中国南北过渡带范围的地理表达及定量探测

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李亚男^,¹^,²^,³, 刘钢军⁴, 刘德新¹^,³, 秦耀辰^,¹^,³

1.河南大学黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室／地理与环境学院,开封 475004

2.郑州旅游职业学院,郑州 451464

3.河南大学黄河文明与可持续发展研究中心暨黄河文明传承与现代文明建设河南省协同创新中心,开封 475001

4.澳大利亚皇家墨尔本理工大学理学院地理空间科学系,墨尔本,澳大利亚 3000

Geographical expression and quantitative exploration of the China′s north-south transitional zone

LI Yanan^,¹^,²^,³, LIU Gangjun⁴, LIU Dexin¹^,³, QIN Yaochen^,¹^,³

1. Key Laboratory of Geospatial Technology for Middle and Lower Yellow River Region, College of Geography and Environmental Science, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China

2. Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 451464, China

3. Key Research Institute of Yellow River Civilization and Sustainable Development & Collaborative Innovation Center on Yellow River Civilization of Henan Province, Henan University, Kaifeng 475001, Henan, China

4. Geospatial Science, College of Science, Engineering and Health, RMIT University, Melbourne, Victoria 3000, Australia

通讯作者: 秦耀辰（1959-）,男,河南荥阳人,教授,主要从事区域可持续发展研究。E-mail: qinyc@henu.edu.cn

收稿日期:2020-07-20接受日期:2020-09-28网络出版日期:2021-07-10

基金资助:

国家自然科学基金项目.41671536
国家自然科学基金项目.41907382
黄河文明省部共建协同创新中心重大项目.2020M19

Received:2020-07-20Accepted:2020-09-28Online:2021-07-10
作者简介 About authors
李亚男（1981-）,女,河南信阳人,博士研究生,主要从事气候变化及农业适应性研究。E-mail: liynlw@126.com

摘要
气候变化下中国南北过渡带的动态变化及地域范围探测是识别农业生产敏感区、研究农业适应行为的基础。前人基于“自上而下”或“自下而上”的方法,采用不同的划界指标对中国南北过渡带的范围进行了探索,但对气候变化下南北过渡带范围的地理表达及其地域范围的定量探测较少涉及。采用1951—2018年2400多个国家气象站点气温和降水的逐日观测数据,以800 mm等降水量线、1月0℃均温、日均温≥10℃积温、日均温≥10℃日数和干燥度指数0.5为划界指标,运用ArcGIS栅格计算和均值-标准差对中国南北过渡带进行地理表达。结果表明,中国的南北分界是一条宽窄不一的过渡带,各划界指标的等值线在气候变化下变动明显,各气象要素的大致变动范围西南段较东北段更为稳定,日均温≥10℃积温和干燥度指数的变化幅度大于800 mm等降水量线和1月0℃均温。确定的中国南北过渡带的极端最北界自西向东依次穿过礼县、耀县、韩城、安泽、涉县、静海县;极端最南界自西向东依次穿过北川、宁强、西乡、房县、淅川、罗山、商城、定远、临安县。该范围内提取的637个县域中,位于南北过渡带气候变化稳定区的县域256个,位于气候变化敏感区的县域187个。研究可为中国南北过渡带农业生产适应气候变化提供科学依据。
关键词： 气候变化;南北过渡带;范围;地理表达;渔网法

Abstract

Under the climate change, the dynamic change of China′s north-south transitional zone and the detection of its regional scope are the basis of identifying the sensitive areas of agricultural production and studying the adaptive behavior of agriculture. Based on the "top-down" or "bottom-up" method, the predecessors used different demarcation indicators to explore the scope of the north-south transitional zone in China. However, the geographical expression and quantitative detection of the range of the China′s north-south transitional zone under climate change are rarely involved. The daily observation data of temperature and precipitation of more than 2400 national meteorological stations from 1951 to 2018 are used. The 800 mm precipitation isoline, the 0℃ average temperature of January, the accumulated temperature with daily average temperature ≥10 ℃, the number of days with daily average temperature ≥ 10 ℃ and the aridity index are used as the demarcation indexes. The ArcGIS grid calculation and the mean standard deviation are used to explain the geographic expression of the China′s north-south transitional zone. The results show that the boundary between the north and the south of China is a transitional zone with different widths. The isolines of each demarcation index change obviously under the climate change. The general range of variation of each meteorological element in the southwest is more stable than that in the northeast. The range of change of accumulated temperature with daily average temperature ≥ 10 ℃ and aridity index is greater than that of the 800 mm precipitation isoline and that of the 0 ℃ average temperature of January. The northernmost boundary of China′s transitional zone passed through Lixian, Yaoxian, Hancheng, Anze, Shexian and Jinghai counties from west to east. The southernmost boundary of China's transitional zone passed through Beichuan, Ningqiang, Xixiang, Fangxian, Xichuan, Luoshan, Shangcheng, Dingyuan and Lin'an counties from west to east. Among the 637 counties extracted in this area, 256 counties are located in the climate change stable area of the north-south transitional zone, while 187 counties are located in the climate change sensitive area. The research can provide scientific basis for agricultural production in the north-south transitional zone to adapt to climate change in China.

