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。     

薄盘光滑样条插值中三种协变量方法的降水量插值精度比较

在薄盘光滑样条插值中,高相关协变量的选取决定了插值结果的精确性。以2001-2009年全国728个气象站点日降水为数据源,提取年降水量数据,在分析多年平均降水量与两协变量高程（DEM）和距海岸线距离（DCL）的空间相关性基础上,利用ANUSPLIN软件,比较不同协变量下降水量插值结果精度在全国尺度以及区域尺度上的差异。以DEM、DCL及DEM-DCL分别为协变量对降水量数据进行空间插值发现：①在全国尺度上,DEM法的平均绝对误差（MAE）为47.79,略低于DEM-DCL法（48.90）,但显著低于DCL法（55.54）;且DEM法的平均相对误差和均方根误差也明显低于其它两种方法。②在区域尺度上,除西藏地区外的其他7个区域,3种方法的插值误差与全国尺度上相一致。西藏地区降水插值结果以DCL法的精度最高,而DEM法则较差。研究建议除在西藏地区的降水量插值研究中采用DCL法,在全国其他大部分区域采用DEM法。     

降雨信息空间插值的不确定性分析

文章以潮白河流域为样区,根据58个雨量站1990年的降雨观测数据,采用反距离权重法、克立格法、样条函数法、趋势面法等插值方法,分析了站点数量变化、时间尺度变化、栅格像元的尺度变化、插值方法的差异对降雨数据空间插值结果的影响,剖析降雨插值中的不确定性。结果表明：（1）插值站点数量越大,区域降雨插值的不确定性越小;（2）像元尺度在50m~1000m间变化对降雨插值的不确定性只有微弱的影响;（3）对应于时间尺度由年到月到日的变化,降雨插值的不确定性随时间尺度的减小而显著增大;（4）不同插值方法影响到降雨空间插值的不确定性水平。为了减少降雨信息空间插值的不确定性,根本途径是要引入第三方相关变量,并将其整合到现有的插值算法中。高相关性变量的选取及其与插值模型的整合方式将成为降雨插值研究的主导方向。     

2001-2010年石羊河流域上游TRMM降水资料的降尺度研究

在地形比较复杂的石羊河流域上游,基于2001-2010年TRMM3B43降水数据和1 km空间分辨率DEM数据,采用回归方程+残差法的插值方法,对石羊河流域上游10年平均TRMM3B43和2001、2007年两个典型干、湿年份的TRMM3B43数据分别进行降尺度操作,将空间分辨率由原来的0.25°×0.25°提高为1 km×1 km。利用研究区34个雨量站的观测数据作为"真实值",对2001-2010年的TRMM3B43和降尺度结果进行精度检验,结果表明:TRMM3B43降水数据整体上具有一定的可信度,但比地面站点观测的降水量偏小;TRMM3B43经过降尺度之后,数据在空间分辨率和精度方面都有一定程度的提高,其中10年平均TRMM3B43降尺度结果的精度要高于2001年(干旱),而2001年的降尺度结果精度又高于2007年(湿润);就单个雨量站而言,位于西部高海拔区域的站点的降尺度结果精度较高,而位于东部低海拔区域的站点的降尺度结果精度较低。     

基于PLS回归模型的石羊河流域降水空间分布

利用石羊河流域内国家气象站点和中国内陆河湖水文站点2010—2012年逐日降水观测资料,基于DEM资料提取流域经度、纬度、坡度、坡向、海拔等地形因子,建立降水量与地理地形因子之间的多元偏最小二乘(partial least squares,PLS)回归模型,对石羊河流域2010—2012年在年、季、月尺度上的降水分布特征进行研究,结果显示:1)采用交叉验证法对PLS与反距离加权法(IDW)、样条函数法(SPLINE)、普通克里金插值法(OK)等传统插值方法的精度验证结果比较发现,PLS的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)值均是最小的。PLS回归模型对降水量的拟合相关系数除2011/2012年冬季分别为0.68和0.66,其余模型的拟合相关系数均在0.81以上,且显著性水平在95%以上。2)不同的时间及时间尺度,地形因子对降水量的影响是不同的,基本上海拔和坡度对降水量的影响是较大的,且随海拔和坡度的增加降水量增加。3)石羊河流域2010—2012年年降水量从南向北逐渐递减,最大降水量均在南部祁连山区;季节降水量大小依次为夏季秋季春季冬季,夏季降水量较丰富;不同年的夏季6/7/8月的降水特征也各不相同,2011年7月和2012年8月降水量相对较丰富。     

