基于MODIS数据用两步法构建四川省地面太阳辐射计算模型

以MODIS遥感资料为基础数据,采用统计模型反演的方法,构建了两步法计算高分辨率地面太阳辐射量的计算模型。第一步基于遥感云量与地面日照百分率的相关关系,计算格点各月日照百分率值;第二步基于日照百分率与太阳辐射量的相关关系,计算格点太阳辐射量。应用本方案对四川省1km格点分辨率地面太阳辐射量进行计算,并利用6个辐射站总辐射实测值对计算结果进行检验。结果表明：四川省年总辐射量在3102～6659MJ·m⁻²,最低值出现在四川盆地东南部,最高值出现在川西高原西部。利用地面辐射站观测资料进行检验,结果表明各站各月太阳辐射量计算值与实际观测结果基本一致,年辐射量计算绝对误差均小于100MJ·m⁻²,相对误差均小于2%,表明该模型模拟精度较高,可用于四川省地面太阳辐射量计算。     

福建省耕地多尺度空间分布特征分析

区域土地利用格局分析应优先考虑影响因子识别及其尺度效应研究。该文分别通过整体与分区研究,采用统计方法与GIS技术,从自然环境、社会经济以及基础设施条件各方面选取25个候选影响因子,开展福建省耕地多尺度空间分布特征研究。采用的基本研究单元为1km×1km,在此基础上生成2km×2km,3km×3km～10km×10km共10个空间尺度序列数据图层。不同空间尺度上分别构建福建省6个农业综合分区耕地空间分布模型,探讨了福建省耕地空间分布影响因子的尺度规模效应。研究表明模型不仅会随着研究尺度发生变化,在不同的农业综合分区内也有较大的差异。分区研究比整体研究的模型解释能力要高,模型的解释能力总体上随研究尺度的增大而升高。除坡度因子外,其他影响因子本身及其影响系数在不同的农业综合分区间发生变化,但总体规律是福建省耕地受坡度、海拔高程等不易随时间改变的自然条件的严格制约,并且这种制约作用随尺度增大呈逐渐增强趋势。     

中国农村居民点用地变化类型及调控策略

农村居民点用地变化主导着农村土地利用转型,从全局上掌握农村居民点用地的动态变化与空间格局,进而制定宏观调控策略,对于推进农村土地整治、建设新农村、优化村镇建设格局具有基础性的指导作用。该文利用全国农村居民点栅格数据(1 km×1 km),基于"公里格网-县域-省域"的不同空间尺度,通过构建和运用综合指标法、空间自相关分析法,揭示1995—2005年间全国农村居民点用地变化的数量特征、变化地域类型和空间分布特征,并提出相应的调控策略。研究结果表明:1)综合指标法综合考虑了总变化率、净变化率及份额修正,将全国县域农村居民点变化类型划分为增长型活跃区、增减平衡型活跃区、减少型活跃区、变化迟缓型区等4种类型,避免了单一指标将农村居民点集中分布区与小规模分布区因变化速率相当而划为一类的缺陷(实际上变化量与变化活跃程度差异巨大),同时较好地消除了部分区县被高估或低估的偏差。2)4种类型在空间上呈现显著的正相关关系,其中高值区主要分布在平原区大城市周边,低值区集中分布在华中、西南、青藏等自然地理条件较差的区域。3)4种类型区表现出不同的空间特征,对应不同的国家宏观战略区,宜采取针对性的调控策略。     

遥感和地面数据驱动下的农业气候环境信息网格化技术研究

随着GIS技术飞速发展和遥感的应用，使得大范围细小网格上的农业气候资源各要素的计算成为可能。论文提出构建农业气候环境信息网格的基本思想。首先借助ArcGIS平台，利用DEM数据，通过Kriging插值将地理、地形因子网格化和参数化，生成了中国地区1 km×1 km网格的海拔高度、坡度、坡向等地形因子数据。其次利用MODIS数据反演得到了全国2001年月均1 km×1 km网格的地表反照率数据和大气总透射率。在获取了这些基本参数后，考虑地形和大气衰减因子，定量分析了坡度、坡向、地形遮蔽因素对太阳辐射的影响，在此基础上建立了坡地太阳辐射计算模型，最终实现了中国地区气候环境信息空间网格化。这样不仅可以弥补地区气候观测资料空缺，避免了传统方法以点代面的局限性，还可以为农业生产和科学研究提供有关气候环境信息的基础数据。     

