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.     

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。     

智能网格气温降水实况插值方法优选研究

为生成任意位置气象“实况”，在智能网格5 km空间格距整点气温和小时降水量“实况”的基础上，选取湖北省10个不同地形和气候分区的气象站为代表站，开展了双线性插值、最近邻插值、反距离权重插值等3种不同插值方法的对比试验。结果表明：（1）整点气温插值反距离权重法精度最高，平均绝对误差为0.53℃。插值效果随气温升高而降低、随海拔高度上升而降低。（2）小时降水量插值双线性插值法精度最高，平均绝对误差为0.17 mm。08时插值效果最佳，20时插值效果最差；插值效果随降水强度增大而降低。     

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。     

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。     

陕西苹果主产区日最低(最高)气温的空间插值

分考虑海拔高度对气温的影响和不考虑海拔高度对气温的影响两种情况,用反距离权重法、样条法、普通克里格法对日最低气温和日最高气温空间插值,并对插值的结果交叉检验,结果表明,考虑海拔高度对气温影响下的普通克里格插值法是诸多方法中的最佳选择。     

精细化网格的降水预报解析方法对比

以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)精细化网格降水预报资料、自动气象站观测资料、中国气象科学数据信息网提供的三源融合降水产品为基础,研究最邻近点法、反距离权重法、最小二乘法和双线性插值法在格点降水向站点以及格点降水插值到更细网格中的优缺点和适用性。在模式预报相对准确精细的基础上,得出以下结论:1)最邻近点法在格点向站点解析方面预报技巧评分表现最好,其次为反距离权重法;2)将降水场变换到更高分辨率的格点降水,4种解析结果和原始场均存在一定的差异,其中最小二乘法的空间形态失真最为严重;3)反距离权重法在较粗网格向更细网格变换中的平均TS评分表现最好,而最邻近点法的ETS评分最高。     

河北省太阳总辐射经验系数两种气候学计算方法的比较分析

利用河北省周边8个日射站逐月日照百分率资料和太阳总辐射资料,采用最小二乘法拟合经验系数a、b,然后分别通过纬度分区和反距离权重插值两种方法得到河北省142个测站的经验系数a、b,并据此求出河北省内四个具有辐射观测数据台站的总辐射值,对比分析了实测值与不同经验系数下总辐射估算值之间的差异。结果表明：纬度分区和反距离权重插值两种方法所建立的太阳总辐射量估算公式的模拟精度总体差别不大,但采用纬度分区法所得的经验系数,在计算太阳辐射年总量时与实际观测值更为接近,因此建议采用纬度分区法计算河北省各地太阳总辐射量。     

基于机器学习的气温要素空间插值

掌握近地表气温的空间分布对于科学理解生态环境变化和陆地-大气热力学相互作用机理等至关重要,然而气象观测站在地理空间上分布不均,为区域的气温插值带来了挑战。本文以全国711个气象站点的月平均气温为基础数据,分析了气温与经度、纬度和高程的相关性,利用随机森林、支持向量机、高斯过程回归三种机器学习方法,对中国陆地区域的气温进行了空间插值,并与反距离权重、普通克里金以及ANUSPLIN等传统的插值方法以及全球土地数据同化系统（Global Land Data Assimilation System,GLDAS）气温数据产品进行对比。结果表明：（1）在整个中国陆地区域,利用机器学习进行气温插值的精度明显高于传统的反距离权重和普通克里金插值,并且机器学习方法明显提高了夏季的气温插值精度（R2）;(2)在三种机器学习方法中,高斯过程回归表现最好,支持向量机次之,然后是随机森林,ANUSPLIN具有较高的插值精度,但是整体低于高斯过程回归模型;（3）在气象站点稀少且分布不均匀的青藏高原地区,三种机器学习方法插值精度明显高于反距离权重和普通克里金方法,且整体优于ANUSPLIN的结果,尤其是在夏季,机器...     