秦岭中部山地降水的垂直变化研究

明确秦岭高海拔山区降水的变化规律,是深入理解秦岭作为中国南北地理过渡带特征、认识秦岭水资源在南水北调中线工程中重要作用的前提。但秦岭高海拔地区长期缺乏有效的降水观测数据,导致对其降水变化缺乏了解。利用2018年6月1日—2019年5月31日秦岭太白山海拔3760 m实测降水数据,发现在秦岭海拔3760 m处年降水量可达1300 mm,远高于汉江盆地和关中平原600~800 mm的年降水量。在此基础上,检验了克里金（Kriging）、反距离加权（IDW）和薄盘样条（ANUSPLIN）插值方法,以及GPM修正数据（GPM-cal）和ERA5再分析资料对秦岭中部山地年和季节降水空间模态的再现效果,各方案均能揭示秦岭高山区是降水高值中心,且降水随海拔的升高而增大,但利用克里金、反距离加权插值方案不能得到准确的高海拔降水值,与此相比,GPM-cal数据、薄盘样条插值与ERA5资料能较准确刻画秦岭中部山地年降水量随地形的变化。水汽通量分析显示,秦岭凭借高大地形对600 hPa高度以下的南来湿润气流具有明显的阻挡、强迫和拦截作用,使其南坡成为区域降水高值中心。结合高山区降水观测、薄盘样条插值、多源格点资料和数据修正方法,是认识秦岭山地降水形成和变化的有效途径。     

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。     

近44年来青藏高原夏季降水的时空分布特征

利用1961-2004 年青藏高原97 个站点的夏季逐日降水数据,通过累积距平、相关分析、回归分析、经验正交函数分解、功率谱方法等,结合GIS 的空间分析功能,分析了夏季 降水的时空分布特征。结果表明：在青藏高原年降水量比较少的地区,夏季降水占全年降水的比例较高,夏季降水与全年降水的相关性也较强;夏季降水相对变率最大的地区位于青藏 高原西北的最干旱地区,最小的地区是三江源区;夏季降水趋势增加和减少的站点分别为54 个和43 个,通过较显著检验的站点占总数的18.6%;在2000m 以下的站点中,海拔和夏季降水气候倾向率存在较强的正相关,相关度达0. 604 (显著性0.01);1961-1983 年和1984-2004 年两个时间段相比,除了3000~3500m 海拔范围外,其余海拔范围夏季降水气候倾向率都表现为增加;夏季降水可大致分为三种类型场：高原东南部类型场、高原东北部类型场和三江 源类型场,高原东南部类型场和高原东北部类型场表现出南北变化相反的降水特点,分界线大致沿着35^oN 线;在90%的置信概率下,三种类型场分别表现出5.33 年、21.33 年和2.17 年的潜在周期;4500 m 以上海拔范围的站点夏季降水周期通过很显著检验(α = 0.01),站点海拔和降水周期存在-0.626 的高相关度;在三江源地区,3500 m 以上的站点夏季降水周期随海拔升高而减小,3500 m 以下的夏季降水周期随海拔高度升高而增加。     

