张辉　吕新

摘要：利用新疆1975—2015年逐日平均气温资料和新疆DEM数据，构建了气候要素与经度，纬度和海拔高度3维2次趋势面模型，采用线性回归分析和Pettitt突变检验，结合ArcGIS，分析新疆≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的时空演变。结果表明：在空间尺度上，新疆≥10℃有效积温及初、终日和持续日数受到纬度和海拔高度的影响，南疆≥10℃有效积温和持续日数整体上多于北疆，并且平原和盆地多余山区的分布格局。南疆≥10℃有效积温的初日整体上早于北疆，平原和盆地早于山区的分布格局。新疆≥10℃有效积温终日的空间分布特征与初日相反。在时间尺度，近41a以来，新疆≥10℃有效积温及持续日数均呈现出极显著的增加趋势，发生突变年份主要集中在1994—2000年间，突变后≥10℃有效积温及持续日数呈现出增加的趋势。初日呈现出极显著提前的趋势，终日的变化趋势与初日相反，发生突变的年份主要集中在1994—2005年。

关键词：新疆;≥10℃有效积温;时空演变;线性回归分析;Pettitt突变检验

中图分类号：S161

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115063

基金项目：兵团重大科技项目（项目编号：2016AA001-1）

1 引言

积温是一个重要的热量资源[1-3]，在评价作物的生长发育和作物种植结构的调整都具有积极的意义，积温的多寡关系到作物的产量和品质。≥10℃的积温对研究生长发育，合理安排作物的生产布局都具有研究价值[4]。

国内有许多农业专家对≥10℃的积温做过相关研究，王小燕[5]等对1961—2010年中国区域积温研究表明20世纪90年代之后，除了西南局部地区气温呈下降趋势外，其他地区的积温呈增加趋势。唐宝琪[6]等对华东地区≥10℃积温的研究表明，日平均稳定通过≥10℃及持续日数在空间分布上呈现出自东向西，自中部向南北两端递减的规律。张智[7]等对宁夏多年积温及其不同积温降雨量变化研究发现，近40a以来，宁夏各地≥0℃积温和≥10℃积温呈现出增加的趋势。潘冬梅[8]等对阿勒泰地区≥0℃积温研究表明，≥10℃初日在空间分布上中部平原早，西部、东部山区晚的格局，≥10℃的持续日数和积温在空间分布上表现为由内向外呈现出递减趋势。刘少华[9]等对中国近50a≥10℃有效积温研究时发现，1985年之后，我国≥10℃有效积温和持续日数呈现出显著的增加趋势，有效积温的起始时间整体上呈现出显著的提前趋势。

许多气象专家对积温进行了很多研究，在积温的计算上主要采用计算多年平均值的方法。由于气候要素具有一定的波动性，并且在空间分布上受到地理因素的影响，用多年平均值去评价1个地区热量资源的变化，会存在一定偏差。本研究主要通过计算80%保证率下的≥10℃有效积温及初、终日和持续日数，构建了气候要素与经度、纬度和海拔高度3維2次趋势面模型，系统分析新疆≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的时空演变，旨在为充分合理的利用新疆热量资源和农业种植布局的调整提供理论依据。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

本研究从国家气象数据共享网（http：//data.cma.cn/）获取1975—2015年新疆51个气象站点逐日平均气温资料，从地理空间数据云网（http：//www.gscloud.cn/）获取分辨率为90m×90m的新疆DEM数据（图1），为了便于计算，将数据重采样为1km×1km的栅格。

2.2 ≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的确定

采用5日滑动平均法确定日平均气温稳定通过≥10℃的初日和终日。初日定义为5日滑动平均气温≥10℃的日期，终日定义为5日滑动平均气温<10℃的日期[10]，为了便于计算，采用儒略日定义≥10℃的初日和终日，≥10℃的持续日数为初日和终日的间隔日数[11]。

2.3 ≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的统计方法

气候变化具有波动性，为了能够更好的反映新疆地区热量资源的变化规律，本研究采用了R语言统计80%保证率下的≥10℃有效积温及初、终日和持续日数。

2.4 ≥10℃有效积温的栅格化数学模型

新疆位于我国西北边陲，属于大陆性气候，南北疆由于3山夹2盆地形态势，气候要素差异较大，为了提高气候要素的栅格点的模拟经度，本研究采用混合插值的方法[12]，对新疆地区51个气象站点80%保证率下的≥10℃有效积温及初、终日和持续日数进行栅格化空间模拟。具体方法如下。

