：1-9.

[8] 王麗，王培法，劉愛利，等. 基于DEM的江蘇氣溫空間插值研究[J]. 南京信息工程大學學報（自然科學版），2015，7（1）：79-85.

[9] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術(shù)[M]. 北京：氣象出版社，2007：37-41.

[10] 任國玉，郭軍，徐銘志，等. 近50年中國地面氣候變化基本特征[J]. 氣象學報，2005，63（6）：942-956.

[11] 付雪麗，張惠，賈繼增，等. 冬小麥-夏玉米“雙晚”種植模式的產(chǎn)量形成及資源效率研究[J]. 作物學報，2009，35（9）：1708-1714.

[12] 周寶元，王志敏，岳陽，等. 冬小麥-夏玉米與雙季玉米種植模式產(chǎn)量及光溫資源利用特征比較[J]. 作物學報，2015，41（9）：1393-1405.