复杂地形下降水的高空间分辨率插值方法研究

复杂地形山区降水格局在多种地形要素的综合影响下呈现出显著异质性特征,弱化了降水站点观测资料的空间代表性,限制了遥感及再分析产品的适用性及传统插值方法的准确性。常用的PRISM降水插值算法通过提取并权重化地形要素,借助加权最小二乘算法对降水站点观测数据进行空间插值,被广泛应用于降水产品制备。本文针对PRISM算法对中小地形地貌刻画能力不足的问题,在解析影响复杂地形降水模式的地形要素的基础上,改进了PRISM的地形要素计算与权重化过程,同时,考虑到实际日降水量的随机性,将改进后的PRISM嵌入到“平均态日降水—比值”插值框架,构建了适用于复杂地形的日降水插值算法MPRISMR。随后,以具有复杂地形特征的元江流域为例,通过交叉验证及与ERA5-Land和TRMM_3B42降水产品的对比分析,发现该算法具有较高的准确性与可靠性。结果表明,在元江流域23个气象站点上,MPRISMR的插值结果与观测值的相关系数、相对偏差的中位数分别为0.72、0.98%,总体上优于ERA5-Land和TRMM_3B42日降水产品。另外,MPRISMR插值结果的精度随时间变化更小,更为稳定。最后,研究基于MPRISMR制备了空间分辨率约3 km的元江流域日尺度降水格网数据。本文可为复杂地形的陆面模式或流域水文水质模型提供高精度降水驱动场数据产品,从而支持流域可持续管理决策。     

1980-2019年西北地区海拔依赖性变暖与雪雨比的关系研究北大核心CSCD

海拔依赖性变暖(EDW)及其机制是近年来的热点研究问题,目前对于中国西北地区EDW及其与降水相态变化之间的关系尚不清晰。本研究利用1980—2019年西北地区185个站点的日气温与降水数据,对西北地区EDW、雪雨比、降雪量、降雨量变化的关系进行了探讨。结果表明:①整个西北地区秋季、冬季存在EDW,年尺度不存在EDW。从空间分布来看,半干旱区夏季、半湿润区春季和冬季、青藏高原区冬季存在EDW,各气候区年尺度也不存在EDW。②西北地区在空间上雪雨比变化与海拔关系并不显著,只有半湿润区春季雪雨比下降速率随海拔升高而增大,其与EDW有显著的统计负相关。此外,半湿润区1000 m以下和1000~2000 m区间春季气温与雪雨比变化之间呈显著负相关关系。③西北地区在空间上降雪降雨量变化与海拔关系也并不显著,只有半湿润区1000 m以上春季降雪量下降率随着海拔升高而增大,其与EDW有显著的统计负相关。此外,半湿润区1000~2000 m和2000~3000 m区间春季气温与降雪量变化呈显著负相关关系,半干旱区2000~3000 m区间春季、青藏高原区各海拔区间春季、河西走廊及内蒙古西部1000~2000 m区间秋季、青藏高原区2000~4000 m区间秋季气温与降雨量变化呈显著正相关关系。西北地区EDW与降水相态变化之间存在复杂的关系,其相互作用机制存在明显的时空差异,还需要进一步深入研究。     

雅鲁藏布江流域不同源降水数据质量对比研究

本文以雅鲁藏布江流域为研究区,利用13个气象站点的实测降水量数据在年和月尺度上验证了中国地面降水网格数据、CRU(Climatic Research Unit)降水数据和GLDAS(Global Land Data Assimilation System)降水数据的精度,并分析了不同源数据降水量年际变化特征和概率分布特性之间的差异。结果表明：4种不同来源的降水数据均存在一定程度的差异。年尺度和月尺度上中国地面降水网格数据与实测降水量数值最接近;而CRU降水数据和GLDAS降水数据与实测降水量相差较大,在使用时需谨慎。从空间差异性看,年尺度上CRU降水数据在每个站点与实测降水数据的相关性均高于GLDAS降水数据,说明前者的空间一致性较好,但相对误差却比GLDAS降水数据大。从年内变化趋势看,中国地面降水网格数据能较好地反映流域降水月尺度的变化特征,CRU降水数据则在流域大部分地区的汛期时段都存在明显的高估,而GLDAS数据无法反映月降水变化趋势,年内坦化现象十分显著。从年际变化特征看,中国地面降水网格数据能较好地反映实际降水量的年际变化特征,而GLDAS降水数据和CRU降水数据反映的降水量年际变化特征偏小,其中GLDAS数据的坦化现象更严重,会高估低降水值,低估高降水值。从降水概率分布情况来看,3种来源的降水数据均不能反映站点实测的极端降水事件。     

