SPATIAL EVALUATION OF THE AGROCLIMATIC SUITABILITY OF THE HENAN PROVINCE BASED ON DATA FROM WEATHER STATIONS AND THE ERA5 REANALYSIS
SPATIAL EVALUATION OF THE AGROCLIMATIC SUITABILITY OF THE HENAN PROVINCE BASED ON DATA FROM WEATHER STATIONS AND THE ERA5 REANALYSIS
Abstract
The aim of the study is to quantitatively assess the spatial variation in the agroclimatic suitability of Henan Province. Daily observations from 68 meteorological stations covering the period 1995–2024 were used; following a check for completion and quality, 42 stations were included in the analysis. Continuous fields were constructed using the ordinary kriging method, and ERA5 reanalysis data were applied to supplement the spatial traits of climatic resources. The Comprehensive Suitability Index (CSI) was calculated as the average of the scores for thermal resources, duration of sunshine and the moisture coefficient. It was established that the sum of the mean daily temperature ranges from 4,891.6 to 6,497.7 °C·day (amplitude 1,606.1 °C·day), the average duration of sunshine ranges from 4.82 to 5.83 h/day (range 1.01 h/day), and the humidity coefficient ranges from 1.15 to 3.39 (range 2.24). The most favourable combination of factors is characteristic of the western and central parts of the province, while the least favourable is found in the eastern and northeastern regions. For the mountainous west, the ERA5 results are interpreted as a relative spatial characteristic: the smoothing of the relief and the discrepancy between the grid cell elevation and the station elevation may cause systematic temperature shifts and weaken local orographic contrasts. The resulting scheme is suitable for regional planning, provided it is verified locally in areas with complex terrain.
1. Введение
Провинция Хэнань относится к ключевым зернопроизводящим регионам Китая. В 2024 г. площадь посевов зерновых культур в провинции составляла 10,777 млн га, валовой сбор — 67,194 млн т, а средняя урожайность — 6234,8 кг/га
. Поэтому пространственная неоднородность тепла, солнечного сияния и влагообеспеченности имеет значение не только для размещения культур внутри провинции, но и для устойчивости национального производства зерна.Агроклиматическая пригодность выражает степень соответствия климатических ресурсов биологическим требованиям культур. В исследованиях территории Хуанхэ-Хуайхэ-Хайхэ и Китая в целом для такой оценки применяют нормирование температуры, осадков и радиации с последующим объединением показателей в ГИС
, . Для летней кукурузы в Хэнани ранее установлены северо-южный градиент световых ресурсов, межгодовая изменчивость тепла и неоднородность осадков . Моделирование фенологии и урожайности также показывает, что температура и осадки сильнее влияют на погодную составляющую урожая кукурузы, чем солнечная радиация и ветер . Исследования засух указывают на повышенную повторяемость дефицита влаги в северной и восточной частях провинции и на необходимость учитывать не только осадки, но и испаряемость .Несмотря на развитую методику агроклиматического районирования, для управленческих решений требуется единая пространственная схема, которая показывает совместное действие основных метеорологических ограничений на современном 30-летнем интервале. Цель работы — оценить пригодность метеорологических условий провинции Хэнань для сельскохозяйственного производства по тепловым ресурсам, продолжительности солнечного сияния и соотношению испарения и осадков. Для достижения цели решались задачи контроля и приведения исходных данных, пространственной интерполяции частных показателей, их нормирования и построения комплексного индекса, а также интерпретации полученного районирования с учетом сельскохозяйственной специализации и методических ограничений.
2. Материалы и методы
2.1. Территория исследования и исходные данные
Хэнань расположена в центральной части Китая приблизительно между 31°23′–36°22′ с. ш. и 110°21′–116°39′ в. д. Равнинные территории преобладают в центре и на востоке, а горные и холмистые участки — на западе и северо-западе. Такое сочетание широтного положения и рельефа формирует выраженные пространственные градиенты тепла и влаги.
