基于贝叶斯最大熵的甘肃省多年平均降水空间化研究

 贝叶斯最大熵方法可以对具有一定不确定性的“软数据”和认为没有误差的“硬数据”进行插值。对甘肃省1961—1990年52个气象站点的多年平均降水数据进行空间化研究。通过比较普通克里格、共协克里格、三元回归建模后残差插值以及基于贝叶斯最大熵的3种不同软硬数据参与情况下的插值结果,发现考虑降水30 a时间序列不完整性以及辅助变量经验模型不确定性的插值结果的MAE和RMSE,比直接使用多年平均降水数据直接插值的MAE和RMSE小,表明贝叶斯最大熵方法通过对不确定性的考虑可以有效降低预测结果的绝对误差。从降水的空间分布来看,考虑辅助变量DEM的插值结果能相对较好的体现高程对降水的地形影响,尤其分区将辅助变量转换为软数据可以有效体现不同区域高程对降水的不同影响问题。综合误差评价以及降水插值结果的空间分布,认为BME插值过程中可以考虑数据本身以及辅助数据利用的不确定性,使降水空间化的结果更加真实客观,同时为合理利用辅助信息提供了一个新思路。     

基于改进HASM方法的中国日照百分率的模拟

日照百分率作为研究日照时数及太阳辐射等的重要因素之一,其模拟结果的好坏,直接关系到相关领域的研究应用。而高精度曲面建模方法（HASM）是近几年发展起来的用于生态建模的高精度曲面模拟方法。首先对现有的HASM进行改进,给出建立在完整理论基础之上、精度更高的曲面建模方法,并记为HASM.MOD;以高斯合成曲面为数值试验对象,验证HASM与HASM.MOD的模拟精度;最后,根据全国1951-2010 年752 个气象站点的月平均日照百分率数据,运用HASM.MOD研究近60 年月平均日照百分率的分布状况,同时比较了HASM.MOD、HASM、Kriging 和IDW法的插值精度。数值试验和实例验证结果表明,HASM.MOD的模拟精度最高。用该方法所提供的日照百分率数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

秦岭主脊区年降水量空间插值最优方法研究北大核心CSCD

利用ARCGIS软件,以研究区多年平均年降水量为数据源,开展以下研究:(1)采用反距离权重法、普通(泛)克里金法、样条函数法和趋势面法进行直接内插。(2)利用降水量随海拔递增率,再次利用以上方法进行插值。(3)分析站点数量的变化对插值精度的影响。(4)分析插值空间尺度变化对插值精度的影响。针对插值结果,使用交叉验证法来评估插值方法的优劣,旨在找出研究区年降水量空间插值的最优方法。结果表明:(1)研究区多年降水量与纬度呈现出很好的负相关,与其他各地理环境因子相关性很差或无相关性。(2)考虑降水随海拔的递增率后,研究区南坡西段和研究区海拔<600 m和>800 m的大部分观测站的空间内插精度得到有效提高,其它区域以及其它海拔区间的插值精度反而降低,因此使用单一线性数据作为整个研究区降水随海拔的变化率不够科学和严谨。(3)在缺少研究区不同剖面降水观测资料的情况下,权重为0.001的正规则样条函数法是最优插值方法。(4)像元尺度在50~1 000 m间的变化对降水插值的不确定影响甚微;插值精度与选取的插值点个数无明显相关性,当站点个数为20个时,插值精度最高。     

秦岭主脊区年降水量空间插值最优方法研究

利用ARCGIS软件,以研究区多年平均年降水量为数据源,开展以下研究：（1）采用反距离权重法、普通（泛）克里金法、样条函数法和趋势面法进行直接内插。（2）利用降水量随海拔递增率,再次利用以上方法进行插值。（3）分析站点数量的变化对插值精度的影响。（4）分析插值空间尺度变化对插值精度的影响。针对插值结果,使用交叉验证法来评估插值方法的优劣,旨在找出研究区年降水量空间插值的最优方法。结果表明：（1）研究区多年降水量与纬度呈现出很好的负相关,与其他各地理环境因子相关性很差或无相关性。（2）考虑降水随海拔的递增率后,研究区南坡西段和研究区海拔<600 m和>800 m的大部分观测站的空间内插精度得到有效提高,其它区域以及其它海拔区间的插值精度反而降低,因此使用单一线性数据作为整个研究区降水随海拔的变化率不够科学和严谨。（3）在缺少研究区不同剖面降水观测资料的情况下,权重为0.001 的正规则样条函数法是最优插值方法。（4）像元尺度在50～1 000 m间的变化对降水插值的不确定影响甚微;插值精度与选取的插值点个数无明显相关性,当站点个数为20个时,插值精度最高。     