Keywords：climate change;north-south transitional zone;range;geographical expression;Fishnet

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本文引用格式
李亚男, 刘钢军, 刘德新, 秦耀辰. 中国南北过渡带范围的地理表达及定量探测. 地理研究[J], 2021, 40(7): 1857-1869 doi:10.11821/dlyj020200679
LI Yanan, LIU Gangjun, LIU Dexin, QIN Yaochen. Geographical expression and quantitative exploration of the China′s north-south transitional zone. Geographical Research[J], 2021, 40(7): 1857-1869 doi:10.11821/dlyj020200679

1 引言

中国南北过渡带是中国大陆上最重要的地理-生态过渡带,因其具有高度的环境复杂性、生物多样性、气候敏感性及过渡性,对于中国地理格局研究的深化、生物区系的演化、地理要素对气候变化的响应机理研究都具有重大意义,是中国科学家在地理、生态、气候变化研究方面取得科学突破的关键地区之一^[1]。1908年,张相文在《新撰地文学》中首次将秦岭-淮河一线界定为中国南北方自然地理分界线^[2]。此后100多年,中国地学科学家们一直在改进中国南北分界的划分指标,探索南北分界线的具体位置^[1,3-6]。随着研究的不断深入,科学家们指出中国南北分界应处于亚热带气候的显著特征隐退而暖温带显著特征显现的过渡地段,不仅能够把同一等级的内部相对一致的地域单元彼此分隔开来,还能表现出其外部的差异性^[6]。它不是非此即彼的线,而是通过一条宽窄不一的带来完成,且在气候变化下随时间而迁移变化。由此衍生出关于中国南北过渡带新的科学问题,如南北分界线与南北过渡带是何关系,南北过渡带位置、走向、范围及边界在哪里,气候变化中国南北过渡带会如何变化,一系列科学问题成为地理学界关注的新热点。

