基于DEM的气温空间插值方法比较

基于2007—2016年新疆105个气象观测站月平均气温数据,利用GIS技术提取数字高程模型(DEM)中的经度、纬度、坡度、坡向和高程,分析气温与各地形要素之间的关系,选取普通克里金、协同克里金、多元线性回归3种空间插值方法,分别对天山以北和天山以南的气温进行插值,并通过误差分析和相关性分析对插值精度进行对比检验。结果表明:无论是天山以北还是天山以南区域,普通克里金方法更适用于夏季,协同克里金方法则更适用于冬季,多元线性回归法的整体插值精度最低。因天山南北气候差异因素,普通克里金法和协同克里金法在天山以北的插值精度优于天山以南。同时受季节特征影响,天山以北4—9月普通克里金法最优,10月至次年3月协同克里金法最优;天山以南3—9月普通克里金法最优,10月至次年2月协同克里金法最优。     

粤北山区降水量空间插值方法对比分析

利用韶关市2015—2020年区域自动气象站降水数据，选用泰森多边形法、反距离权重法、普通克里金法、协同克里金法、样条函数法、薄盘光滑样条函数法6种插值方法对降水插值效果进行对比分析，结果表明：各种插值算法一致反映出韶关地区2015—2020年平均降水空间分布整体呈现中南部多、北部少，降水大值区位于韶关南部与清远交界一带，且极值区域落在曲江南部喇叭口地形处；对于粤北山区降水插值，在前汛期、后汛期和年尺度上考虑高程和经纬度的协同克里金法的均方根误差(RMSE)最小，且能很好的反映局部地形降水特征；在月尺度上，泰森多边形法的RMSE最小。     

复杂地形区域平均气温空间插值方法研究

采用反距离权重、克立格、径向基函数法、三维二次趋势面和地理加权回归5种方法,对云南125个站1月、4月、7月、10月和年的30年平均气温进行空间插值并比较分析发现:反距离权重、克立格、径向基函数法3种常规插值方法对地形复杂的云南气温空间分布模拟精度不高;三维二次趋势面和地理加权回归模型对云南气温空间分布模拟较好,交叉检验结果显示前者的平均绝对误差(MAE)为0.43~1.02℃,均方根误差(RMSE)为0.67~1.77℃,其推算的云南气温栅格数据能较好地反映出云南各地气温的分布和差异;GWR模型对气温的交叉验证在5种插值方法中误差最小,插值结果 MAE在0.65℃以下,RMSE在0.8℃以下;进而使用"地理加权回归模型插值+反距离权重残差内插"叠加法对抽取的10个检验站平均气温进行插值检验,64%的插值结果绝对误差在0.5℃以内,74%的插值结果相对误差在5%以内,且实测值与插值估算值回归关系决定系数R2在0.9以上。     

GPS大气可降水量空间插值方法对比研究

对比分析不同空间插值模型对GPS大气可降水量的插值精度,并对插值误差影响因素进行研究.利用反距离权重法、全局多项式法、局部多项式法、径向基函数法、普通克里金法5种常用空间插值方法对SuomiNet 网GPS PWV数据进行插值,应用交叉验证法对比分析各方法的精度,得出5种插值模型均达到一定的插值精度.其中,普通克里金法和径向基函数法插值精度最高,全局多项式法和反距离权重法精度最低,而局部多项式法插值精度中等.对插值误差影响因素的分析表明,GPS站点密度越高、水汽值越低、水汽值变化程度越小,空间插值精度越高.研究成果可为大气水汽含量空间分布特征和规律研究,以及空间插值方法选取提供借鉴.     

基于DEM的复杂地形气温空间插值研究

利用江西省87个国家气象观测站点1987—2016年月平均气温资料,结合数字高程模型(DEM),建立了一个基于江西省DEM的多元线性回归空间插值模型,并与传统的反距离权重法(IDW)、普通克里金插值法(OK)和协同克里金插值法(CK)进行空间插值精度和效果对比。研究表明:基于DEM的多元线性回归空间插值方法(MLR)的误差精度和插值效果均优于其他3种传统插值方法。江西省月(年)平均气温与纬度和海拔高度呈负相关,与经度呈正相关,与坡度、坡向无明显相关性;江西省月平均气温垂直递减率约为0.35—0.65℃/(100 m),年平均气温垂直递减率约为0.49℃/(100 m)。     