Исходную основу составили ежедневные наблюдения температуры воздуха и атмосферных осадков на 68 станциях за 1995–2024 гг., полученные из Национального центра метеорологической информации Китая
. Продолжительность солнечного сияния и испарение определялись по реанализу ERA5 на одноуровневых поверхностях . ERA5 объединяет наблюдения и численную модель атмосферы в согласованный во времени набор данных, что позволяет заполнять пространство между станциями, однако не исключает региональных смещений и требует осторожности при интерпретации локальных значений . Тридцатилетний период соответствует принятой продолжительности климатологической нормы, хотя интервал 1995–2024 гг. не является стандартным десятилетним периодом ВМО и рассматривается здесь как современное многолетнее среднее .2.2. Подготовка показателей
Из анализа исключали станции, для которых доля пропусков хотя бы в одном основном ряду превышала 5%. После контроля полноты сохранились 42 станции. Все слои были приведены к географической системе координат GCS WGS 1984. Значения ERA5 извлекались по координатам контрольных пунктов и затем агрегировались до годовых и 30-летних характеристик.
Тепловые ресурсы характеризовали годовой суммой среднесуточных температур T, выраженной в °C·сут. Этот показатель отличается от среднегодовой температуры и отражает накопленное за год тепло. Световые ресурсы описывали средней суточной продолжительностью солнечного сияния S, ч/сут. Условия увлажнения выражали безразмерным коэффициентом испарения E = Ev/P, где Ev — годовая сумма испарения, мм, а P — годовая сумма осадков, мм. Рост E означает усиление потенциального дефицита влаги. Использование отношения испарения и осадков соответствует физическому смыслу водного баланса, но не заменяет расчет эталонной и фактической эвапотранспирации по данным о радиации, влажности и ветре
.2.3. Пространственная интерполяция и комплексный индекс
Непрерывные поверхности T, S и E создавались в ArcGIS 10.8 методом обычного кригинга. Метод учитывает пространственную автокорреляцию наблюдений и позволяет получать оценки в узлах регулярной сетки. В отличие от детерминированной интерполяции, кригинг опирается на модель вариограммы; поэтому качество результата зависит от плотности пунктов и выбранных параметров пространственной модели
.Каждый показатель переклассифицировали по пятибалльной шкале (табл. 1). Для температуры и солнечного сияния большему значению соответствовал больший балл; для коэффициента испарения направление шкалы было обратным. Поскольку обоснованных различий в весах не установлено, частным индексам присвоены равные веса. Комплексный индекс пригодности метеорологических условий CSI рассчитывали по формуле
где IT, IS и IE — балльные оценки тепловых ресурсов, продолжительности солнечного сияния и коэффициента испарения соответственно. Значения CSI находятся в диапазоне от 1 до 5. Для картографического отображения итоговую поверхность разделили на пять относительных классов: очень низкая, низкая, умеренная, высокая и очень высокая пригодность. Эти категории показывают различия внутри Хэнани и не являются универсальными порогами для отдельных культур.
Критерии балльной оценки метеорологических показателей
Балл | T, °C·сут | S, ч/сут | E, безразм. |
1 | < 5336 | < 5,0 | > 2,8 |
2 | 5336–5566 | 5,0–5,2 | 2,4–2,8 |
3 | 5566–5796 | 5,2–5,4 | 2,0–2,4 |
4 | 5796–6026 | 5,4–5,6 | 1,6–2,0 |
5 | > 6026 | > 5,6 | < 1,6 |
3. Результаты
3.1. Пространственное распределение тепловых ресурсов
Распределение годовой суммы среднесуточных температур в пунктах наблюдений за 1995–2024 гг.
Балльная оценка тепловых ресурсов провинции Хэнань
3.2. Пространственное распределение солнечного сияния
Средняя суточная продолжительность солнечного сияния составляла 4,82–5,83 ч/сут (рис. 3). Более высокие значения наблюдались в северной и северо-западной частях Хэнани, тогда как южные районы отличались меньшей продолжительностью солнечного сияния. После интерполяции сформировался устойчивый градиент снижения показателя с севера на юг (рис. 4). Такой рисунок согласуется с ранее установленным уменьшением световых ресурсов в южном направлении
.
Средняя суточная продолжительность солнечного сияния в пунктах наблюдений за 1995–2024 гг.
Балльная оценка продолжительности солнечного сияния в провинции Хэнань
Значительная часть северных и северо-западных районов получила 4–5 баллов, а центральные и южные районы — преимущественно 1–3 балла. Для сельскохозяйственного производства этот фактор следует рассматривать совместно с температурой и влагой: высокая инсоляция повышает фотосинтетический потенциал, но при недостатке осадков одновременно усиливает испарительный спрос.