中国降水未来情景的降尺度模拟

基于长时间序列(1964～2007年)的全国降水观测数据, 结合经纬度数据以及DEM、 坡向、坡度等系列地形特征数据, 利用空间统计方法, 在构建年平均降水降尺度模型的基础 上, 运用高精度曲面建模(HASM)方法对经过降尺度分析的HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 三种情景T1～T4时段的全国未来平均降水进行高精度曲面模拟。模拟结果显示, 在T1～T4 时段内, A1Fi、A2a和B2a三种情景的全国平均降水均呈持续增加趋势。其中, 平均降水在 A1Fi情景中增加速度最快, B2a情景中增加速度最慢;A1Fi和A2a两种情景的平均降水均呈 加速增加趋势, 而B2a情景的平均降水则呈减速增加趋势。模拟结果表明, 本文构建的降尺 度模拟方法可以有效地实现IPCC GCM 的低分辨率的降水情景数据降尺度转换成高分辨率的 降水数据。     

辽宁省大雨以上降水日数分布与趋势分析

大雨以上降水日数反映了降水的非平均状况,对于气候异常变化和预报预测都有非常重要的意义。以辽宁省作为研究区域,根据1957-2013年辽宁省内23个和省外4个雨量站点的逐日降水数据,利用趋势系数法计算大雨以上降水日数的变化趋势,通过Mann-Kendall检验法检测突变。采用Morlet小波技术分析年际与各季节的变化周期;借助ArcGIS软件工具的Kriging插值和IDW插值模块对研究区进行空间分析。结果表明：辽宁省大雨以上降水日数的空间变化表现为由东南向西北递减;年际以及春、夏两季的周期大约为38年,秋季周期约为15年;大雨以上降水日数的年际变化呈现微弱的减少趋势,不同季节略有差异。57年来,辽宁省大雨以上降水日数变化总体呈现下降趋势,辽中地区下降趋势略有滞后,辽西地区变化情况较其他区域相对复杂。     

基于HASM的省级尺度气候与植被生态系统模拟分析

区域气候要素的空间模拟精度直接关系到区域气候-植被生态系统的模拟精度。针对这一问题,运用HASM方法对江西省气候要素进行空间模拟,而且与IDW、Kriging、Spline等传统经典方法模拟结果的对比分析表明,HASM方法的模拟精度最高。因此,在10年和30年时间尺度上,运用HASM方法分别完成江西过去60年的平均气温、平均降水和潜在蒸散的空间模拟,并采用Holdridge生命地带(HLZ)模型分别实现了江西不同时间尺度的HLZ生态系统时空变化模拟。模拟结果显示,在1961-2010年期间,20%左右的HLZ生态系统发生了变化,平均气温上升是HLZ生态系统发生变化的主要驱动因子。另外,在江西省出现的7种HLZ生态系统类型中,暖温带湿润森林类型受平均气温上升的影响最大。     

基于PRISM和泰森多边形的地形要素日降水量空间插值研究

以黑河流域河西走廊中段地区为例,利用该研究区年、月降水与地形间较强的相关性特点,在PRISM方法的基础上对该地区日降水量进行了空间插值计算。文章提出了以月降水量的PRISM空间插值结果为该月逐日降水空间分布的参考本底,利用泰森多边形方法确定空间日降水的概率,从而实现黑河流域河西走廊中段地区日降水的空间制图方法,并对该方法得到的日降水时空数据集进行了误差分析和评估。分析结果表明,这一方法简单可靠,满足分布式水文模型或相关陆表过程分布式模拟对分布式日降水数据时空精度的要求。     

高精度曲面建模方法研究进展与分类

高精度曲面建模方法(HASM)作为新一代的曲面模拟方法,经过20多年的发展,其理论体系不断完善,算法体系不断丰富,应用领域不断拓广。然而,目前HASM方法尚未建立科学的分类体系,仅依据求解算法为标准进行简单区分,忽视了HASM所研究问题本质上的差异,阻碍了HASM方法在相关领域的进一步应用。为此,本文在总结HASM方法发展过程的基础上,按照研究问题的本质特点,以输入数据的类型为依据,将HASM分为空间插值方法和空间数据融合方法。其中,HASM空间插值方法是根据离散采样点得到目标曲面,而HASM空间数据融合方法则是融合多源数据,并综合各个数据源优势而得到新曲面的过程。该分类科学、合理,为今后HASM方法的进一步应用提供了理论指导。最后本文叙述了应用两种HASM方法求解问题时的一般步骤,同时还对两种方法的发展前景进行了展望。     