Delaunay三角剖分法在降水量插值中的应用

Delaunay三角剖分方法在空间分析中具有重要地位,文中简要介绍了Delaunay三角网特性和常用的3类算法,并对随机增长法实现过程进行了详细阐述.根据三角分片线性插值原理,求得插值系数,实现对任意点的三角分片线性插值.利用2008年中国2200个观测站的08时24 h降水量资料,对全中国范围及划分的8个区域内相应的0.28125°×0.28125°降水量格点场,使用交叉检验方法,对比分析了三角分片线性插值和反距离权重法的估值准确率.结果表明:在各区域,三角分片线性插值法的均方根误差偏小;在站点较密集的区域,均方根误差、平均绝对误差比较中,三角分片线性插值都有一定的优势;在平均误差对比中,三角分片线性插值优势明显,在全中国范围交叉检验中,三角分片线性插值法对应的年平均误差是0.005 mm,而反距离权重法为-0.107 mm,对其可能的原因进行了分析,证明了Delaunay三角剖分法的合理性.同时,从图形上展示了降水量的Delaunay三角网的三维结构图和三角分片线性插值后的格点场,在直观上,Delaunay三角剖分后得到降水分布和实况保持一致,并有较好的视觉效果;通过三角分片线性插值得到的格点场降水量分布图,克服了反距离权重法的固有缺陷,使获得的降水量格点场趋于合理,提高了插值精度.最后,探讨了Delaunay三角网在气象领域的应用前景.     

用于区域陆面过程模拟的土壤特征参数的空间插值方法研究

用于气候模型的陆地过程模型包括陆地水文过程模型和地球生物化学过程模型等,它们需要网格化的土壤物理和化学属性资料。目前,用于该类模型的土壤资料基本上是来源于20世纪70年代联合国粮农组织的1：5000000土壤图和4300多个土壤剖面的属件资料,其中所用的中国地区的土壤剖面资料不足200个。这些资料显然不能很好地表达中国区域土壤的空间分异性。早在20世纪80年代中国就开展了大规模全国范围的土壤普查,积累了数以万计土壤剖面的属性资料,但都是纸质数据。根据需要,作者已数字化近10000个中国土壤剖面的属性数据。为了模型的应用,需要对属性数据进行空间网格化处理。但土壤具有高度的空间分异性,为了使网格数据具有好的空间代表性,需要对空间插值方法进行研究。利用空间插值的方法对土壤要素的空间变异的研究,已有大量工作,但所研究区域范围较小,要素单一。作者基于1：1000000土壤地图,利用反距离权重空间插值法,对中国土壤属性进行了空间插值,最终结果表明：对于土壤中砂粒含量、粘粒含量、有机质值以及全氮含量的插值计算,基于相邻剖面反距离权重法的空间插值效果要优于同一土属下土种的空间插值;而对于粉粒含量、全磷含量和pH值的插值计算,利用同一土属下土种的空间插值效果则更优;对于土壤全钾含量的插值结果,两种方法相差不大。     

GIS空间插值方法在内蒙古气温插值中的应用

文章对GIS软件中几种常见插值方法的原理进行了详述,剖析了插值过程中参数设置对插值结果产生的影响。以内蒙古多年平均气温插值为例,对比了各种插值方法的优劣,结果表明:普通克里金法的插值结果最能反映内蒙古多年平均气温的分布特征,均方根误差为1.138℃;反距离权重法可反映基本特征但等值线不够平滑、局部有"牛眼"现象,均方根误差为1.260℃;趋势面法不能反映基本特征,均方根误差为1.425℃;使用协同克里金法,将高程作为协同因子对普通克里金算法进行改善,未取得明显效果。     

台站温度质量控制中IDW算法改进及应用

在反距离加权插值算法的基础上,结合气象上温度随高程的变化,以及各测站垂直方向上温度场与气压场的关系,对国内地面气象观测站的温度数据进行插值算法改进。然后,从搜索半径与距离权重系数的关系,以及参与插值站点数量与距离权重系数的关系两个方面进行试验数据分析,试图找出相对最佳的算法参数和最小的插值误差。最后,将改进的算法应用到温度观测数据的质量控制中。结果表明:改进后的算法可明显改善因近地面逆温造成的插值误差,在台站分布较密集的我国中东部地区,温度质量检验的灵敏度可达到1至5摄氏度。     

