基于ArcGIS的黑龙江省活动积温空间插值与计算

杨凤海，杨凤江，苏 琦，李 昀，沈能展

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.美溪林业局营林处，黑龙江 伊春 153021）

有很多学者做过黑龙江省的气温变化相关研究[1-2]，探讨了全省多年来气温变化规律，反映了全省年、月气温的长期变化程度与趋势。这些研究大都采用反距离权重（IDW）、样条函数等方法对气温进行插值[3-5]，但对与农业生产关系密切的旬气温和积温以及快速、高效监测和分析中短期气温变化方面的研究较少。文章以ArcGIS（美国ESRI公司研发的GIS软件）为支撑，通过1997～2006年10年间气象站点的旬平均气温数据，插值全省1 km×1 km的旬平均气温栅格数据，并计算全省≥0℃和≥10℃旬、月和年积温表面，插补了旬平均气温和不同时间序列区域空间积温数据的不足，同时，反映了全省气温和积温的空间分异。研究了气温变化，尤其是旬平均气温和积温的变化[6]，可以及时把握气候、物候的波动与变化，对农业生产中作物布局与耕作管理、气候区划、种植制度的调整、作物品种的选择与改良，以及对作物产量和生产潜力等相关研究都有较大的作用和支撑[7-8]。

1 研究区概况

黑龙江省位于东经 121°11′～135°05′，北纬43°25′～53°33′，土地面积 45.26 万 km2。境内自西北至东南分布有大小兴安岭、张广才岭、完达山脉，海拔500～1 400 m，是温度、降水的界线。江河湖泊众多，主要有黑龙江、乌苏里江、松花江、嫩江、绥芬河五大水系和兴凯湖、镜泊湖、五大连池等湖泊。中西部的松嫩平原和东北部的三江平原，平均海拔50～200 m。

黑龙江省气候为温带大陆性季风气候。从1961～1990年30年的平均状况看，全省年平均气温多-5～5℃，≥10℃积温1 800～2 800℃，年降水量全省多介于400～650 mm，全省年日照时数多在2 400～2 800 h。13～27旬（5～9月）是玉米、大豆等主要作物生长季。全省气象站点分布及行政区划见图1。

图1 黑龙江省气象站点及行政区划分布Fig.1 Distribution of weather stations and administrative divisons in Heilongjiang Province

2 数据来源及处理

气温数据采用黑龙江省气象部门1997～2006年全省80余个气象观测站点旬平均气温数据，全省行政区划采用黑龙江省土地利用总体规划中相应图件。

将从气象部门收集的ASCII码格式站点旬平均气温数据导入Excel中，完成分类汇总等计算，并导出dbf表格数据，在ArcMap中与站点位置连接。气温数据中有个别站点的个别年、旬的气温数据没有观测值，如果忽略这些数据可能会影响10年旬平均气温计算的结果和精度，因此，利用ArcGIS地统计分析软件（Geostatistical Analyst）的空间插值功能[9]，将这些缺失的数据在精度最大化的情况下加以补充，在此基础上计算了各站点旬平均气温值。

3 旬平均气温插值与旬积温计算

ArcGIS具有强大的空间数据采集、处理、分析等功能，同时具有地统计分析扩展功能，可在科学研究中作为空间地理要素（如气候要素中的气温）插值的重要工具。旬平均气温空间插值是以ArcGIS 9.2为支撑，以气象站点的旬平均气温为样点数据，利用地统计分析（Geostatistical Analyst）中的径向基函数（Radial Basis Function）方法[9]，将黑龙江省的旬平均气温进行空间网格化插值，得到近10年黑龙江省1 km×1 km网格旬平均气温数据及空间分布特征。

3.1 旬平均气温的插值

ArcGIS Geostatistical Analyst中，选择径向基（Radial Basis Function）插值方法，可以获得令人较满意的结果。再将这些图层导出为像素（Pixels）大小为1 km×1 km的栅格表面数据（Grid）[10]。插值结果交叉验证数据见表1。均误差（Mean Error）在0.0158～0.0961℃，平均为0.0562℃，标准差为0.0183℃；均方根误差（Root-Mean-Square Error）在0.553～1.267℃，平均为0.765℃，标准差为0.208℃。由插值结果统计数据可知（见表2），年初的1～8旬和年末的29～36旬全省各地区旬平均气温较差、标准差和变异系数较大，而作物生长季的13～27旬则相对较小；从气温的变幅和变异系数看，春夏之交的6～11旬和秋冬之交的28～33旬平均气温波动变化明显较大，作物生长季内则明显较小。由于第30旬的平均气温较小为0.1℃（接近于0℃），旬平均气温较差较大为10.9℃，故较差与均值的比值（变幅）与其他旬相比就显得非常大，这说明该旬的平均气温波动变化大而突显。

表1 黑龙江省1997～2006年旬平均气温插值结果交叉验证Table1 Cross validation of interpolation error of average air temperature per 10-day in Heilongjiang Province during 1997-2006(℃)

表2 黑龙江省10年旬平均气温插值统计Table2 Statistic results of average 10-day air temperature interpolation of Heilongjiang Province in 10 years (℃)