一种改进的生成区域日降水场的方法及精度分析

利用全国687个气象站点11年的日降水数据,对基于地理特征和统计回归的函数拟合类模型DAYMET生成中国区域日降水场的能力进行了验证。交叉验证表明,DAYMET模型估计日降水累计得到的年降水量的绝对偏差11年平均为29.8%,年降水总量估计偏差低于20％的站点占48.3％。鉴于中国陆地区域降水深受季风的影响,不同方位气象站点对插值点的影响也有所不同,引入了站点不同方位对插值的影响权重,对DAYMET模型进行了改进,改进后年降水量的绝对偏差降为27%。与梯度距离平方反比法相比,该方法具有较高的区域降水插值精度。还以无定河流域降水插值为例,说明降水插值精度的高低与区域内雨量站点的多寡紧密相联。     

1998-2012年青藏高原TRMM 3B43降水数据的校准

运用1998-2012年青藏高原的TRMM 3B43降水数据以及气象台站实测降水数据,对比分析了青藏高原地区TRMM 3B43降水数据偏差分布规律。结果表明:(1) TRMM 3B43降水数据在青藏高原地区存在明显误差,特别是降水量大的地区和月份,偏差量较大。(2)青藏高原地区TRMM 3B43降水数据偏差分布与海拔、经纬度、降水量存在密切的关系。用偏差分布规律,加法修正法结合随机森林算法对青藏高原地区TRMM 3B43降水数据进行了校准。经过校准之后,数据精度得到显著提高,有效增加了数据的可用性,多年月平均数据决定系数R²最大可达到0.9(3、10月),最小也接近于0.5(12月),效率系数E均为正值,最大可达到90(3、10月);多年季平均和多年平均降水数据中除了第一季度结果稍差外(决定系数R²为0.58),其余数据校准效果均较好。     

基于HASM方法对气候模式气温降水的降尺度研究——以黑河流域为例

基于空间平稳性分析,引入地理因素结合回归分析及高精度曲面建模方法（HASM）对黑河流域多年平均气温、降水给出了降尺度模拟。基于过去器测资料的验证,提出了CMIP5模式资料的合理降尺度方法。比较了降尺度结果与站点实测值的差异,同时比较了所给出的方法与经典插值方法的模拟精度。最后,基于历史时期T₁（1976—2005年）的降尺度方法结合RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5不同情景下未来时段T₂（2011—2040年）、T₃（2041—2070年）、T₄（2071—2100年） CMIP5模式结果,对降尺度方法进行了修正,给出了未来时段气温的降尺度模拟公式,并基于此对上述3种情景下多年平均气温的CMIP5模拟结果进行了降尺度模拟。结果表明：本文所提出的降尺度方法模拟结果与站点观测值具有较好的相关性,且精度高于其他经典插值方法。对未来时段的模拟结果表明,升温最快的是RCP8.5情景,在2071—2100年,除祁连山地区外,大部分地区年平均气温大于10℃。     

中国表层土壤全氮的空间模拟分析

基于第二次全国土壤普查5336个典型土壤剖面数据,分析表土全氮(A层)与环境因素的相关关系,利用多元回归模型和HASM模型结合的方法模拟中国国家尺度上表层土壤全氮的空间分布格局。结果表明:对350个检验点模拟结果的平均绝对误差和平均相对误差为0.67g·kg^-1和61.06%,与普通克里格法相比分别降低了0.05g·kg^-1和17.53%;对样点分布较少的西北地区的模拟结果也更符合实际情况。多元回归模型和HASM模型结合的方法考虑了环境因素的影响,可作为目前模拟大尺度土壤性质空间分布相对有效的方法。     

未来气候变化对淮河流域径流深的影响

本文运用多元回归方法,建立有关气候-径流深的数学模型,并用该模型预测在未来气候变化的15种可能情景下淮河三个代表子流域径流深的变化。结果表明:年径流深随年降水量的增加而增加,随年均温度的升高而减少;不同流域对各种气候变化的响应存在着明显的差异,反映出整个淮河流域不同自然地理条件的影响;不同季节的径流深对各种气候变化的响应也存在明显的差异,体现了季风气候对径流的影响。文章还特别关注了暖干天气组合下径流深的变化,提出这种极端气候情景对工农业生产和国民经济建设有着严重的负面影响     

