河南省近50年来活动积温时空变化特征

冯晓玙　陈小素河南理工大学测绘与国土信息工程学院



河南省近50年来活动积温时空变化特征

冯晓玙陈小素
河南理工大学测绘与国土信息工程学院

[摘要]气候变化是全球环境变化的核心内容，其中活动积温是众多气候因子中的一个重要指标，特别是≥10℃活动积温与植被演替、农作物生长关系密切，对区域生态状况和粮食生产安全具有决定性作用。根据河南省17个地区基本或基准气象站点1960～2008年逐日平均气温，采用5日滑动平均法求得起止日期，计算出日气温稳定通过≥10℃持续时段内的积温数值，利用ArcGIS13.0平台分析并展示其变化趋势和特征。结果表明：（1）多年均值空间格局上，豫南地区最大、豫西地区最小；（2）空间变化格局上，绝大部分地区以增大趋势为主，但其变化程度区域差异不显著；（3）4个时段比较上，以1990～1999年呈现减少趋势及区域差异性强与2000～2008年表现的增大趋势及区域差异性弱的对比为最大特征。

[关键词]活动积温GIS空间分析时空格局河南省

气候变化是全球环境变化的核心和主要内容。科学研究表明，近百年来地球正经历着一次以气温变暖为主要特征的显著变化[1]。其中，活动积温是一个重要的气候因子，是农作物生长发育不可缺少的条件。活动积温是指大于等于10℃持续期内的日平均气温累加起来得到的气温总和。由于当日平均气温稳定上升到10℃以上时，大多数农作物才能活跃生长，喜温作物开始生长、喜凉作物积极生长，此期间内的热量资源直接影响春播作物的生长[2]。因此活动积温反映了一个地方气候对农作物所能提供的热量条件，是评价农业气候资源最重要、最普遍的指标，常用来估算某一地区的热量资源和反映品种的生育特性，与农作物生长发育关系最为密切，对农业发展和粮食安全十分重要[3]。

年活动积温受经度、纬度、海拔高度和大地构造地貌单元的影响，有较为明显的区域空间差异，尤其是在全球气候变暖的大背景下，分析研究≥10℃积温的时空变化，不仅有助于进一步认识热量空间分布和年际变化，而且对于作物及其品种的合理布局、气候资源的合理开发和充分利用等均有直接的实际意义。张钟月等基于西天山地区17个站点1961～2001年的气象资料，通过建立数学模型研究了其区域活动积温的时空变化特征[4]；刘志雄等根据湖北省20个气象台站1961～2005年逐日平均气温，计算并分析了历年活动积温及其变化趋势，得出空间上的大部分地区显著增加趋势、时间上的波动现象[5]；刘志娟等基于66个气象台站1961～2007年间的气候资料，比较分析了中国黄淮海平原半湿润暖温小麦-玉米两熟农区内以活动积温的农业气候资源的时空变化特征，得出结论1961～1980年和1981～2007年2个时段对比显著[6]；刘洋等利用东北地区89个气象站的逐日地面气候观测资料，采用气象气候倾斜率、MK检验等气候统计诊断方法，分析了54年来东北地区35万平方公里热量资源要素的变化规律[7]。但作为中国农业大省、粮食大省之称的河南省，其时空变化特征还没有系统开展，因此本研究以河南省17个国家基准或基本气象站1960～2008年间的逐年活动积温数据，应用气候气象倾斜率、线性回归模型和ArcGIS13.0的空间分析模块进行定量精准表达和地理分析，以期为河南省农业生产布局和结构调整提供指导。

一、数据来源及方法

1.数据来源

本研究数据均来源于中国气象局国家气候中心，研究时段选择1960～2008年，因为这一时段内河南省所有的17个基本或基准气象台站均没有数据缺失现象；同时，台站空间分布位置相对较为均匀，满足空间插值基本条件；依据地理意义，河南省区域划分为东西南北中五个地区，即豫东包括开封、商丘、周口3市，豫西包括洛阳、三门峡、平顶山3市，豫南包括南阳、驻马店和信阳3市，豫北包括安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁和济源6市，豫中则包括郑州、许昌和漯河3市，共计18个地级市。其基本信息见表1。

表1　河南省17气象台站基本信息及活动积温数据

2.研究方法

（1）稳定通过界限温度起止日期的确定。采用办公软件Excel的5日滑动平均法求算活动积温起止日期，气温≥10℃（稳定通过）持续日数的积温数值[8]。

（2）气候倾斜率。在计算变化趋势时，采用最小二乘法，计算样本与时间t(a)的线性回归系数（a）。各要素的变化可用一次线性方程表示[9]。

图1　河南省近50年≥10℃活动积温均值

图2　河南省近50年≥10℃活动积温年际变化率均值

(3)数据处理。采用反距离插值方法（inverse distance interpolation，IDW）对气象数据进行插值，本研究设定的Cell size参数均为0.005，基于ArcGIS13.0平台生成空间栅格数据。

二、结果与分析

本研究主要从多年活动积温空间格局、近50年年际变化和代际变化三个方面反映研究区时空变化特征。

1.多年活动积温空间格局

从图1和表1可以看出，河南省17个站点从1960～2008年≥10℃的活动积温均值一般在4300℃～ 4500℃，平均数值为4305.25℃。固始数值最高，为4609.09℃；相对地，信阳（4539.05℃）、驻马店（4513.31℃）和南阳（4500.15℃）三个气象站也较高。亦即河南省17个气象站中≥10℃活动积温高于4500℃的所有4个站点均分布在豫南地区。栾川最低（3515.14℃），卢氏（3728.31℃）和三门峡（4202.18℃）也都较小，亦即河南省17个气象站中≥10℃活动积温低于4300℃的所有3个站点均分布在豫西地区。因此，≥10℃活动积温高值区分布在豫南，低值区均分布在豫西。