3.2 旬活动积温计算

通过ArcGIS的空间分析功能，先从前面插值生成的旬平均数据中按条件（Condition）提取≥0℃和≥10℃的旬平均气温分布数据[10]，再利用地图代数（Math）运算，将提取的结果乘以10（每旬为10 d），即可得到各旬≥0℃和≥10℃的活动积温（考虑黑龙江省作物生长季在13～17旬，文中只给出这一期间的活动积温，其他旬略）。由表3可知，对于所有1 km×1 km大小的单元，作物生长季初期和末期波动变化较大，中期相对较小。≥0℃旬活动积温变幅在26.8%～84.0%之间，平均为45.0%，变异系数在0.06～0.19之间，平均为0.10；≥10℃旬活动积温变幅在26.8%～56.6%之间，平均为37.5%，变异系数在0.06～0.14之间，平均为0.08。由此可知，≥10℃旬活动积温波动变化要比≥0℃旬活动积温稍小。

表3 13～27旬≥0℃和≥10℃的活动积温Table3 Active accumulated temperature≥0℃and≥10℃between the 13th and 27th 10-day period (℃)

3.3 月活动积温计算

以≥0℃旬积温计算结果为基础，按如下公式，利用 ArcGIS叠加（Overlay）求和（Sum）功能[10]，计算5～9月≥0℃和≥10℃积温值（其他月份积温计算类似，此略），结果见表4。

式中，R为（旬/月）积温，m代表月，x代表旬，下标的数字相应地代表月次和旬次。

由表4可知，对于所有1 km×1 km单元，5月和9月全省活动积温波动变化较大，7月最小。≥0℃活动积温在205.0～753.9℃，7月全省平均为679.2℃；≥10℃活动积温在0～753.9℃。7月份≥0℃和≥10℃活动积温变幅均为27.4%，变异系数均为0.06。

3.4 年积温计算

利用ArcGIS的权重叠加求和工具，将上述各月的积温求和，得到年积温分布数据，结果见图2。

根据计算的年积温表面数据，在ArcGIS中，按1 km×1 km像元进行统计，全省≥0℃年积温在2 028～3 522℃之间，均值和方差分别为2 966和358℃；≥10℃年积温在1 616～3 260℃之间，均值和方差分别为2 653℃和361℃。

表4 5～9月≥0℃和≥10℃的活动积温Table4 Active accumulated temperature≥0℃and≥10℃between May and September

图2 年活动积温表面Fig.2 Surface of annual active accumulated temperature

利用全省行政区划图和土地利用区域图去裁剪年积温空间表面，并进行统计分析，可看出，从土地利用区域来看，三江平原和松嫩平原地区和张广才岭老爷岭地区积温较大，大、小兴安岭地区相对较小。≥0℃年积温波动变异程度从高到低的顺序为：松嫩平原农牧区>大兴安岭山地林业生态区>小兴安岭山地林农区>三江平原农林牧综合区>张广才岭老爷岭山地丘陵农林生态区，其中，松嫩平原农牧区最大，变幅和变异系数分别为30.6%和0.07，张广才岭老爷岭山地丘陵农林生态区年积温波动变异最小，变幅和变异系数分别为16.8%和0.02；≥10℃年积温波动变异程度从高到低的顺序为：大兴安岭山地林业生态区>松嫩平原农牧区>小兴安岭山地林农区>张广才岭老爷岭山地丘陵农林生态区>三江平原农林牧综合区，大兴安岭山地林业生态区最大，变幅和变异系数分别为42.6%和0.06，三江平原农林牧综合区最小，变幅和变异系数分别为23.1%和0.03，其他地区尤其是松嫩平原农牧区的分异较大。从行政区划上看，七台河、鸡西、佳木斯、大庆、双鸭山等地≥0℃年积温波动变异程度较低，大兴安岭、伊春、齐齐哈尔等地波动变异程度较高；七台河、佳木斯、大庆、鸡西等地≥10℃年积温波动变异程度较低，大兴安岭、伊春、齐齐哈尔、绥化等地波动变异程度较高。≥10℃积温区域空间变异统计见图3。

图3 ≥10℃年积温区域空间变异Fig.3 Spatial variation of annual accumulated temperature surface≥10℃

4 讨论与结论

文章以ArcGIS及其地统计分析为支撑，利用径向基函数，较高精度地插值出全省1 km×1 km网格的旬平均气温空间分布数据，36个旬插值结果的均误差、均方根误差的平均数分别为0.0562和0.765℃。以旬平均气温插值结果为基础，计算出全省旬、月和年≥0℃和≥10℃的活动积温及其分布数据，可以看出，积温高低分布与海拔高度和地形条件等关系密切，从西南、南、东南、中部一直到西北，积温是从高到低的变化趋势，积温值与已往多年积温数据相比有一定升高。

本研究成果若进一步考虑海拔、坡度、坡向、水体等影响温度分布的因素[11-12]，进行插值修正，将会得到更加准确的积温数据。将本研究得出的积温数据与光照、降水、土壤等相关研究成果相结合，会对作物气候区划、种植制度调整、农作物产量预测等起到空间信息技术支撑作用。

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