基于DEM的气温插值方法研究

以甘肃河东为研究区,利用河东及周边的82个气象站点1971~2004年的月平均气温数据,结合数字高程模型(DEM),在分析平均气温与经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向地形要素相关关系基础上,提出了一种基于DEM的多元线性回归空间插值方法(MLR),并与传统的反距离平方法(IDS)、样条函数法(SPLINE)和普通克里金法(OK)进行了精度比较.精度验证结果显示:无论从误差大小还是从插值效果上,考虑了地形要素的MLR方法均优于传统的插值方法.最后,基于MLR插值方法生成84 m×84 m甘肃河东地区月平均气温栅格数据集.平均气温结果表明:河东各月平均气温大致呈现由东南向西北逐渐降低的空间格局,且平均气温的季节内波动差异较大.其中,夏季气温的波动幅度最小,波动幅度自西向东减弱;冬季次之,有自北向南减弱的趋势;春季和秋季较大,有自西南向东北降低的趋势.     

基于DEM的江苏气温空间插值研究

以江苏省及周边39个常规气象站点1957—2001年的月平均气温数据和90 m空间分辨率的DEM数据为基础,采用基于DEM的多元线性回归插值方法,分析多年平均气温与海拔、坡度和坡向等地形因子的相关关系,建立适合该区域的多元回归空间插值模型.同时与反距离权重法(IDW)和克里格(Kriging)插值法等传统方法的计算结果进行对比,并用交叉验证方法比较5种插值方法的精度.结果表明:该研究区各月气温递减率在 0.5~0.9 ℃/(100 m) 左右;基于DEM的多元线性回归空间插值方法(MLR)无论从插值效果还是误差精度上,均优于其他传统插值方法.插值结果客观地表达了气温与各地形要素的相关性,反映了气温的空间变异性.     

基于ANUSPLIN软件的逐日气象要素插值方法应用与评估

气象要素是资源、环境、灾害以及全球变化等领域研究的数据基础,格点化数据在未来研究应用中显得日益重要。本文基于中国境内667个基本和基准地面气象观测站点的基本气象资料,使用ANUSPLIN专用气候插值软件对1961-2006年逐日气温、降水进行插值,并利用未参与插值的全国1667个加密站点对插值结果的准确性进行检验,同时与反向距离权重法和普通克吕格法等插值方法的结果进行对比。结果表明,利用667个站点使用ANUSPLIN软件进行逐日平均气温插值有92.0%的误差在2.0℃以内,75.0%的误差在1.0℃以内,0.9%的误差在5.0℃以上,平均绝对误差为0.8℃;对逐日降水进行插值,75.0%的误差小于5.0mm,85%的误差小于10.0mm,平均绝对误差为6.4mm,误差大小与降水量呈现出正相关性,对局地强降水的插值效果不好,这可能与参与局部拟合插值的样本数太少有关;同时,夏季的温度插值误差小于冬季,而冬季的降水误差小于夏季。将ANUSPLIN的局部薄盘样条插值结果分别与反向距离权重法和普通克吕格法的插值结果进行对比,显示ANUSPLIN软件的插值误差最小。结果同样表明,适当增加站点数量和提高DEM精度可进一步提高ANUSPLIN软件的插值精度。     

基于GIS的浙江省年平均气温空间模拟研究

高精度的空间化气温信息对于区域热量资源利用和农业结构调整等方面具有重要意义。本文选取浙江省72个气象站点1971—2008年的年平均气温作为数据源,以地理信息系统(GIS)为技术平台,采用逆距离权重法、普通克立格、样条法和多元回归法等四种空间插值方法,对研究区年平均气温进行空间插值,通过预设的10个检验站点来对插值结果进行评估。结果表明:多元回归法的相对平均误差、绝对平均误差、均方根误差分别仅为0.010、0.173和0.221℃,误差均小于其他三种插值方法,插值效果最好,对于验证站点的年平均气温模拟最接近实际值。     

基于符号回归的四川省多因子气温空间插值

以四川省为例开展复杂地形下气温插值方法的研究,结合遥感数据、DEM数据与气象站点数据,基于符号回归分别构建多因子气温插值模型、少因子气温插值模型,并与多元线性回归模型和传统插值方法(反距离权重法、普通克里金法、协同克里金法)进行对比。结果表明：基于符号回归的两种模型与多元线性回归模型在四季插值精度均显著优于传统插值方法,其中多因子气温插值模型在四季精度皆为最高;评估基于符号回归的两种模型与多元线性回归模型在简单与复杂地形区域下的气温插值精度,多元线性回归模型在夏季整体精度最差,少因子气温插值模型在冬季的复杂地形区域插值精度最低,而多因子气温插值模型在两种地形区域的全年插值精度皆最优;多因子气温插值模型的气温空间分布特征与遥感气温产品最相近,整体误差较小,可精准反映气温空间分布特征。基于符号回归的多因子气温插值模型可以提升复杂地形区域气温插值精度。     

