气候变化背景下我国农业水热资源时空演变格局研究

发布时间：2020-04-22 19:29

【摘要】：农业水热资源是开展农业区划、种植制度、作物布局和作物品种配置的重要依据，其数量及配置影响一个地区的农业生产基本格局。在全球气候变化的背景下，我国的农业水热资源已发生显著的变化，导致我国农业种植结构和作物布局也发生相应的改变。系统地分析50年来中国农业水热资源的时空演变格局，对合理高效利用农业资源，适应和减缓气候变化对农业生产的影响具有重要的理论和现实意义。本文以我国及其十大农业种植区为研究对象，以逐日地面气象观测资料为数据源，结合土地覆盖数据、数字高程数据等空间数据，探讨地面气象观测资料缺失情况及其对气候变化趋势分析的影响，设计和编译了一套关于气象观测资料数据缺失的空间插补方法和程序，通过插补试验，提出了最优插补方案。在此基础上，阐明了全国及十大农业种植区作物生长季期间农业水热资源、农业界限温度与霜期的时空演变规律，在时间尺度上评估50年来在不同积温段下农业用地的空间动态变化，分析我国干湿气候演变趋势，从气象干旱角度估算50年来全国干旱发生的面积和强度。主要的研究结论如下：（1）采用NN、IDW、IDWE、GIDW、MRLAD、GWR等6种空间插补方法进行插补试验，表明幂指数为2-3时IDW、IDWE、GIDW插补效果最优；最优的搜索半径和插补台站数分别为250km～500km和6～20个；较传统方法，基于高程的插补方法可显著提高气温的插补精度，但对其他气象要素插补效果的改善不明显；各气象要素的插补误差在年内存在明显的差异；最优的插补方案为降水量、日照时数、平均风速、相对湿度适宜采用IDW法，日平均气温、日最低气温、日最高气温更适宜采用GIDW或GWR。（2）50年来，作物生长季期间全国积温和日平均气温都显著增加，而日较差、日照时数和太阳辐射量都显著减少，而期间的全国平均降水量和潜在蒸散量变化不明显，且在区域上存在差异。在“西南—东北”一线降水量、有效降水量和有效降水次数明显较少，而在“东南—西北”一线呈增加的趋势。影响生长季期间农业水热资源量的主要因素是年内气候资源的多寡，其次是生长季持续时间的长短，但这种影响存在区域不一致性。（3）全国稳定通过0℃、10℃的初日显著提前，终日延后，持续日数增加，积温提高50～90℃/10a，突变时间主要集中在20世纪80年代后期至90年代中期；同时，初霜日显著延后，终霜日提前，，无霜期增加2.5～5d/10a。（4）低积温段内的耕地面积、林地和草地面积在减少，高积温段内的面积在增加。较20世纪60年代，20世纪初期我国≥0℃积温段Ⅰ、≥0℃积温段Ⅱ、≥0℃积温段Ⅳ耕地面积分别减少了7.74%、32.42%、8.39%，≥0℃积温段Ⅴ耕地面积增加43.66%；≥10℃积温段Ⅱ、≥10℃积温段Ⅳ耕地面积分别减少35.14%和20.80%，≥10℃积温段Ⅴ耕地增加21.05%。（5）在“西南—东北”一带趋于干旱，在“东南—西北”一带趋于湿润化。21世纪初期较1960年我国极干旱区、半干旱区面积分别增加了56.92%和28.13%，干旱区和半湿润区面积分布减少了12.30%和11.43%。全国干旱面积整体上呈弱的下降趋势，但区域上存在不一致性。东北、华北、西南和华南干旱面积都显著增加，东南沿海、西北内陆和青藏高原干旱面积有所减少。论文主要创新点：（1）提出针对气象资料数据缺失的空间插补方法和最优插补方案。结合空间插值方法和理论，设计和编译一套关于气象观测资料数据缺失问题的空间插补方法和程序，通过插补试验，探讨幂指数大小、搜索半径、插补点数、是否考虑高程等因素对气象要素插补精度的影响，提出针对不同气象要素的最优插补方案。（2）揭示我国作物生长季期间农业水热资源的时空演变格局。以稳定通过5℃界限温度的时间段作为作物生长季划分的标准，较系统地揭示全国及十大农业种植区域热量（积温、日平均气温、日较差、日照时数、太阳辐射）、水分（降水量、有效降水量、降水次数、潜在蒸散量）的时空演变格局。（3）估算不同积温段下农业用地和干湿气候类型的空间动态变化。将积温和干湿气候类型的动态变化与土地覆盖数据集相结合，在时间尺度上估算不同积温段下耕地和干湿气候类型区域的空间动态变化。
【图文】：

技术路线图,技术路线

（2）作物生长季期间我国农业水热资源变化时空演变格局研究基于 50 年来全国逐日的地面气象观测资料，以稳定通过 5℃界限温度的时间段作为作物生长季的划分标准，揭示全国及十大农业种植区作物生长季期间的热量（积温、日平均气温、日较差、日照时数、太阳辐射）、水分（降水量、潜在蒸散量）资源的时空演变格局，探讨影响生长季期间农业水热资源量的主要因素。（3）农业界限温度和霜期时空演变格局研究采用“多元回归+残差”方法，绘制了 0℃、10℃界限温度和全国霜期的空间分布图。采用Pettitt 突变检验和 TFPW－MK 趋势分析方法，研究界限温度和霜期在时序上的变化趋势。结合Globcover 土地覆盖数据集，在时间尺度上估算不同积温段下耕地的空间动态变化。（4）我国干湿气候格局演变规律研究借助湿润指数，在时空两个尺度上分析我国干湿气候变化趋势。分析 SPI 的尺度效应，验证SPI 指数在我国的适用性，并从气象干旱角度探讨我国及各农业区干旱发生的强度、频率和面积的变化趋势。1.4.3 技术路线

序列,气象台站,不同时期

10研究区域气候的长期变化规律，需有一套连续均一且具有相当精度的长时序气象要素序列。20 世纪 50 年代初，我国基本建成了较为完整的地面气象观测站网，具有较为完整的气象观测资料，但期间由于种种原因，几乎所有的气象台站各气象要素都有不同程度缺失。若直接利用气象观测资料进行气候变化趋势研究，必然引起较大的误差(Karl et al.,1996)。为了获得具有较高精度的连续均一且较为完整的气象要素观测序列，需要采用多元统计、地统计等多种技术，在已有的不完整的气象观测资料基础上，较为精确地插补和延长气象要素观测资料。2.3 逐日气象观测资料的插补试验气象观测资料的插补实质是上是对离散数据的空间插值。常见的插值试验多是基于ArcGIS、Surfer 等软件平台进行空间插值，其主要步骤是先将用于插值的观测资料数据进行插值，生成一个规则的栅格数据，在栅格数据的基础上再采用最近邻近点法或双线性内插法进行二次插值，最终才能得到离散的插值点的要素值。这样做有两个方面的缺点：一是插值效率低。ArcGIS 等软件虽然也提供了批量插值操作，但对于像逐日或逐月的地面气象这样的海量数据进行插值，工作效率较低，运行时间也较长；二是插值结果偏差较大。ArcGIS、Surfer 等软件下对离散点插补值
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：F323.213;S16

【参考文献】