丘陵地貌区高程内插适宜方法选择——以长春净月潭为例

对不同的地貌区进行空间内插时选择的适宜方法不同,以典型丘陵地貌区长春市净月潭地区的高程为研究对象,用ArcGIS 9.2分别作反距离权重法、最近邻点法、趋势面分析和克里金法做高程内插。应用交叉检验方法对其内插的精度作出分析,检验其科学性和可靠性,得出反距离权重法、最近邻点法、趋势面法、样条函数法和克里金法高程内插的不同精度,并对各种方法的适用性进行讨论。结果表明最近邻点法精度最高,以下依次为普通克里金插值法、样条函数、反距离权重法、趋势面法。为类似于净月潭地区的丘陵地貌区高程内插提供选择参考。     

拉萨河流域高山水热分布观测结果分析

利用架设在念青唐古拉山南坡9个海拔高度(4300～5500m)的自动气象站一年(2006年8月1日-2007年7月31日)的实测数据,对山坡1.5m高度的气温和季风期(6-9月)降水随海拔梯度和时间的变化进行了分析.表明4300～4950m存在一个逆温带,逆温时间自10月至翌年4月.年逆温频率为11.5%(42天).4300～5500m年平均气温直减率为0.61℃/100m;念青唐古拉山南坡季风期各月最大降水带都在海拔5100m.最大降水高度以下,山坡降水量递增率为4～7mm/100m,最大降水高度以上,降水递减率数值上为降水递增率的1.6～2.3倍.7月和8月降水量占季风期总降水量比例大于6月和9月.降水月内分配山坡上部总体较山坡下部均匀.降水主要发生在4:00-10:00以外的时间段,而大一中雨(3～14mm/h)主要发生在18:00-22:00.山坡强降水段相对集中在4650～5100m海拔高度.     

不同源降水数据在天山南坡阿克苏河流域适用性分析

降水是水热循环以及气候变化研究的重要环节,降水资料的准确与否直接影响流域尺度的水文过程研究。本文基于2000-2015年天山南坡阿克苏河流域气象站点观测降水数据,对比分析了Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）降水数据集和Global Land Data Assimilation System（GLDAS）两种具有代表性的降水格网数据集在阿克苏河流域的适用性。结果表明：TRMM3B43数据在阿克苏河流域的整体表现优于GLDAS-2数据。两种数据的精度在月尺度上表现最优,相关系数分别为0.938和0.901,通过了0.01的显著性检验;在季节尺度,TRMM3B43数据各季节与站点插值的拟合度要优于GLDAS-2数据,但二者均呈现出高估冷季降水而低估暖季降水的趋势;在年尺度上,两种数据表现较差。在空间分布上,两种数据类型均能够反映出阿克苏河流域降水自西北向东南递减的空间分布趋势。并且两种数据在平原区的表现均优于山区,低估高海拔地区降水而高估低海拔地区的降水。     

站点密度对泥石流当日雨量和前期有效雨量计算的影响

研究气象站点密度在当日雨量和前期有效雨量因子内插中的影响程度,对提高对这2个因子的内插精度有重要的意义。本文针对我国东南地区87个泥石流灾害点和207个站点的降水资料,建立站点密度在5%~100%间变化的空间采样方案,采用反距离加权法(IDW)计算不同站点密度下泥石流灾害点的当日雨量和前期有效雨量。利用分位数方法对站点密度与当日雨量和前期有效雨量的关系进行分析,结果表明:诱发泥石流灾害的当日雨量和前期有效雨量的内插值,均随着气象站点密度的降低呈减少趋势;前期有效雨量的内插值相对于当日雨量的内插要稳定一些。在站点密度大于5%的情况下内插的前期有效雨量可以保持60%以上的雨量值,而当日雨量只大于30%。     

TRMM降水数据在横断山区的精度

利用相关系数法和散点斜率法对横断山区1998~2011年之间月尺度的TRMM 3B43降水数据精度进行了检验。研究表明,TRMM 3B43降水数据与实测数据相关性很强,但是比实测降水量偏大33.9%。在横断山北部大雪山以东地区和南部香格里-贡山-德钦一带三江并流区TRMM 3B43数据误差较大。各个季节TRMM 3B43降水与实测值误差的空间分布有较大区别,但是都表现为北部沿经向分布,南部沿纬向分布的趋势;横断山区高海拔地区气象站点稀少和复杂的下垫面环境是产生观测误差的主要原因。     