基于地统计方法的气候要素空间插值研究

在回顾了地统计学的产生、发展及其基本原理的基础上,对于目前众多可以提供计算网格的气候要素的空间插值方法中,具体探讨了普通克里格法和协同克里格法。将甘肃省1961—1990年30年平均降水量和蒸发量作为区域化变量,根据不同的半变异函数理论模型,采用普通克里格法和双变量协同克里格法,通过对比分析得到：（1）不论是多年均降水量还是多年平均蒸发量在空间上都呈现明显的梯度变化,二者的空间变程都很大,而降水量变化幅度更大。降水量从东南部向西北部逐渐减少,蒸发量则相反,从东南向西北逐渐增加。（2）基于地统计的插值方法,根据半变异函数云图和试验方差最小的原理,选择合适的半变异函数理论模型进行变量的空间插值,能够较好地模拟区域化变量的空间连续分布格局,并取得较好的效果。对比普通克里格法和协同克里格法,后者增加了高度对降水量和蒸发量的影响,在空间分布上更为合理,插值的精度也要明显好于普通克里格法。（3）采用地统计方法虽然在总体上能够较好地反映气候要素的空间分布格局,但检验显示,两种方法空间插值的精度都还不是很高,插值的精度还有待进一步提高。     

基于DEM修订的新疆区域气温空间插值精度优化研究

为研究新疆地区气温的空间变异性,以新疆66个国家气象台站1981—2010年月平均气温和30 m空间分辨率DEM数据为基础,采用传统插值法、基于DEM多元线性回归插值和基于DEM修正的空间插值方法对新疆区域气温数据进行栅格化,并分析年平均气温与海拔的相关关系。通过采用反距离权重法(IDW),普通克里格法(Kriging),样条函数法(Spline)和趋势面分析法(Trend)4种空间插值方法对气象要素进行直接插值、气温多元回归模型残差结果插值、基于DEM修正插值对比分析。通过针对插值方法进行基于MAE和RMSIE的交叉验证,结果表明传统插值方法、基于多元线性回归和基于DEM修正4种空间插值精度均为IDWKrigingSplineTrend。反距离权重(IDW)空间插值方法最优,基于DEM修正IDW插值、基于多元线性回归IDW插值与传统IDW插值精度分别是0.039、0.477、1.038,插值结果客观的表达了新疆区域气温随空间梯度的变化趋势。     

日降水量空间插值方法研究

采用反距离权重法和普通克里格方法对26°~34°N, 103°~115°E范围内2004年逐日降水量进行空间插值试验分析, 分辨率为1 km×1 km。采用交叉检验方法和准确率方法对两种方法插值的总体效果及不同等级的降水插值效果进行综合对比。结果表明:两种方法插值效果近似, 插值结果与实测值相关系数分别为0.83和0.82。但对日雨量较大的情况, 两种方法插值效果均有所降低, 相关系数为0.66和0.67。两种方法的实测值与插值结果的相关系数在不同季节非常接近, 并且均以春季最大, 其次为冬、秋季, 夏季相关系数最小; 通过采用平均误差、平均绝对误差和均方根3个指标衡量及不同等级雨量的插值准确率统计比较, 普通克里格方法插值效果略好于反距离权重法。     

中国西部主要台站积雪深度的空间插值研究

应用空间插值方法,对中国西部地区(27.17～48.05°N,79.05～103.57°E)110个气象台站的观测数据进行空间内插,研究积雪分布特征。结果表明,普通Kriging法和Cokriging法都能够反映出研究区积雪深度分布的空间结构特征,与实际情况比较吻合。但相比之下,Cokriging法的精度更高,局部特征的反映更佳。分析发现,影响插值结果精度的主要因素是研究区内气象台站稀少,且空间分布很不均匀。通过合理的采样设计,选择合适的插值方法,并考虑地形、气候等影响积雪分布的因素将有利于改善空间插值精度。     

