近50年来山东省农业热量资源时空变化分析

高燕军，韩荣青，赵明华，李晓彤，王晓东，张艳红

（山东师范大学 地理与环境学院，山东济南250014）

近50年来山东省农业热量资源时空变化分析

高燕军，韩荣青*，赵明华，李晓彤，王晓东，张艳红

（山东师范大学 地理与环境学院，山东济南250014）

高燕军,韩荣青,赵明华,李晓彤,王晓东,张艳红.近50年来山东省农业热量资源时空变化分析[J/OL].大麦与谷类科学,2017,34(2): 10-19[2017-03-28].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170328.1642.004.html

以1961—2010年山东省境内23个中国地面国际交换站逐日气象数据为基础，运用GIS技术、气候倾向率分析法、Mann -Kendall突变分析法、Morlet小波分析法等方法，研究≥0℃、≥10℃界限下积温和持续日数4种要素的时空变化特征。结果表明：各界限积温、持续日数均表现出显著增多趋势；除≥10℃界限下持续日数在1970年代发生突变，其他要素均在1980年代后期发生突变；各要素呈现不同的周期性。在空间上，各要素均呈现东北低、西南高的特点，存在地带性和非地带性的空间分异规律；年代际均值大致从鲁西北至半岛地区逐步提高，除≥10℃持续日数从1970年代变化明显，其他要素从1990年代变化明显。

农业热量资源；积温；持续日数；时空变化

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告指出，过去 100多年来（1880—2012年），全球地表平均温度升高大约0.85℃，2003—2012年平均温度比1850—1900年平均温度上升0.78℃[1]。温度的上升会造成相应热量资源要素的变化[2]，而热量资源要素变化会进一步使农业种植制度和种植方式发生改变[3-4]，同时诱发极端气候事件，对农业生产影响严重[5]，危及粮食产量及粮食安全。

农业热量资源是农业生产的重要基础资源之一，包括积温、初日终日、持续日数等要素。农业热量资源的各气象要素变化组合形成了不同的热量资源类型，决定了农业生产的结构和布局、农作物的种植制度和种植方式、粮食生产潜力的大小、水利工程设施的建设等方面[6]。目前，国内外学者对农业热量资源在不同空间尺度上的变化做了大量研究[7-8]。空间尺度上有针对我国的华北[9]、华南[10]、东北[11]、青藏高原[12]等地理大区的分析，以及从各省市角度的研究[13-14]，均得到热量增加的结论，同时表明北方地区增温趋势较南方明显。

山东省地处我国东部沿海地区，是我国的农业大省，是重要的粮食产区，属暖温带季风气候区。夏季炎热多雨，降水集中，冬季寒冷干燥。以往多对单气象要素，如气温[15]、日照时数[16]、降水[17]等进行一系列研究，或从整个气候资源[18-19]的角度进行研究，缺乏对农业热量资源角度的系统分析，也缺少内部县市级区域层次的微观研究。本研究利用山东省23个交换站1961—2010年逐日气象观测数据，选取稳定通过≥0℃、≥10℃的初日、终日及对应的持续日数、积温作为热量指标，从年际平均值、年代际平均值、突变分析、周期分析、空间分析等几个角度，研究近50年内农业热量资源时空变化，旨在全球气候变化背景下，明确山东省的农业热量资源时空分布规律，为该区域应对气候变化、合理利用农业热量资源、指导农业生产提供理论依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究数据

本研究所用的逐日气象数据来自中国气象局科学数据共享服务网——中国地面国际交换站气候资料日值数据集，以1961—2010年为研究时段。为保证数据的统一性和完整性，剔除缺测率相对较大、突变率相对较大和存在变迁的交换站。部分时段缺测的数据，取周边交换站的平均值进行替换。最终确定了23个交换站作为主要数据源（图1）。考虑到周边区域对山东省的影响，同时选取了研究区界外的河北省、河南省和江苏省的10个邻近交换站数据作为辅助研究数据。

1.2 研究方法

对于农业热量要素的趋势变化分析，采用气候倾向率法，并采用F检验法对所拟合的回归方程进行显著性检验；年际突变分析采用对气候要素具有良好适用性的Mann-Kendall（M-K）法[20-21]；对周期提取，采用在气候要素分析方面广泛使用的Morlet小波变换分析方法[22-23]。