气候模式同站点插值外推气象数据的比较

在气象站稀疏的中亚荒漠地区采用基于大气物理机制的区域气候模式,可获得高分辨率格点气象资料进行气候变化研究.针对中亚地区1958-2001年的气候变化,采用RegCM区域气候模式对ERA40和NCEP/NCAR两套气象再分析数据进行动力降尺度至40 km,并将结果同三套基于气象站点插值外推的格点数据(CRU、WM和APHRO)进行比较.所有数据一致表明,1960年代以来新疆地区的气温显著增加,南疆地区降水增加、天山山区降水减少.除APHRO外,数据都表明北疆地区降水呈增加趋势.RegCM模拟的气温和降水数据与站点外推数据空间分布格局基本一致;但RegCM数据年平均气温低于站点外推数据,RegCM数据在新疆山区的年降水量是站点外推数据年降水量的1.3倍.由于研究区内73％的气象站点分布在中山带以下的干热气候区,站点外推数据可能低估山区降水并高估该区域气温.与站点插值外推的格点数据相比,区域气候模式具有能细致描述区域内中小尺度的地形/下垫面特征、更精确反映气象要素空间变异格局的能力.但因为缺乏足够的地面观测以及高精度遥感反演气象数据,当前尚无法全面评估区域气候模式在中亚地区尤其是山区的模拟精度.     

高斯函数参量法及其在山区降水计算中的应用

本文根据乌鲁木齐河流域7个雨量站点多年(17~61年)的月平均降水数据的统计规律,提出一种新的、能够同时满足空间维和时间维插值需求的降水分布及降水量计算模型——高斯函数参量化法。该模型根据高斯函数的几何意义和降水分布规律,给高斯函数的参数赋予了明确的物理意义,从而把对降水量和分布函数规律的计算转化为对高斯函数少量参数(1~3个)的估计。不仅能够实现山区降水在时间上和空间上的插值,而且能够实现降水量和降水分布函数的相互转换。特别是能解决在高山区降水数据稀缺条件下的降水量和降水分布估计的问题。大大提高了降水数据的可用性。     

近60a来新疆不同海拔气候变化的时空特征分析

全球变暖是当前全球气候变化研究的热点之一,新疆深居亚欧大陆内陆,地形气候复杂,探讨该区域气候变化与海拔的关系对全球气候变化研究具有重要的参考意义。基于1958—2017年新疆41个气象站的月和年平均气候数据,采用一元线性回归、Mann Kendall（M-K）趋势分析和突变检验等方法分析该地区气候变化的时空分布与海拔的关系。结果表明：1958—2017年新疆年均气温、年均降水量均呈上升趋势,但增加幅度具有时间和空间差异。在时间上,北疆四季平均气温增温幅度均大于南疆（冬季除外）,四季降水量增幅北疆大于南疆（夏季除外）;在空间上,北疆气温和降水的增幅均大于南疆。研究区各个站点气温呈现出南部高而北部低的空间格局,年均降水量北部多,南部低。各个站点气温倾向率总体随海拔增加而减少,年均降水量变化率随海拔升高而增加,在不同海拔带内部存在差异。综上所述,受全球气候变暖的影响,近60 a来新疆年均气温和年均降水量均呈上升趋势,尤其是北疆对全球气候变暖的响应较为敏感。     

五种常用降水量插值方法误差时空分布特征研究——以深圳市为例

在洪水、滑坡等地质灾害预警预报中,通常需要对多个时点、多个站点的降水量观测数据进行高精度插值,雨量插值精度对灾害预警预报的可靠度具有很大的影响,因此研究降水量插值方法误差的时空分布特征具有重要的科研和实用价值.该文以深圳市2008年6月12日至14日百年一遇的强降水过程为例,采用交叉验证方法对反距离权重法、普通克里金法、全局多项式法、局部多项式法和径向基函数法五种常用空间插值方法误差的时空分布特征进行分析,研究成果可为根据雨量时空分布特点选取适用雨量插值模型提供相关依据,并为相关研究提供借鉴.