在全球增暖的气候格局下,不同划界气候指标界线的迁移变化会引起南北过渡带范围和边界的变动,对区域内农业生产影响极大^[7,8,9,10]。就单个气象指标而言,800 mm等降水量线在20世纪80年代、21世纪00年代北移,在20世纪70、90年代、21世纪10年代初南移,且纬度降低趋势较明显^[11]。1月0℃等温线从秦岭-淮河一带向北推进到黄河一线^[12]。20世纪90年代初以来,秦岭以北的1月份平均温度、日均温≥10℃的日数和积温的增加均比秦岭以南更大、更显著^[13]。总体而言,当南北过渡带的位置北移时,夏季降水减少、气候偏旱;当南北过渡带的位置南移时,则夏季降水增加、气候偏涝^[14]。这些迁移变化对于南北过渡带中气候稳定区域的农业生产影响较小,但对气候敏感区的农业生产却影响巨大。气候变化下中国南北过渡带的范围是怎样迁移变化的,哪些区域是南北过渡带中气候稳定的区域,哪些区域是气候敏感区域,气候稳定区域与气候敏感区域内的农业受影响程度和生产方式是否存在差异性,气候敏感区的农业生产应如何适应气候变化、防范风险?要解决以上一系列问题首先要科学界定中国南北过渡带的范围,识别出南北过渡带中呈现出气候过渡性特征的区域。为此,本文首先对中国南北过渡带进行地理表达,验证了中国南北分界是一条宽窄不一的过渡带,然后统计分析了1951—2018年中国南北过渡带的动态变化,最后确定了中国南北过渡带的范围与边界。所识别的南北过渡带气候稳定区和气候敏感区可为中国南北过渡带农业生产适应气候变化提供科学依据。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 南北过渡带气候分界指标的选取已有气候分界线划定的指标有两类：一类是由气象台站观测资料计算出来的气候指标。另一类是气候通过其他自然因子表现出来的、间接的、有形的地理指标。例如通过考察或仪器观测得到的地貌类型、海拔高度、水文状况、土壤种类、植被群落、作物和熟制等^[5,15-17]。在基于气候要素的界定方面,****们主要考虑从人力不能大规模改变的温度指标和水分指标中遴选划界指标^[18,19]。温度指标中,0℃和10℃是重要的农业界限温度,0℃标志着农事活动的开始或终止,最冷月（1月）平均气温与作物生长、产量与品质关系密切,因此1月0℃均温常被作为划界指标。日均温≥10℃是喜凉作物迅速生长和喜温作物开始播种的热量条件,日均温≥10℃积温是生长期内总热量,为常见的划界指标^[3,4,20]。随着研究的深入,****们发现在采用日平均气温稳定≥10℃的日数替代10℃以上积温4500℃等值线能更准确地刻画出中国温度条件的地域分异,因此主张以日均温≥10℃的持续日数作为划界指标,以日均温≥10℃积温为参考指标^[6,19,21,22]。水分指标中,除800 mm等降水量线外^[11],表征干湿状况的干燥度指数因更能体现水分的输入、分配、组合与转换规律而被纳入到划界指标中^[6,23,24]。本研究以服务农业生产为目的,综合了前人的研究,选取了传统研究中与秦岭淮河一线大致重合的年800 mm等降水量、最冷月（1月）0℃等温线和亚热带划界的常用指标日均温≥10℃积温4500℃等值线、日均温≥10℃日数219天、干燥度指数0.5作为划界指标,先用各指标年际及年代际变化规律来对比各指标的稳定程度,再对指标进行取舍和集成（表1）。

Tab. 1
表1
表1南北过渡带气候分界指标
Tab. 1Climatic boundary indicators of the China’s north-south transitional zone

气候指标	地理指标	本文选取指标
1月0℃均温	地貌类型	800mm等降水量线
日均温≥10℃积温	海拔高度	最冷月(1月)0℃等温线
日均温≥10℃的日数	水文状况	日均温≥10℃积温4500℃等值线
年降水量	土壤种类	日均温≥10℃日数219天
干燥度指数	植被群落	干燥度指数0.5
	作物和熟制

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2.1.2 南北过渡带划分方法受数据、资料和技术条件的限制,早期的南北分界线及南北过渡带的研究多以定性、专家集成方法为主^[3,4,25]。随着20世纪70年代计量地理学的兴起及90年代中期后“3S”技术的发展,界线划定的方法逐渐趋于定量化和综合化^{[26,27,28,29,30]}。相比传统的叠置法、地理相关分析法,应用聚类分析、模糊综合评价等定量方法虽较好地提高了界线划分结果的客观性和数学验证水平,但却存在不同区域参数获取困难、计算复杂、精度验证标准不一致的问题。数理统计方法虽计算较简便,但大多选取气象指标的多年平均值来计算和分析,往往会遗漏气象指标极端年份的变动状况,不能全面、客观地反映实际情况。本研究借鉴统计学原理中的均值-标准差法,利用1951—2018年的逐年各气候指标等值线的均值和不同标准差倍数的组合来确定南北分界线,从而实现南北过渡带范围的有效界定。标准差反映了各气候因子相对于平均水平的偏离程度,用均值和标准差能反映不同年份各气候因子的变异。

（1）南北过渡带范围的地理表达。关于南北分界的研究中虽多次提到分界线南北的差异是通过一条相当宽的带来完成的,但是这个带的位置在哪,范围有多大,并没有统一认识。为了验证南北过渡带的存在,本研究首先通过ArcGIS10.2中的栅格计算和可视化对南北过渡带进行直观展现,具体步骤如下：

① 指标计算。利用SQL server数据库对过去68年（1951—2018年）每年的逐日观测数据进行处理,其中年降水量、1月平均气温、日均温≥10℃积温、日均温≥10℃日数通过统计计算直接得到,干燥度指数由年降水量和潜在蒸散量计算得到^[31],公式如下：

（1）

D = \frac{P}{E T_{0}}

式中：D为干燥度指数;

E T_{0}

为潜在蒸散量（mm）,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算^[24];P为降水量（mm）。