基于新疆DEM数据，提取各个栅格点的经度、纬度和海拔高度。采用SPSS19.0软件分析气候要素与各个栅格点的经度、纬度和海拔高度相关性，构建基于地理因子的3维2次趋势面模型。将气候要素模拟值的残差基于ArcGIS10.0软件中的反距离权重法，订正到各个栅格点上。气候要素模拟公式如下：

p=p（λ，φ，h）+ε=a0+a1λ+a2φ+a3h+

a4λφ+a5φh+a6λh+a7λ2+a8φ2+a9h2+ε

式中：p为气候要素栅格点的模拟值，λ，φ，h分别表示栅格点的经度、纬度和海拔高度，ε表示残差项，a0～a9表示为待定系数。

2.5 气候倾向率

利用一元线性回归模型分析新疆近41a 51个气象站点气候要素的变化规律，建立气候要素x与时间t的线性模型。

x=a+bt，t=1，2，3，…，n（1）

式（1）中x为气候要素的拟合值，a为常数，b为回归系数，以b的10倍作为气候要素的倾向率。当气候倾向率大于0时，表明气候要素随着温度的增加而增加。当气候倾向率小于0时，表明气候要素随着时间的增加而减少[13]。

2.6 Pettitt突变检验

Pettitt突变检验是类似于Mann-Kendall法的一种非参数检验法[14-16]，对于X构造1个秩序列，具体计算过程如下：

sk=∑ki=1rik=2，3，…，n（2）

ri=[JB（{][HL（2]1[]xi>xj0[]xi=xj-1[]xi

若t0时刻满足kt0=maxsk，则t0为突变点。

p=2exp[-6k2t0（n3+n2）]（4）

若统计量P<0.05，说明t0时刻的突变点是显著突变。

3 结果分析

3.1 ≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的分布特征

由图2（a）可以看出新疆≥10℃有效积温总体呈现出南疆多于北疆，平原和盆地多于山区的空间分布格局，由南到北随着纬度的增加呈现出逐渐减少趋势。有效积温最多的地区主要分布在塔里木盆地东部和西部地区以及吐鲁番盆地，天山中西部地区，随着海拔的增加，有效积温逐渐减少。

由图2（b）可以看出新疆≥10℃有效积温的初日总体呈现出南疆早于北疆，平原和盆地早于山区的空间分布格局，由南到北随着纬度的增加呈现出推迟的趋势。有效积温最早主要分布在塔里木盆地西部地区，北疆大部分地区有效积温的初日晚于4月6日，天山中西部地区的有效积温初日最晚，并随随着海拔的增加逐渐推迟。

由图2（c）可以看出新疆≥10℃有效积温的终日总体呈现出南疆早于北疆，平原和盆地晚于山区的空间分布格局，由南到北随着纬度的增加逐渐提前。有效积温最晚的地区主要分布在南疆西部地区和吐鲁番盆地。北疆除了克拉玛依地区有效积温的终日在11月初，其余大部分地区在10月中下旬。天山中西部地区随着海拔的增加，有效积温的终日呈现出提前的趋势。

由图2（d）可以看出有效积温的持续日数总体呈现出南疆多于北疆，平原和盆地多于山区的空间分布格局，由南到北随着纬度的增加持续日数逐渐减少的趋势。有效积温持续日数最多的地区主要分布在南疆东部地区和吐鲁番盆地，北疆大部分地区有效积温持续日数主要集中在190～220d，天山中西部地区有效积温的持续日数小于160d，随着海拔的升高，持续日数呈现出逐渐减少的趋势。

3.2 ≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的变化规律

新疆96%气象站点≥10℃有效积温的倾向率总体以67.8d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）增加的趋势（图3a），41a间增加了277.98℃，增幅最大的站点主要位于十三间房地区，南疆除了库车地区和柯坪地区≥10℃有效积温以44.3d/10a的速率减少，其余地区都呈现出极显著增加的趋势，塔里木盆地以南增幅最大，天山中西部地区以44.3d/10a的速率增加，41a间累计增加了258.71℃。

新疆86%的气象站点≥10℃有效积温初日的倾向率总体以1.8d/10a呈现出极显著（p<0.01）提前的趋势（图3b）。南疆除了若羌地区和库尔勒地区以0～4d/10a的速率推迟外，其余大部分地区呈现出极显著提前的趋势，北疆除了昭苏、北塔山、和布克赛尔、吉木乃地区≥10℃有效积温初日推迟外，其余大部分地区都呈现出增加的趋势。天山以东大部分地区提前幅度最大，41a间累计提前了8.2～16.4d。

新疆75%的气象站点≥10℃有效积温终日的倾向率总体以3.4d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）推迟的趋势（图3c）。南疆及天山大部分地区的终日以0～2d/10a的速率推迟，41a间累计推迟了0～8.2d，焉耆、拜城、库车、阿拉尔和若羌地区呈现出极显著提前趋势。北疆仅北塔山地区推迟速率最大，达到16d/10a，中部大部分地区以2～4d/10a的速率呈现出极显著推迟趋势，41a间累计推迟了8.2～16.4 d/10a。

新疆90%的气象站点≥10℃有效积温的持续日数的倾向率总体以4.1d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）增加的趋势（图3d），41a间累计增加了16.81d。南疆除了柯坪、阿拉尔和若羌地区持续日数呈现出减少的趋势，其余大部分地区以0～4d/10a的速率极显著增加的趋势。北疆仅昭苏和北塔山地区增加的速率最大，达到10～22d/10a，其余大部分地区以4～6d/10a的速率增加，41a间持续日数累计增加了16.4～24.6 d/10a。