图1 研究区位置和交换站分布

在空间分析方面，使用空间插值进行拟合，采用交叉验证法（cross-validation）[24]对适用于山东省的不同插值方法的误差进行验证，确定张力样条插值法是最优的插值方法，并在Arc GIS软件平台下分析各要素空间分布的特点[25]。

图2 山东省1961—2010年积温平均值年际变化

2 结果与分析

2.1 ≥0℃和≥10℃积温的时间变化

2.1.1 趋势变化分析。从≥0℃和≥10℃积温平均值的年际变化曲线（图2）来看，两者均呈波动上升趋势。其中，≥0℃积温多年平均增速为6.75℃/年，通过显著性水平检验（α=0.05，下同），低于全国同期平均速率[26]。1961—1976年呈减少趋势，1976—2010年呈增长趋势。近50年平均值为4 775.56℃，最低值和最高值分别出现在1976年（4 428.24℃）和2007年（5089.95℃），两者相差约660℃。≥10℃积温多年平均增速为6.05℃/年，通过显著性水平检验，低于全国同期平均速率[26]。1961—1980年呈减少趋势，1980—2010年呈增长趋势。近50年平均值为4 262.11℃，最低值和最高值分别出现在1980年（3 900.19℃）和1998年（4 591.75℃），两者相差约690℃。

山东省在50年里，≥0℃和≥10℃积温分别增加约260℃和230℃（表1）。2种界限温度积温的各年代趋势相同，1960、1970、1980年代的平均气温相对较低，低于50年平均值。1990、2000年代的平均气温相对较高。

2.1.2 突变检验分析。≥0℃积温在1989年左右发生突变，积温增温速率开始加快（图3）。到1998年后显著增多，超过0.05临界线，年际≥0℃积温增长趋势十分明显。≥10℃积温在1987年左右发生突变，较≥0℃积温的突变时间有一定的提前。同样在1998年后显著增多，超过0.05临界线。

表1 山东省1961—2010年≥0℃和≥10℃下积温和持续日数年代际变化

图3 山东省1961—2010年际平均积温Mann-Kendall突变检验

图4 山东省1961—2010年年际积温Morlet小波变换系数实部等值线图

2.1.3 周期提取分析。根据小波分析的结果（图4、图5），≥0℃积温和≥10℃积温均存在7～10年、11～14年共2个震荡周期，在8年、12年左右的周期变化上震荡强烈，其中8年左右的振荡周期为主周期。8年、12年左右的周期都从1990年代开始比较显著，而8年左右的周期≥0℃积温是在1960年代后期开始比较显著，≥10℃积温则在1970年代后期开始比较显著。

图5 山东省1961—2010年年际积温Morlet小波方差图

2.2 ≥0℃和≥10℃初日、终日和持续日数的时间变化

2.2.1 趋势变化分析。≥0℃初日年际变化曲线呈显著下降水平（图6），说明近50年初日不断提前，提前幅度约0.31 d/年。终日年际变化曲线缓慢上升，但趋势不明显，未通过检验。在持续日数上，年际变化曲线呈显著增加趋势，增幅约0.40 d/年。近50年平均值为291 d，最长出现在2007年，为329 d，最短出现在1971年，为265 d，两者相差64 d。≥10℃初日年际变化曲线呈现显著下降趋势，在近60年间初日约以0.16 d/年的幅度不断提前。终日年际变化曲线呈现平缓上升，同样延后趋势不明显。持续日数呈现显著上升趋势，以0.06 d/年的幅度上升。近50年平均值为207 d，最长出现在2005年，为223 d，最短在2010年，为190 d，两者相差33 d。

图6 山东省1961—2010年初日、终日和持续日数年平均变化

表2 山东省1961—2010年≥0℃和≥10℃下初日和终日年代际变化d

平年下的初日、终日和持续日数的年代际变化见表1和表2。≥0℃初日在1961—2000年呈提前趋势，2000—2010年小幅延后。50年平均值为日序第53天，约在2月22日开始。终日呈波动延后趋势，1961—1980年延后，1980—1990年小幅提前，1991—2010年再次延后。50年平均值在第344天，约在12月10日结束。持续日数在1961—1980年开始增大，1981—1990年小幅回落，1991—2000年再次增大，2001—2010年再次回落。≥10℃初日近50年不断提前，平均值为第100天，约在4月10日开始。终日持续延后，平均值为第306天，约在11月2日结束。持续时间持续增大。