3.3. Пространственное распределение коэффициента испарения
Коэффициент испарения изменялся от 1,15 до 3,39 (рис. 5). Наиболее высокие значения отмечены в центральной и северной частях провинции, что указывает на повышенную вероятность несоответствия между испарительным расходом и поступлением осадков. На юге и юго-западе коэффициент ниже, поэтому балльная оценка влагообеспеченности выше (рис. 6). Пространственная картина согласуется с исследованиями SPEI, выявившими существенную неоднородность засух и повышенную частоту дефицита влаги в отдельных северных и восточных районах
.
Коэффициент испарения в пунктах наблюдений за 1995–2024 гг.
Балльная оценка коэффициента испарения в провинции Хэнань
3.4 Комплексная пригодность
Комплексная карта показывает мозаичное сочетание факторов (рис. 7). Очень высокая и высокая пригодность формируется локально там, где благоприятные значения влагообеспеченности сочетаются с достаточными тепловыми и световыми ресурсами. Такие участки выделяются на западе, юге, юго-востоке и частично на востоке. Очень низкие и низкие значения сосредоточены в центральной и северо-центральной частях, где один или два лимитирующих фактора снижают среднюю оценку.
Комплексная оценка пригодности метеорологических условий для сельскохозяйственного производства в провинции Хэнань
Равное взвешивание делает вклад трех факторов прозрачным: снижение одного частного индекса на один балл уменьшает CSI на 0,33 балла. Вместе с тем компенсационный характер среднего значения означает, что высокий балл по одному фактору может частично скрыть сильное ограничение по другому. Поэтому итоговую карту необходимо анализировать совместно с картами отдельных показателей.
Количественный размах агроклиматических показателей в провинции Хэнань
амплитуда рассчитана как разность максимального и минимального значений; отношение max/min показывает кратность пространственного контраста
Показатель | Минимум | Максимум | Амплитуда | max/min |
Тепловые ресурсы T, °C·сут | 4891,6 | 6497,7 | 1606,1 | 1,33 |
Солнечное сияние S, ч/сут | 4,82 | 5,83 | 1,01 | 1,21 |
Коэффициент увлажнения E | 1,15 | 3,39 | 2,24 | 2,95 |
4. Обсуждение
4.1. Сопоставление с результатами других исследований
Выявленные градиенты в целом соответствуют опубликованным данным по Хэнани и равнине Хуанхэ-Хуайхэ-Хайхэ. Для летней кукурузы ранее показано уменьшение световых ресурсов с севера на юг и увеличение неравномерности водообеспеченности
. Для системы озимая пшеница — летняя кукуруза установлено, что температура и осадки должны оцениваться совместно, поскольку достаточное тепло не компенсирует водный дефицит . Исследование фенологии кукурузы в Хэнани также определило температуру и осадки как основные факторы погодной изменчивости урожая .Полученный CSI описывает не пригодность конкретной культуры, а общий метеорологический фон. В специализированных моделях пороги температуры, радиации и воды задаются по фазам развития и объединяются функциями принадлежности или биофизическими зависимостями
, . Глобальные оценки пригодности дополнительно учитывают почву, рельеф и возможность орошения . Поэтому настоящая карта должна использоваться как первый уровень районирования, после которого требуется отдельная оценка для озимой пшеницы, летней кукурузы, риса, хлопчатника или других культур.4.2. Практическая интерпретация
В центральных и северных районах при повышенном E приоритетными мерами являются сохранение почвенной влаги, контроль сроков полива, использование засухоустойчивых сортов и снижение непродуктивного испарения. В районах с меньшей продолжительностью солнечного сияния целесообразно учитывать густоту посева и выбирать сорта, соответствующие местному тепловому и световому режиму. На юге, где годовой баланс влаги более благоприятен, решения должны учитывать риск сезонного переувлажнения и необходимость отвода избытка воды. Эти рекомендации согласуются с общими принципами расчета водопотребления культур: потребность в орошении определяется по фазам развития и фактической эвапотранспирации, а не только по годовому отношению испарения и осадков
.Для регионального управления полезно совмещать карту CSI с границами посевов, почвенными картами, цифровой моделью рельефа и данными об оросительной инфраструктуре. Такая интеграция позволит отделить климатические ограничения от ограничений, которые можно уменьшить агротехническими мерами. При обновлении оценки следует рассчитывать индекс по скользящим 30-летним периодам, поскольку пригодность территории меняется вместе с климатом
, .4.3. Систематические смещения ERA5 в условиях сложного рельефа западной части провинции
Особое внимание при интерпретации карт следует уделять западной части провинции, где горные массивы Фунюшань и Сюнъэршань формируют резкие высотные градиенты. Пространственное разрешение ERA5 0,25° сглаживает локальные орографические контрасты, поэтому высота модельной ячейки может отличаться от фактической высоты станции или сельскохозяйственного участка. Если высота ячейки ниже высоты участка, приземная температура может быть систематически завышена; при обратном соотношении возможно ее занижение. Для осадков и связанных с ними характеристик увлажнения сглаживание рельефа способно ослаблять наветренные максимумы и подветренные минимумы, а параметризация конвекции — искажать интенсивность сильных событий. Следовательно, локальные экстремумы западной зоны могут быть представлены менее контрастно, чем в действительности.