② 地理表达。充分考虑各气候指标的特征,采用普通克里金对各气候指标插值,在精度验证后得到各气候指标68年的空间分布图。利用栅格计算器将各气象要素逐年插值面

x_{i}

分别减去各气象要素的分界值（800 mm、0℃、4500℃、219天、0.5）得到各栅格面

y_{i}

,求68年均值

z_{i}

的绝对值

p_{i}

,将5个气候指标的绝对值栅格面

p_{i}

可视化。

（2）

x_{i} - 800 = y_{i}

（3）

\frac{1}{68} \sum_{i = 1}^{68} y_{i} = z_{i}

（4）

|z_{i}| = p_{i}

（2）南北过渡带的确定。从68年来各气候指标的空间分布图中分别绘制历年800 mm等降水量线、1月0℃等温线、日均温≥10℃积温4500℃等值线、日均温≥10℃219天等值线和干燥度指数0.5等值线。为了具有可比性,绘制的等值线均删除较短的弧段,仅保留完全连接的最长弧段,分别绘制了各气候指标68年的等值线。绘制5 km×5 km的渔网,删除水平渔网线,将垂直渔网线与各气候指标68年的等值线相交并求取交点。提取同一条垂直渔网线上交点的经纬度,并求得纬度值的均值,将所有垂直渔网线上的经度和纬度的均值生成点,将点集转为线,该线即各气候指标68年变动的均值线μ。

根据各气候指标均值线μ求μ的不同倍数标准差（std）,即μ、μ±1std、μ±2std、μ±3std为分割线,将各气候指标的摆动范围划分6个带状区域,并对每个区域进行赋值,将μ±1std（标准差）范围赋值为1,μ±2std（标准差）范围赋值为2,μ±3std（标准差）范围赋值为3。将赋值后的各图层叠加计算,采用自然间断点分类得到南北过渡带稳定区、敏感区和异常区的范围。

2.2 数据来源与处理

本文所采用的1951—2018年2400多个国家气象站点的逐日气温、降水、蒸散量等气象数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（ http://www.resdc.cn/data.aspx）。国家气象站点数量由1951年的182个增加到2018年的2421个（图1）,不同年份气象要素的观测值存在缺失,为了保证数据的连续性和完整性,根据气候因子的计算需要对缺测的数据进行剔除和插补后进行计算。如在计算年降水量时剔除1年中连续缺测超过7天的气象站点,对1年中间隔缺测累计不超过30天的站点进行插补。计算1月0℃均温时将1月气温数据完整的站点都纳入计算范围。

图1

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图1国家气象站点分布

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 1The distributiom of national meteorological stations

3 结果与分析

3.1 南北过渡带范围的地理表达

图2为1951—2018年的中国气候南北过渡带划界气候指标800 mm等降水量线、1月0℃等温线、≥10℃积温4500℃等值线、日均温≥10℃日数等值线和干燥度指数0.5等值线的过渡带范围。图中的灰色区域是68年间各气候指标变动的区域,是划分中国南北气候的分界线,可以被认定为中国气候南北过渡带的范围;此范围往南或往北的区域则是超过或达不到各划界指标的区域,不属于中国气候南北过渡带的范围。由此可以证明南北过渡带不是一条非此即彼的线,而是通过一条宽窄不一的带来完成。具体表现为：

图2

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图21951—2018年划界气候指标过渡带

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 2The contour transitional zone of demarcation indexes from 1951 to 2018

（1）800 mm等降水量线变动范围的中心线自东向西大致穿过山东、江苏两省交界处、安徽北部、河南中南部、陕西南部、四川西北部和西藏西南部,1月0℃等温线的中心线与800 mm等降水量线中心线的范围和走向大致相同,与秦岭-淮河一线基本一致。日均温≥10℃219天过渡带中心线的东段和西段更偏南,中段与其基本一致。干燥度指数0.5的过渡带自东向西依次经过山东东南部、河南中部、陕西南部、四川北部,随后向南延伸至云南的东南部,最后又向西北延伸至西藏西南部。