2.2.2 突变检验分析。由统计量正序列和反序列曲线的交点位置（图7）可知，≥0℃初日在1990年出现突变，1997年后显著提前；持续日数同样在1990年出现突变，1998年显著增多；终日无突变特征。≥10℃初日在1960年代波动较大，1973年出现突变，2000年后显著提前。持续时间在1978年左右出现突变，1995年左右后显著增多。

图7 山东省1961—2010年初日和持续日数Mann-Kendall突变检验

图8 山东省1961—2010年年际持续日数Morlet小波变换系数实部等值线图

2.2.3 周期提取分析。根据小波分析的结果（图8、图9），≥0℃持续日数存在6～9年的震荡周期，在6年左右的周期变化上震荡强烈，为主周期。6年左右的周期在1990年代后期开始比较显著。≥10℃持续日数与≥0℃持续日数的周期差异较大，存在7～10年、11～14年共2个震荡周期，在8年、13年左右的周期变化上震荡强烈，其中13年左右的振荡周期为主周期。8年左右的周期从1960年代中期开始比较显著，13年左右的周期在1980年代后期开始比较显著。

2.3 ≥0℃和≥10℃积温的空间变化

2.3.1 多年平均空间分布。山东省近50年≥0℃平均积温和≥10℃平均积温的空间分布规律相似（图10）。南部积温比北部高，西部积温比东部高。高值中心在济南市辖区、齐河等地，低值中心在荣成、莱阳、莱西、海阳等地。类似于气温的空间分异规律，同时呈现了地带性和非地带性规律。

≥0℃平均积温介于4 214.54～5 387.22℃，最高出现在济南市辖区（5 303.82℃），最低在荣成市（4 448.34℃）；≥10℃平均积温介于3 623.32～4 855.93℃，最高出现在济南市辖区（4 778.40℃），最低在荣成市（3 890.55℃）。

图9 山东省1961—2010年际持续日Morlet小波方差图

图10 山东省1961—2010年多年平均积温空间分布及其分区统计结果

2.3.2 年代际空间分布。年代际≥0℃平均积温在1960年代至1980年代空间变化总体不大（图11），高值中心在济南、聊城、菏泽、济宁、枣庄等鲁西南地区，积温在5 000℃以上；低值中心在青岛、烟台、威海等半岛地区，积温在4 600℃以下。1990年代，泰安、滨州、威海等地增长明显，上升约 200℃，＜4 600℃区域几乎消失。2000年代，滨州、东营、潍坊上升约200℃。总体高值区域从西南至东北方向不断扩大。

图11 山东省1961—2010年≥0℃年代际积温空间分布

年代际≥10℃平均积温同样在1960年代至1980年代空间变化不大（图12），高值区域在鲁苏边界和济南地区，积温在4 000℃以上；低值中心在烟台、威海等半岛地区，积温在4 000℃以下。1990年代，滨州、东营、威海、烟台等地区上升约200℃，＜4 000℃区域几乎消失。2000年代，全省基本上升200℃，＜4 200℃区域几乎消失。

2.4 ≥0℃和≥10℃持续日数的空间变化

2.4.1 多年平均空间分布。山东省近50年≥0℃持续日数和≥10℃持续日数在空间上的分布规律基本一致（图13）。空间上都从鲁西北到半岛地区递减，高值中心在鲁苏边界和济南地区，低值中心在东营、潍坊、烟台等环莱州湾周边地区。

≥0℃持续日数介于277～313 d，最高出现在菏泽市单县（309 d），最低在淄博市沂源县（279 d）。≥10℃持续日数介于194～220 d，菏泽市的持续日数最长，最大值出现在曹县，达到218 d；最小值出现在烟台市莱阳市，为200 d。

2.4.2 年代际空间分布。≥0℃持续日数在1960年代至1980年代总体变化不大（图14），高值分布在鲁苏边界，低值分布在北部环莱州湾周边地区，全省基本在295 d以下。1990年代上升明显，全省都上升了5 d以上，其中济南、东部沿海地区上升了约20 d。2000年代，潍坊等地上升了约5 d，济南等地约下降了5 d，全省基本在290 d以上。