3.3 ≥10℃有效积温及初、终日和持续日数的突变特征

采用pettitt突变检测的方法，对新疆1975—2015年51个气象站点≥10℃有效积温及初、终日和持续日数进行突变分析。结果表明：41a间新疆共有42个气象站点≥10℃有效积温发生突变（图4a），其中有38个气象站点发生极显著突变（p<0.01），南疆除了库车地区在1987年发生了显著突变，其余大部分地区在1995—1999年发生突变，天山大部分地区突变年份主要集中在1994—1996年，北疆地区突变的年份与南疆和天山大部分地区差异不大，主要集中在1994—1998年，并且突变后≥10℃有效积温呈现出极显著增加的趋势。

1975—2015年新疆共有8個气象站点≥10℃有效积温的初日发生显著突变（p<0.05）（图4b），南疆仅阿合奇地区在2005年发生突变，由南到北随着纬度的增加，突变站点成增加的趋势，北疆除了北塔山地区在1988年发生突变，其余地区发生突变的年份主要集中在1994—1998年。吐鲁番、十三间房和巴里坤地区在1998—2000年发生突变，突变后≥10℃有效积温的初日呈现出显著的提前趋势。

1975—2015年新疆共有5个气象站点发生显著突变（p<0.05）（图4c），突变站点主要分布在塔里木盆地西部，南疆仅和田地区在1998年发生极显著突变，其余大部分站点发生突变的年份主要集中在1994—2005年。十三间房地区在2005年发生突变，突变后≥10℃有效积温的终日呈现显著推迟的趋势。

1975—2015年新疆共有11个气象站点≥10℃有效积温的持续日数发生显著突变（图4d），南疆发生站点的区域主要分布在塔里木盆地的西部，突变年份主要集中在1995—2006年。随着纬度的增加，突变站点呈现出增加的趋势，北疆发生突变的年份主要集中在1996—1999年。吐鲁番、十三间房和巴里坤主要在2000年和1998年发生极显著突变（p<0.01），并且突变后≥10℃有效积温的持续日数呈现出极显著增加的趋势。

4 讨论

本研究分析了80%保证率下的≥10℃的有效积温及初、终日和持续日数的时空演变，验证了部分已有的相关结论。例如：≥10℃的有效积温空间分布总体呈现出南疆多，北疆少，平原和盆地多，山区少的特点，这与张山清[12]、李兰[17]的研究结论一致。受到纬度和海拔高度的影响，南疆≥10℃的有效积温的初日早于北疆，终日晚于北疆，持续日数多余北疆。北疆≥10℃的有效积温持续日数的变化幅度大于南疆，这与刘少华[9]的研究结果一致，但在数值上存在一些差异，可能是由于数据的处理方法和所选的数据时间序列的不同。从突变分析（图4a）可以看出新疆共有42个站点发生突变，发生突变的年份主要集中在1994—1999年，共有62%的站点在1996年发生极显著突变，并且突变后≥10℃的有效积温呈现出增加趋势，这与普宗朝[18]的研究略有差别。普宗朝的研究认为近55a新疆≥10℃的积温在1997年发生突变。造成此结果差异的原因除了所选的数据时间序列的不同之外，可能与数据的处理方法和采用的不同的突变检测方法有关。

5 结论

本研究主要选取了1975—2015年时间序列较长的新疆51个气象站点的逐日平均气温资料，计算和分析了80%保证率下的≥10℃的有效积温及初、终日和持续日数的时空演变，结论如下。

从空间分看，新疆≥10℃的有效积温总体上呈现出南疆多于北疆，平原和盆地多于山区的空间分布格局。受到纬度和海拔高度的影响，南疆总体上≥10℃的有效积温的初日早于北疆，终日晚于北疆，持续日数多于北疆。

近41a以来，新疆≥10℃的有效积温总体以67.8 d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）增加的趋势，初日的倾向率总体以1.8 d/10a呈现出极显著（p<0.01）提前的趋势。终日总体以3.4 d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）推迟的趋势。持续日数的倾向率总体以4.1 d/10a的速率呈现出极显著（p<0.01）增加的趋势。

41a间，新疆有42个气象站点≥10℃有效积温发生突变，其中有38个气象站点发生极显著突变（p<0.01），突变后有≥10℃有效积温呈极显著增加趋势。有8个气象站点≥10℃有效积温的初日发生显著突变（p<0.05），突变后≥10℃有效积温的初日呈现的提前的趋势。有5个气象站点≥10℃有效积温的终日发生显著突变，突变后≥10℃有效积温的终日呈推迟的趋势。有11个气象站点≥10℃有效积温的持续日数发生显著突变，突变后≥10℃有效积温持续日数增加。

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作者简介：

张辉（1992-），男，硕士。研究方向：兵团机采棉种植适宜性区划;

吕新（1964-），男，教授，博士生导师。研究方向：农业生态研究。