（2）就过渡带范围的边界来看,过渡带北界的变动范围由北至南排序依次为日均温≥10℃219天等值线、干燥度指数0.5等值线、800 mm等降水量线和1月0℃等温线。其中日均温≥10℃219天等值线过渡带东段最北已到达北京、天津,西段最北到达四川中部和云南北部。1月0℃等温线过渡带东段最北到达河北南部,西段最北到达西藏南部。800 mm等降水量线和干燥度指数0.5等值线过渡带东段最北到达山东东北部,西段最北到达西藏东南部。过渡带南界的变动范围由南至北排序依次为1月0℃等温线、日均温≥10℃219天等值线、800 mm等降水量线和干燥度指数0.5等值线,1月0℃等温线的变动范围东段最南已覆盖江苏全境,西段最南到达四川中部。日均温≥10℃219天等值线东段最南端到达江苏南部,西段最南到达贵州西北部和四川南部。800 mm等降水量线和干燥度指数0.5等值线东段最南到达江苏和安徽北部,西段最南到达云南东北部。

（3）就气候变化的稳定性而言,各气象要素的大致变动范围西南段较东北段更为稳定,与秦岭在地形上形成的巨大的屏障关系密切。1月0℃等温线、800 mm等降水量线和干燥度指数0.5等值线较日均温≥10℃219天等值线更为稳定,积温日数等值线的中心线的东段已越过秦岭-淮河一线,这是因为随着全球气候变暖,中国各地气温普遍上升且极端高温的异常天气频繁出现,造成年积温的大幅上升。此外,东段的淮河一线地势坦荡,冬夏气流畅通无阻,便形成了日均温≥10℃219天等值线向北摆动幅度较大的特征。

3.2 南北过渡带范围的定量探测

3.2.1 划界气象指标等值线的年际变化将1951—2018年各划界气象指标的等值线叠加至同一图层,对比同一划界指标68年的变动情况（图3）。结果表明,年800 mm等降水量线、1月0℃等温线和干燥度指数0.5等值线的摆动范围比较大。其中,年800 mm等降水量线和干燥度指数0.5等值线北移幅度最大的年份是1964年,极端最北界的位置已越过北京和天津;南移幅度最大的年份是1978年,极端最南界的位置自西向东依次穿过湖北东南部、安徽南部和江苏南部。1月0℃等温线北移幅度最大的年份是2002年,极端最北界的位置达到河北中部;南移幅度最大的年份是2011年,极端最南界的位置到达安徽、江西两省的交界处。日均温≥10℃219天等值线的摆动范围相对较小,等值线北移幅度最大的年份均为2014年,极端最北界的位置达到北京、天津;南移幅度最大的年份均为1976年,极端最南界的位置达到江苏北部和河南中部。其余大部分年份各气候要素的变动都较为集中。

图3

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图31951—2018年各划界气象指标等值线变动范围

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 3The variation range of annual contour of demarcation indexes from 1951 to 2018

3.2.2 划界气象指标等值线位置的年代际变化图4为1951—2018年中国800 mm等降水量线、1月0℃等温线、日均温≥10℃积温4500℃等值线、日均温≥10℃219天等值线和干燥度指数0.5等值线的均值线。5个划界气象指标的均值线东段由南至北依次为1月0℃等温线、800 mm等降水量线、干燥度指数0.5等值线、日均温≥10℃219天等值线和日均温≥10℃积温4500℃等值线,西段由南至北的顺序与东段相反,表明日均温≥10℃积温4500℃和日均温≥10℃日数是68年间变化幅度最大的气候要素,其余3个气候指标在68年内较为稳定。

图4

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图41951—2018年划界气象指标多年均值线

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 4The average line of the climatic demarcation indexes from 1951 to 2018