图13 山东省1961—2010年多年平均持续日数空间分布及其分区统计结果

图14 山东省1961—2010年≥0℃年代际持续时间空间分布

图15 山东省1961—2010年≥10℃年代际持续时间空间分布

≥10℃持续日数从总体上看，50年间各地约上升10 d（图15）。1960年代高值主要分布在鲁苏边界，向东北方向逐渐减少，最低值在半岛地区，在200 d以下。1970年代高于205 d的区域扩展至鲁中地区，200 d以下的区域萎缩至烟台市的部分地区。1980年代鲁西地区达到210 d以上，鲁中地区在205 d以上，半岛地区在195～205 d。1990年代半岛地区上升明显，提高5 d左右，其他地区变化不大。2000年代全省持续日数上升明显，普遍上升5 d左右，高值在鲁西南地区，达到220 d以上，低值在半岛地区，绝大多数在200 d以上。

3 结论与讨论

本研究利用山东省及其周边地区23个交换站的1961—2010年逐日气象记录数据，系统地分析了山东省农业热量资源的时空变化。研究表明：≥0℃和≥10℃积温均呈上升趋势，在1980年代后期显著加快。变化周期为8年。空间上，高值中心在济南和鲁南地区，低值中心在半岛地区，呈现东北低西南高的特点。可见山东省从事农业生产所需的热量资源增加，同时存在着内部区域差异性。

≥0℃和≥10℃持续日数呈增长趋势，≥10℃持续日数在1970年代后期开始增长显著，较≥0℃持续日数约提前10年。变化周期分别为6年和13年。空间上，高值中心都在济南和鲁南地区，低值中心在鲁中和半岛地区，呈现东北短西南长的特点。表明利于农作物生长的周期变长，同时研究区内部各地有差异。各地应采取相应的措施来适应农业热量资源的变化。

本研究所使用的气象数据来自山东省境内的23个中国地面国际交换站，因山东的台站密度不高，且在早期记录中，缺测较多，客观上导致原始数据存在一定误差。若有更精确、连续的数据源将有助于更精细地反映出山东省农业热量资源的时空特征。

在本研究中，部分热量要素表现出以济南为中心的极端高值中心，推测其受到了城市热岛效应增强的影响。为了消除热岛效应对气温序列的影响，较好的方法是利用周围乡村站序列对目标城市站序列进行订正[27]。但在本研究的基础数据中，缺少足够多的乡村台站的数据支持。在台站密度不大、缺少乡村台站订正的情况下，引入合理的数学模型，消除原始数据中热岛效应增强的影响，将是一个较好的解决思路。

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Temporal and Spatial Patterns of Variations of Agricultural Heat Resources in Shandong Province During Recent 50 Years

GAO Yan-jun，HAN Rong-qing，ZHAO Ming-hua，LI Xiao-tong，WANG Xiao-dong，ZHANG Yan-hong
(College ofGeographyand Environment,ShandongNormalUniversity,Jinan 250014,China)

The current research aimed to determine temporal and spatial patterns of temperature accumulation in Shandong Province during recent 50 years(1961-2010).Based on the daily meteorological data from Chinese international exchange of ground stations, four variables (≥0℃ temperature accumulation,≥10℃ temperature accumulation,≥0℃ duration,and≥10℃ duration)were analyzed by using GIS technique,climatic trend rate,Mann-Kendall abrupt change analysis methods,and Morlet wavelet methods. Results demonstrated that temperature accumulation and its duration increased significantly over the 50-year period.While≥10℃duration showed abrupt changes in the 1970s,the other variables had abrupt changes in the late 1980s.Each variable exhibited distinct periodicity.In terms of the spatial pattern of temperature accumulation,each variable obeyed zonality law as well as non-zonality law, reaching high values in the south-western areas but low values in the north-eastern areas.The interdecadal mean values of these variables increased gradually from south-western Shandong to Shandong peninsula.While≥10℃ duration varied obviously in the 1970s,the other variables had noticeable changes in the 1990s.

Agricultural heat resources;Temperature accumulation;Duration;Temporal and spatial pattern of variations

S162.3

：A

：1673-6486-20160276

2016-10-31

国家级大学生创新创业训练计划立项项目（201510445171）。

高燕军（1994—），男，本科，主要从事地理信息系统及应用研究。E-mail：gaoyanjunsd@163.com。

*通讯作者：韩荣青（1971—），女，博士，讲师，主要从事自然地理综合研究。E-mail：hrqsd@126.com。