2.近50年活动积温年际变化

从图2的河南省近50年≥10℃活动积温年际变化率均值可以看出，所有地区的变化率均值均为正值，表明所有地区≥10℃活动积温都呈增长趋势；但幅度很小，一般小于0.45％，仅有三门峡、栾川、郑州、开封、信阳五个站点的变化率高于0.45％，分别位于豫西、豫中、豫东和豫南四个区域，亦即区域分异不显著。因此，河南省1960～2008年间≥10℃活动积温年际变化均为增长趋势，但其变化率的区域分异不显著。

3.近50年活动积温代际变化

图3　河南省近50年来≥10℃活动积温代际变化率空间格局

以1960～1969年≥10℃活动积温年均值为基础，在已知1970～1979年的活动积温年均值的情况下，计算出每个气象站点的1970～1979年的活动积温代际变化率；以此类推，计算出1980～1989年、1990～1999年、2000～2008年三个时段的活动积温代际变化率。下面分述上世纪70年代、80年代、90年代和本世纪初的活动积温代际变化时空格局特征研究。基于ArcGIS13.0平台生成的空间内插图形见图3。

（1）上世纪70年代。从图3A可以看出，河南省17个站点1970～1979年≥10℃活动积温的变化以增大为主。表现增大趋势的气象站点中，安阳、信阳、三门峡变化率较大，超过了2％；表现减小趋势的气象站点中，位于豫西地区的栾川变化率较大，其绝对值大于3％。其它站点的代际变化率相对均较小，仅为-1％～2％。总之，河南省上世纪70年代的活动积温相对于60年代，其变化趋势以增长为主，但区域差异相对较小。

（2）上世纪80年代。图3B展现的河南省1980～ 1989年≥10℃年活动积温代际变化率一般也在-1～ 2％之间，其中呈现增加趋势的栾川（1.57％）和宝丰（1.91％）两个站的变化率较高，呈现减少趋势的安阳和信阳两个站点变化率绝对值也相对较高了些，分别为-2.81％和-1.07％。总之，上世纪80年代≥10℃活动积温变化趋势还是以增加为主，且区域差异更小。

（3）上世纪90年代。相对于1980～1989年，河南省1990～1999年≥10℃活动积温代际变化表现出明显减小趋势，17站点代际变化率平均为-0.23％，四个代际变化率中唯一负值，这一点可以由图3C清晰得到。在17个气象站点中，新乡（-1.69％）、卢氏（-1.49％）、宝丰（-1.47％）、孟津（-1.13％）、南阳（-1.12％）、驻马店（-1.11％）、固始（-1.08％）、许昌（-0.82％）等8个站点的代际变化率均为负值，而且平均值绝对值也较高，为1.24％；而其它9个站点的代际变化率平均值的绝对值却仅有0.67％。同时，区域分异也较为明显，豫西、豫南以减少为主，而豫东则还以增加为主。

（4）本世纪初。进入21世纪以来，河南省整体区域≥10℃活动积温则均以强势的增加趋势为特征，尤以豫南和豫中地区最显著（图3D）。2000～2008年间，17个气象站点的代际变化率均值为2.83％，其中11个站点的代际变化率高于1％，特别是郑州、开封、西峡、西华、信阳5站点的代际变化率大于5％，5站点分别属于豫中、豫东和豫南。

总之，相对地，4个时段中的1990～1999年代际活动积温总体呈现减小趋势，区域分异显著；而其它三个时段代际活动积温总体表现为增大趋势，区域分异不明显。

三、主要结论

本研究以河南省17个国家基本或基准气象台站的1960～2008年间长时间序列的逐日气温数据为基础，基于ArcGIS13.0平台采用反距离空间插值方法，研究了≥10℃活动积温的时空格局特征，其主要结论如下：

1.河南省大部分地区的近50年活动积温均值多在4300～4500℃之间，以豫南较大、豫西较小为区域分异特征。

2.河南省近50年活动积温年际变化均值均以增长趋势为主，但区域分异不显著。

3.四个时段中，1990～1999年代际活动积温呈现减小趋势，区域分异显著；而其它三个时段代际活动积温总体表现为增长趋势，区域分异不明显。

参考文献：

[1]秦大河，丁一汇，苏纪兰等.中国气候与环境演变[M].北京：科学出版社，2005:41-49.

[2]安昕，孟鹏，廖国进等.沈阳市近50 a 10℃活动积温变化特征分析[J].气象科学，2011，31：146-148.

[3]朱宝，孙佳丽，胡荣辰等.1961-2010年盐城市气候变化及其对农业的影响[J].江苏农业科学，2012，40 （7）：309-312.

[4]张钟月，师庆东，单勇等.新疆西天山≥10℃积温时空变化特征分析[J].新疆农业科学，2007，44（2）：235-238.

[5]刘志雄，陈正洪，万素琴.湖北省近45年≥10℃界限温度的变化特征分析[J].湖北农业科学，2010，49 （6）：1349-1352.

[6]刘志娟，杨晓光，王文峰.气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅳ.黄淮海平原半湿润暖温麦-玉两熟灌溉农区农业气候资源时空变化特征[J].应用生态学报，2011，22（4）：905-912.

[7]刘洋，王占海，姜文来等.1956～2009年东北地区热量资源时空变化特征分析[J].中国农业资源与区划，2013，34（2）：12-19.

[8]高绍凤，陈万隆，朱超群等.应用气候学[M].北京:气象出版社，100-105.

[9]沈瑱，曾燕，肖卉等.江苏省日照时数的气候特征分析[J].气象科学，2007，27（4）：425-429.

[基金项目]国家自然科学基金项目（41371105）