图5（见第1864页）为各划界指标年代际的均值线,直观展现了各气候指标的年代际变化。如图5（见第1864页）所示,800 mm降水等值线在1950s—1990s间逐渐南移,在2000s又呈现出北移的趋势。其中800 mm等值线东段在1950s和1960s的北部极端位置达到北纬36°,到1990s南移到北纬34°,40年间移动距离达2个纬度。到2000s该等值线北移速度增加,仅10年又北移至北纬36°。800 mm等值线的中段在68年间也经历了先南后北的变化过程,变化幅度相对较小,中段同一经度上北部最极端位置未超过北纬34°,南部最极端位置在北纬33°附近,移动近1个纬距。800 mm等值线的西段总体呈现出逐渐南移的趋势,同一经度上南移幅度最大接近2个纬距。干燥度指数0.5等值线东段在1950s—1990s间有较小幅度的南移,1990s后大幅度向北移动,同一经度上移动接近2个纬距。干燥度指数0.5等值线西段在四川境内变动范围最大,1990s至2000s北移超过了1个纬距,68年间同一经度上最北和最南位置相距4个纬距。1月0℃等温线的东段在68年间呈现逐渐北移的趋势,最南和最北的摆动宽度在2个纬距之间,中段和西段相对稳定,摆动宽度在0.5个纬距左右。日均温≥10℃积温4500℃等值线和日均温≥10℃219天等值线随年代际呈现逐渐北移的趋势最显著。日均温≥10℃积温4500℃等值线东段在沿海一带变化较小,在河北和山东境内向北移动幅度较大,同一经度上最南和最北最大的摆动宽度达4个纬距,中段在1950s—1990s间的摆动宽度在0.5个纬距左右,到2000s北移幅度达到1个纬距,西段的摆动幅度不大,较为稳定。日均温≥10℃219天等值线东段最大摆动宽度接近4个纬距,1960s—1990s间的变化不大,但仅1990s—2000s的10年间北移幅度达2个纬距,中段的最南和最北摆动宽度未超过2个纬距,西段的摆动宽度在0.5个纬距左右（图5）。

图5

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图5划界气象指标年代际均值线变化

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 5Interdecadal variation of the average line of the demarcation indexes

从各气候指标68年及年代际变化的稳定性来看,800 mm等降水量线、1月0℃等温线和干燥度指数0.5等值线比日均温≥10℃积温4500℃和日均温≥10℃219天更为稳定,日均温≥10℃219天比日均温≥10℃积温4500℃更为稳定,因此剔除日均温≥10℃积温4500℃这一划界指标,保留其余4个气象指标进行南北过渡带的综合计算。

3.2.3 南北过渡带范围的确定根据1951—2018年南北过渡带各分界指标的均值线μ分别求取各自的μ±1std（标准差）、μ±2std（标准差）、μ±3std（标准差）等值线,相邻两条等值线所围成的闭合范围就是各气候指标的过渡带范围（图6,见第1865页）。其中,灰色的区域是南北过渡带内部气候特征相对一致且较稳定的区域,以此区域为中心,这种一致性向南北两侧逐渐隐退,直至呈现出显著的差异性。68年间南北过渡带划界指标总体均呈现出东段变动剧烈,西段相对稳定的特征。800 mm等降水量线的稳定区域主要集中在山东和河南的中南部、安徽和江苏的北部、陕西和甘肃的南部以及四川中部地区。1月0℃等温线的稳定区域集中在山东南部、河南中部、安徽和江苏北部、陕西南部和四川中部,呈现出东宽西窄的特征。日均温≥10℃日数219天等值线的稳定区域集中在山东西南部、河南西北部、河北和陕西南部、四川中北部地区。受降水的影响,干燥度指数0.5等值线稳定区域的走向与800 mm等降水量线大致相当,但其北界更偏北、南界更偏南,覆盖范围更广。

图6

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图6各划界气象指标等值线的过渡带

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 6The transitional zone of demarcation index isolines

图7显示,以灰色区域为中心将南北两侧各划界气候指标的过渡带范围依次赋值为1、2、3。通过栅格计算将赋值后的800 mm等降水量线、1月0℃等温线、日均温≥10℃日数219天等值线和干燥度指数0.5等值线4个指标进行叠加,得到数值为4~12的南北过渡带范围,采用自然间断点分类,将南北过渡带划分为气候变化稳定区、气候变化敏感区和气候变化异常区3个等级。利用ArcGIS分区统计得到中国南北过渡带的地域范围。所确定的中国南北过渡带的极端最北界自西向东依次穿过礼县、耀县、韩城、安泽、涉县、静海县;其极端最南界自西向东依次穿过北川、宁强、西乡、房县、淅川、罗山、商城、定远、临安县。此范围内共提取了637个县域,其中位于南北过渡带气候变化稳定区的县域256个,位于气候变化敏感区的县域187个。

图7

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图7中国南北过渡带范围

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1697号）绘制,底图无修改。
Fig. 7The range of China’s north-south transitional zone

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以1951—2018年的800 mm等降水量线、1月0℃均温线、日均温≥10℃积温4500℃、日均温≥10℃日数219天和干燥度指数0.5为中国南北过渡带的划界指标,运用ArcGIS的栅格计算对中国南北过渡带进行地理表达,借鉴统计学中均值-标准差的方法,探测了中国南北过渡带的边界与范围。得出如下结论：