Surface modeling of DEMs based on a sequential adjustment method

A sequential adjustment (SA) method is employed to decrease the computational cost of high-accuracy surface modeling (HASM), and the SA of HASM (HASM-SA) is being developed. A mathematical surface was used to comparatively analyze the computing speed of SA and the classical iterative solvers provided by MATLAB 7.7 for solving the system of linear equations of HASM. Results indicate that SA is much faster than the classical iterative solvers. The computing time of HASM-SA is determined by not only the total number of grid cells but also the number of sampling points in the computational domain. A real-world example of surface modeling of digital elevation models (DEMs) with various resolutions shows that HASM-SA is averagely more accurate and much faster than the commonly used interpolation methods, such as inverse distance weighting (IDW), kriging, and three versions of spline, namely regularized spline (RSpline), thin-plate spline (TPS), and ANUDEM in terms of root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), and mean error (ME). In particular, the ME of HASM-SA at different spatial resolutions is averagely smaller than those of IDW, kriging, RSpline, TPS, and ANUDEM by 85%, 83%, 83%, 53%, and 19%, respectively. The high speed and high accuracy of HASM-SA can be due to the absence of matrix inversion computation, combined with the perfect fundamental theorem of HASM.     

基于HASM的中国森林植被碳储量空间分布模拟

当前区域尺度上森林碳储量估算主要依据森林资源清查数据,整个过程不仅消耗大量人力、物力,而且十分耗时,严重影响了森林碳储量估算的时效性。针对这一问题,本文提出了基于HASM的森林植被碳储量模拟方法,该方法以全球植被动态模型LPJ-Guess 输出的植被碳储量为驱动场,以森林清查样地数据为精度控制点,模拟生成中国陆地森林碳储量分布情况。研究以第7 次中国森林资源清查数据作为精度控制点数据源,同时作为本文模拟方法的精度验证。结果表明,中国森林碳储量为9.2405 Pg,考虑到森林资源清查是基于一定的郁闭度进行的,因此HASM模拟的结果与根据森林资源清查结果计算得出的7.8115 Pg 相比更符合实际情况,西南山区和东北林区是中国森林最主要的碳库,其碳储量分别占中国森林植被碳储量的39.82%和20.46%。同时与之前(1975-1995 年) 相比具有较大幅度的增长,表明近几十年来中国坚持大规模植树造林的碳汇效果显著。同时也表明基于HASM的森林植被碳储量空间分布模拟方法是有效的,模拟结果合理且精度较高,表明该方法在全球尺度上森林植被碳储量模拟及其它生态系统中碳储量模拟中具有应用潜力。     

基于多重网格求解的土壤属性高精度曲面建模

高精度曲面建模(HASM)是近几年发展起来的可用于地理信息系统和生态建模的一种较高精度的曲面建模方法.本研究选择南方红壤丘陵区江西省吉安市辖区、吉安县和泰和县为研究区,采集150个表层土壤(0～20cm)样品,分别随机选取60、90和120个点作为模拟数据集,90、60和30个点作为验证数据集,基于多重网格(MG)作为...     

Combining LPJ-GUESS and HASM to simulate the spatial distribution of forest vegetation carbon stock in China简

It is very important in accurately estimating the forests＇ carbon stock and spatial distribution in the regional scale because they possess a great rate in the carbon stock of the terrestrial ecosystem. Yet the current estimation of forest carbon stock in the regional scale mainly depends on the forest inventory data, and the whole process consumes too much labor, money and time. And meanwhile it has many negative influences on the forest carbon storage updating. In order to figure out these problems, this paper, based on High Accuracy Surface Modeling （HASM）, proposes a forest vegetation carbon storage simulation method. This new method employs the output of LPJ-GUESS model as initial values of HASM and uses the inventory data as sample points of HASM to simulate the distribution of forest carbon storage in China. This study also adopts the seventh forest resources statistics of China as the data source to generate sample points, and it also works as the simulation accuracy test. The HASM simulation shows that the total forest carbon storage of China is 9.2405 Pg, while the calculated value based on forest resources statistics are 7.8115 Pg. The forest resources statistics is taken based on a forest canopy closure, and the result of HASM is much more suitable to the real forest carbon storage. The simulation result also indicates that the southwestern mountain region and the northeastern forests are the important forest carbon reservoirs in China, and they account for 39.82% and 20.46% of the country＇s total forest vegetation carbon stock respectively. Compared with the former value （1975-1995）, it mani- fests that the carbon storage of the two regions do increase clearly. The results of this re- search show that the large-scale reforestation in the last decades in China attains a signifi- cant carbon sink.