基于GIS的气温和降水推算方法研究

针对开展乡镇天气预报对高精度逐日气象要素输入值的需求,以辽宁地区为例,选用克立格法(Kriging)、距离权重反比法(IDw)、带高度梯度订正的距离权重反比法(GIDW)及样条函数法(spline)4种插值方法,进行有限气象站点1～12月逐日气象要素空间插值方法研究并对估值进行检验.结果表明:对温度而言,GIDW方法估值精度较高,插值结果分布趋势也较为接近实际站点的分布;对降水而言.IDW估值精度高于其他插值方法,更适合于日降水量的空间插值.     

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。     

辽宁乡镇天气预报中风和相对湿度及云量的空间插值方法

针对开展乡镇天气预报时对高精度逐日气象要素输入值的需要,以辽宁地区为例, 在乡镇预报前期研究成果的基础上,选用距离权重反比法作为基本方法,综合考虑海拔高度,建立风向、风速、相对湿度和云量历史资料库。结果表明：风速、相对湿度可由经度和纬度求算权重,然后采用海拔高度订正插值误差最小;风向和云量可由经度、纬度和海拔高度求算空间距离确定权重插值误差最小。     

基于GIS气象要素空间插值方法在巴彦淖尔市冬季公路的养护应用

针对内蒙古自治区巴彦淖尔市气象站点分布情况,以2000—2009年9个气象站点(临河,杭锦后旗,五原,磴口,乌拉特前、中、后三旗,海力素,大佘太)的年平均降水和温度为基础数据,通过GIS空间分析中的空间数据插值方法,分别建立平均降水和温度与海拔、经纬度之间的回归方程;在此基础上,建立模拟站点来增加气象数据的信息量。分别采用反距离加权法、径向基函数法、趋势面分析和普通克里格法几种插值方法进行比较插值分析。误差分析表明没有绝对最优的空间插值方法,只有在特定的条件下的最有效方法,对于降水量插值来说三次样条小波插值法是最好的;比较分析的结果表明,模拟站点的加入大大提高了插值的精度,普通克里格法比反距离加权法和径向基函数法具有更为理想的插值效果;并据此理论分析对空间插值在冬季高速公路养护方面的应用问题进行阐述。     

东北地区逐日气象要素的空间插值方法应用研究

针对作物生长动力模型区域应用时对高精度格点逐日气象要素输入值的需要，以东北地区为例，选用克立格法 (Kriging)、以经纬度分布方向为权重的距离权重反比法（IDW）及带高度梯度订正的距离权重反比法（GIDW）3种插值方法进行有限气象站点4~10月逐日气象要素空间插值方法研究，并进行插值的统计量分析和估值的交叉验证。结果表明，对温度而言，GIDW方法估值精度较高，插值结果的平滑程度适中，插值结果分布趋势也较为接近实际站点的分布。对降水而言，IDW估值精度高于Kriging, 而且插值结果的平滑程度较小，更适合于日降水量的空间插值。GIDW、IDW估值精度较高的原因是研究中考虑到日最高温度、最低温度和降水量的经向、纬向梯度、海拔高度梯度存在明显的季节性变化，采用了根据气象要素经纬度方向确定权重，以及根据气象要素高度梯度年内变化进行高度订正的结果。     

江西省降水空间插值方法适用性分析

文中基于数字高程模型,建立了多元线性回归插值模型(MLR)和PRISM空间插值方法,并与传统的反距离权重法(IDW)和普通克里金插值法(OK)进行比较.结果表明:1)江西省5月、7—10月降水量与海拔高度存在显著的相关性,与坡度、坡向无明显相关.2)从插值精度来看,3—9月PRISM和MLR空间插值精度明显优于IDW和OK,冬半年IDW和OK插值精度略高于MLR和PRISM;4种插值方法的年降水量插值精度排序为PRISM>MLR>OK>IDW;PRISM和MLR在高海拔地区的插值精度远高于IDW和OK.3)从插值效果来看,4种插值方法的降水空间分布具有一致性,MLR和PRISM优于IDW和OK.     

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。