（1）中国的南北分界是通过一条宽窄不一的过渡带来完成的,各划界指标的等值线在气候变化下迁移变化明显,各气象要素的大致变动范围西南段较东北段更为稳定,日均温≥10℃积温和干燥度指数的变化幅度大于800 mm降水线和1月0℃均温。

（2）确定的中国南北过渡带的极端最北界自西向东依次穿过礼县、耀县、韩城、安泽、涉县、静海县;极端最南界自西向东依次穿过北川、宁强、西乡、房县、淅川、罗山、商城、定远、临安县。

（3）此范围内共提取了637个县域,其中位于南北过渡带气候变化稳定区的县域256个,位于气候变化敏感区的县域187个。本研究可为中国南北过渡带农业生产适应气候变化提供科学参考。

4.2 讨论

本文的研究结论与部分****关于中国南北划分和气候带变化的研究结论相印证。首先,通过对中国南北过渡带进行地理表达,验证了中国南北过渡带的存在,回应了部分****提出的生态地理区域界线的过渡状况难以直观展现的问题^[6]。其次,在气候划界指标的动态变化特征方面,本研究发现各划界气象指标等值线东段的年代际变化呈现出明显北移趋势,这与沙万英对比了1951—1999年中国干湿气候界线位置的变化,发现中国的北亚热带东段北移明显的研究结论比较一致^[33]。但在南北过渡带范围划定方面,本文划定的范围与一些****的研究结论存在一定的差异。如杨柏等以热量指标保证率80%和30%的等值线分别作为过渡带的南缘和北缘界线,确定了1900—1989年北亚热带北界的极端最北位置处在连云港、泰安、安阳、运城、铜川、天水一线;其极端最南位置在四川盆地以东的一段处在宁海、金华、景德镇、南昌以北、至长沙一线^[32]。张剑等采用层次分析法和模糊集合理论构建了南北分界带定量计算模型,运用GIS技术将南北分界带划分为四川、甘肃、陕西、湖北、河南、安徽、江苏等7个省的130个县市^[34]。与以上结论相比,本文划定的南北过渡带的南界和北界比杨柏等人划分的南北界线更偏北,划定的南北过渡带范围比张剑等人的范围更大,这些差异均由划界目的、划界指标和划界方法的差异所造成,无法形成一致结论。就科学性而言,本文在划界指标计算时,从农业生产的目的出发,兼顾了68年间的气候的一般状态和极端状态,统计了每年气候指标的动态变化情况,研究的时间尺度更为精细,研究方法较为客观。在提取南北过渡带范围时,仅把同时达到多个气候分界指标的地区纳入过渡带范围,划分标准较为严苛,可能会造成气候过渡带范围比实际略小,但从服务南北过渡带农业生产的划界目的来看,在选取农业适应性实证研究区域时则更加客观准确。在后续的工作中,将开展历史和未来情景下中国南北过渡带范围的对比研究,重点关注不同时间尺度南北过渡带面积的变化和迁移规律,为南北过渡带农业生产防范气候变化风险提供参考。

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本文给出了划分亚热带北界的模糊综合评判模型,应用此模型确定了陕西省境内亚热带北界的最佳位置,解决了亚热带北界过渡带和指标的数值化问题。

[ Wu

Dengru

. The division of the boundaries of the north sub-tropical belt in Shaanxi province by using fuzzy mathematical method
Geographical Research, 1985, 4(3): 75-80.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/yj1985030011.

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李双成, 赵志强, 高江波. 基于空间小波变换的生态地理界线识别与定位
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董玉祥, 徐茜, 杨忍, 等. 基于地理探测器的中国陆地热带北界探讨
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DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201701011 [本文引用: 1]

热带北界一直是中国综合自然区划研究中争议较大的问题之一,不同****基于不同区划指标和方法等划定的中国热带北界界线差异较大。基于空间分异性的综合自然区划思想,依托最新的基于统计学原理的地理探测器模型,以气候要素为主导指标,辅以土壤类型与作物熟制等,探讨中国陆地热带北界的界线。结果表明：① 依据地理探测器模型所确定的中国陆地热带北界,自西向东依次经过滇、桂、粤和闽的临沧、思茅、玉溪、个旧、百色、马山、贵港、梧州、肇庆、广州、惠州、河源、梅州、漳州、泉州和莆田等地附近,其与最冷月均温12 ℃等温线、赤红壤与红壤界线及双季稻或双季稻连作喜温旱作与单（双）季稻连作喜凉旱作的分界线等基本吻合;② 利用地理探测器确定的中国陆地热带北界新界线的各项指标决定力q值的均值为0.40,分异明显,满足层内同质性和层间异质性最大的区划原则,完全达到了热带与亚热带的区域空间异质性要求,其划分结果合理可信,表明地理探测器模型可为综合自然区划提供良好的技术支撑。