新疆地区平均气温空间插值方法研究

基于1981—2008年新疆地区53个测站和甘肃青海邻近10个测站的多年月(年)平均气温进行探索性分析和试验性插值的基础上,以"多元回归+残差内插+地形调节"和"海拔订正+零海拔插值+地形调节"两种混合性气温空间插值方法对该地区的多年月(年)平均气温进行了空间分布插值、交叉验证和对比分析。结果表明,单一的任何一种确定性函数或地统计方法都不能对新疆地区的气温进行较准确的插值,缺乏对影响因子的考虑,与实际情况相差较远;两种混合性插值方法都可以得到较精确的气温空间插值结果,空间分布一致,精度都随月份有所差异,对夏、秋季的插值结果较冬、春季的稳定、精度高;两种方法对夏、秋季各月的插值结果并无显著差异,而在冬、春季后者的误差大于前者。整体而言,"多元回归+残差内插+地形调节"的方法较"海拔订正+零海拔插值+地形调节"法更准确、稳定,但两种方法各有优缺点,应根据实际应用情况进行选择。     

基于RS和GIS技术的新疆气温空间插值方法探讨

分析新疆90个气象站点2004年年均气温与经纬度、海拔高度的关系,之间具有较好的线形相关关系(r2=0.897)。通过"回归方程计算 空间残差"的方法对全疆2004年年均气温数据进行插值。验证结果为:插值计算值与实测值间相关系数r2=0.994,平均误差1.53%。插值结果表明:利用"回归方程计算 空间残差"的方法可以生成高精度、高空间分辨率新疆年平均网格温度结果。     

气象要素插值的空间化精度提高方法研究

为了提高气象要素空间化的精度,本文提出通过预先对气象数据进行处理,然后再进行空间化,以比较直接插值与原始数据处理之后再插值的精度的变化。文中采用数据为全国743个常规气象站40 a(1961—2000年)整编气象资料及2005年的常规气象资料;插值方法有反距离加权法(IDW)、克立格法(Kriging)和样条函数法(Spline);数据预处理方法采用距平处理。结果发现:使用IDW、Kriging和spline对平均温度距平进行插值精度比较,发现IDW方法最优;温度距平精度的提高比降水和相对湿度要好;降水距平误差呈现由东向西递增的趋势。由此可见,对气象要素做距平处理可以有效提高插值精度。     

基于Shepard和OI方法对雨量计逐时资料的分析

引入地形影响效应的日降水量气候分析场,分别运用Shepard和最优插值(OI)两种插值方法对广东和广西2007年5月20日—8月30日汛期小时雨量计降水量进行插值,得到0.125°×0.125°分辨率的规范化网格资料。结果表明:无论是直接插值还是用降水比率(地形影响效应的日降水量气候分析场)插值,两种方法均能很好地体现广东和广西雨量计站点观测降水的季内变化和日变化特征。虽然用直接插值方法比用降水比率插值方法得到的降水空间分布更为平滑,但估值精度没有用降水比率插值方法高。通过交叉检验进一步表明,总体上OI方法优于Shepard方法,而考虑地形影响效应的降水比率OI方法为最优,能有效提高相关性,并减少均方根误差和系统误差。     

中国区域高分辨率温度实况融合格点分析产品质量评估

采用两种插值方法将2018年2m气温实况融合格点分析产品插值到2380个国家级考核站,通过相关系数、平均值误差、平均绝对误差、均方根误差及准确率等指标对该产品进行评估。结果表明:利用邻近插值法得到的评估结果略优于双线性插值法,实况融合格点分析产品的评估结果具有一定的日变化和月变化。总体而言,逐小时实况融合格点产品与站点实况基本一致,具有较高的参考性,其相关系数达到0.99以上,均方根误差在1℃以下,2℃以内准确率达到98%以上,1℃以内准确率达到95%以上。分省和分海拔评估结果表明,评估结果随海拔高度的增加而变差,因此在海拔较高、地形较复杂区域、气象站较稀疏区域应用该产品时应谨慎;由小时实况融合格点产品获得的日最高、最低温度也有很高的指示性;该产品对高温过程也有较好的监测能力。      

河北地区气温内插模型及检验方

以1965—1999年河北省逐月平均气温为研究对象,采用一元线性回归法和IDW(Inverse Distance Weighted)相结合的方法,将温度插值到河北省整个区域,绘制河北省温度空间分布图,实现河北省年内各月平均气温空间填图;同时,分析了河北省冬季和夏季各月的月平均温度的误差精度。结果表明：插值的结果与观测值的相关系数(R)在12个月均大于0.82,显示插值方法具有较好的模拟精度,可用于气温的空间插值和特征分析。