Этот вывод согласуется с общекитайской проверкой ERA5: для годовых и сезонных сумм осадков получены коэффициенты корреляции 0,796–0,945, однако отмечено летнее завышение осадков и ухудшение согласия с наблюдениями по мере увеличения высоты и сложности рельефа
. В независимой оценке ERA5-Land для гор Цилянь температурное смещение составляло от −5,6 до 1,6 °C, средняя RMSE — 2,2 °C, а различие высот сеточной ячейки и станции объясняло 53,5% вариации смещения . Эти численные оценки характеризуют другой горный регион и не используются как поправочные коэффициенты для Хэнани; они подтверждают механизм возникновения орографически обусловленной погрешности. Поэтому для западной части провинции карты настоящего исследования следует трактовать прежде всего как относительное районирование. При последующем уточнении необходимы попарная проверка «станция — ячейка» с расчетом Bias, MAE и RMSE по высотным поясам, температурная поправка по разности высот и отдельная коррекция распределения осадков.4.4. Ограничения исследования
Первое ограничение связано с пространственной неоднородностью исходных данных. После контроля полноты использованы 42 станции, а значения солнечного сияния и испарения получены из реанализа; точность карт может снижаться в горах и на удалении от пунктов наблюдений. Второе ограничение — отсутствие независимой проверки интерполяции и итогового индекса по урожайности. Без средних ошибок кригинга и анализа чувствительности нельзя количественно оценить неопределенность границ классов.
Третье ограничение определяется набором факторов. CSI не включает экстремальные температуры, продолжительность засух, интенсивные осадки, влажность почвы, ветер, заморозки, почвенное плодородие, рельеф и орошение. Четвертое ограничение состоит в равных весах и компенсационном объединении показателей. В дальнейшей работе веса следует определять отдельно для культур и фаз развития, а результаты проверять по многолетним данным урожайности. Для оценки засух целесообразно дополнительно использовать SPEI или комплексные индексы, в которых осадки сопоставляются с потенциальной эвапотранспирацией
.5. Заключение
По данным 42 станций за 1995–2024 гг. установлены количественные пределы пространственной изменчивости основных агроклиматических ресурсов Хэнани. Сумма средней суточной температуры составляет 4891,6–6497,7 °C·сут (амплитуда 1606,1 °C·сут; отношение максимума к минимуму 1,33), средняя продолжительность солнечного сияния — 4,82–5,83 ч/сут (амплитуда 1,01 ч/сут; отношение 1,21), коэффициент увлажнения — 1,15–3,39 (амплитуда 2,24; отношение 2,95). Наибольший пространственный контраст, следовательно, связан с обеспеченностью влагой.
Комплексный индекс CSI выделяет наиболее благоприятное сочетание тепла, света и влаги в западной и центральной частях провинции и менее благоприятное — в восточных и северо-восточных районах. При равных весах снижение любого частного показателя на один балл уменьшает CSI на 0,33 балла. Это количественно подтверждает лимитирующую роль отдельного ресурса: высокий тепловой потенциал востока не компенсирует менее благоприятную структуру увлажнения.
Полученное районирование может использоваться для дифференциации сроков полевых работ, выбора культур и приоритетов мелиорации. Вместе с тем в горной западной части значения, основанные на ERA5, следует рассматривать как относительную пространственную характеристику из-за сглаживания рельефа и возможного расхождения высоты сеточной ячейки с высотой участка. Для перехода к локальным производственным нормативам необходимы станционная верификация и коррекция смещений по высотным поясам; для востока приоритетными остаются влагосберегающие технологии и регулирование стока, для запада — противоэрозионные меры и учет экспозиции склонов.