[ Dong

Yuxiang

, Xu

Qian

, Yang

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, et al. Delineation of the northern border of the tropical zone of China's mainland using Geodetector
Acta Geographica Sinica, 2017, 72(1): 135-147.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201701011.

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史文娇, 刘奕婷, 石晓丽. 气候变化对北方农牧交错带界线变迁影响的定量探测方法研究
地理学报, 2017, 72(3): 407-419.

DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201703004 [本文引用: 1]

气候对北方农牧交错带界线变迁的定量影响是目前生态脆弱敏感区对气候变化响应领域的研究热点问题。前人已在气候变化对农牧交错带界线的定性影响方面有较为深刻的认识,但仍缺乏在时间和空间上对气候贡献率进行有针对性的定量辨识。本文利用1970年以来长时间序列的国家气象站点数据和土地利用遥感解译数据,分别提取了基于气候要素和土地利用的20世纪70年代、80年代、90年代和21世纪前10年4个时期的北方农牧交错带界线,通过垂直和水平方向变动探测方法（FishNet）和界线变迁方向变动探测方法（DSAS）对气候界线与土地利用界线的时空变化进行探测,定量分析了不同时期气候对农牧交错带界线变迁影响的贡献率。结果表明,气候与土地利用界线空间分布格局及气候贡献率在不同时期、不同区域差异较大,在西北地区变幅最小,东北地区变幅最大。在大兴安岭东南缘农田控制水源涵养生态功能区西北段以及内蒙古高原东南缘农、林、牧业生态—生产功能区西北段,气候与土地利用界线空间耦合关系最为密切,在该地区基于FishNet方法下水平方向上气候贡献率达10.7%~44.4%,垂直方向上达4.7%~55.9%;基于DSAS方法下气候贡献率为1.1%~16.8%。两种方法探测结果大部分趋于一致,但DSAS方法精度高,适用于小范围精确探测;FishNet方法更简单,适用于精度要求不高、快速直观的统计分析。本研究可为北方农牧交错带内农牧业生产适应气候变化、合理开发土地生产潜力、保护农牧交错带区内生态环境提供科学依据和指导。

[ Shi

Wenjiao

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Acta Geographica Sinica, 2017, 72(3): 407-419.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201703004.

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DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.2112/SI65-087.1 URL [本文引用: 1]

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DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201801002

基于秦岭南北70个气象站点观测资料,辅以极点对称模态分解方法（ESMD）,对秦岭南北近期气温时空变化特征进行分析,进而以日平均温≥ 10 ℃积温天数为主要指标,以1月0 ℃等温线变化为辅助指标,探讨秦岭山脉的气候分界意义。结果表明：① 1970-2015年秦岭南北气温变化具有同步性,呈现出“非平稳、非线性、阶梯状”的增暖过程,变化阶段可分为：1970-1993年为低位波动期、1994-2002年为快速上升期、2003-2015年为增温停滞期;② ESMD信息分解结果表明,秦岭南北气温变化以年际波动为主导,并未呈现出明显的线性增暖趋势;③ 在空间上,秦岭南北气温趋势呈现“同步增温,南北分异”的响应特征,即秦岭以北地区空间增温具有一致性,秦岭以南地区则呈现“西乡—安康盆地交界”、“商丹盆地”两个低值中心;④ 在气候变暖背景下,秦岭作为气候分界线的作用依然明显,但是南北响应方式存在差异。其中,秦岭以南,北亚热带北界沿山地“垂直上升”,汉江谷地热量资源逐年增加;秦岭以北,尽管以城市带为中心的增温区不断延展,但是冷月气温偏低的格局并未改变。

[ Li

Shuangshuang

, Lu

Jiayu

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Junping

, et al. Spatiotemporal variability of temperature in northern and southern Qinling Mountains and its influence on climatic boundary
Acta Geographica Sinica, 2018, 73(1): 13-24.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlxb201801002.

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