山区太阳直接辐射的空间高分辨率分布模型

该文以山区的高空间分辨率DEM数据为主要数据源，从中分别提取经度、纬度、坡度、坡向等相应的地形要素栅格数据，再结合多年平均的实际日照百分率资料，利用GIS技术建立山区实际太阳直接辐射的高空间分辨率分布模型，实现太阳直接辐射空间分布规律的可视化表达，分析了山区各月太阳直接辐射的空间分布特征，对于山区的农业、林业和生态环境等方面的研究具有重要的指导意义。     

江苏省1961-2012年干湿时空变化及对单季稻产量的潜在影响

利用江苏省地区52个气象站1961-2012年逐月降水量资料及单季稻产量逐年数据,计算了1个月尺度的标准化降水指数(SPI),分析了研究区干湿变化与产量的潜在联系.全省尺度上单季稻生育期各月SPI的趋势检验结果表明江苏省6-8月3个月呈现变湿润趋势,其中8月份偏涝态势尤为显著;而5月、9月、10月3个月呈现变干旱趋势,其中9月份偏旱态势尤为显著.站点尺度上各月干湿变化趋势与全省尺度的结果基本一致,值得关注的是8月呈显著变湿和9月呈显著变干的站点大都分布在苏南地区.全省尺度上单季稻产量与生育期各月SPI的相关分析结果表明在7 10月4个月中,江苏省气候越湿润,则对单季稻产量越不利.站点尺度上的结果表明江苏省单季稻产量与SPI的相关性有着明显的地域差异,其中苏南地区的单季稻种植对气候干湿变化更为敏感,特别是7月、8月、10月3个月偏多的雨涝事件将会显著影响苏南地区的产量.     

松嫩平原气候数据空间分布模型及栅格化信息系统的建立

在GIS支持下,以松嫩平原DEM为基础,建立经度、纬度、海拔高度等大地形因子数据库及坡度、坡向、遮蔽度等小地形因子数据库。利用松嫩平原各县市1961-2000年平均太阳辐射、气温、降水和相对湿度数据,采用三维二次趋势面模型进行逐步回归,构建松嫩平原逐月主要气候要素与宏观地理因子的数学模型。完成松嫩平原各气候要素空间分布的综合数学模型,并利用GIS平台建立空间分辨率为1km×1km的松嫩平原主要气候要素的网格化数字专题图。     

基于GIS的广东香蕉种植气候适宜性区划

以广东省86个气象站点1992-2005年的气象数据为依据、利用数理统计方法对1992-2005年香蕉平均气象产量与同期气候条件进行相关分析,确定香蕉种植的气候适宜性区划指标。根据广东86个站点1970-2009年的气候资料及对应站点的经纬度、海拔高度、坡度和坡向等基础信息数据,应用多元线性回归确定区划指标空间分析模型,推算出1km×1km的气象要素分布图。依托GIS技术空间分析功能,根据综合评分标准进行香蕉种植气候适宜性区划,得出广东省气候上最适宜种植香蕉的土地面积占17%,适宜区占18%,次适宜区占25%,不适宜区占40%。研究结果可为广东香蕉种植的合理布局提供参考。     

北京市土地利用空间结构特征分析

分析北京市土地利用空间结构特征,对于北京市未来土地的合理利用具有重要意义。该文从景观、经济和生态3方面着手,应用区域土地利用类型多样化程度指数、土地利用程度综合指数、经济密度指数及生态价值等指标,借助1 km×1 km网格进行空间表达,阐述了2006年北京市土地利用空间结构特征。研究结果表明：2006年北京市土地利用类型比较齐全,北京市土地利用/覆盖多样化指数和土地利用程度指数呈由西北山区向东南平原逐渐增大的过渡趋势;2006年北京市平均土地经济密度为47.97×106元/km2;北京市西北林区经济密度最低,而城镇区域最高,且集中连片;2006年北京市总体生态价值约为13 488.13×106元,每平方千米约为0.82×106元,略高于全国平均水平。建议提高土地利用效率,使北京土地利用走上可持续发展的道路。     

表征土壤有机碳区域分布的优化空间插值模型研究——以福建省龙海市为例

如何利用有限的样本数据来获得更为准确的土壤属性空间分布信息是土壤学研究的热点问题之一。利用福建省龙海市采集的1 133个耕地土壤样品,设计了结合地貌类型、土壤类型和土地利用类型等信息的5种克里格插值模型,研究县级尺度上土壤有机碳空间预测优化插值模型及其与样点密度的关系。结果表明:设计的5种插值模型预测精度均高于普通克里格法,但不同样点密度对插值结果影响较大。按0.5 km×0.5 km及以上的格网密度进行样点布设,采用土地利用现状类型结合土壤类型信息的普通克里格法(KDLTR)插值结果误差较小;按2 km×2 km的格网密度布设调查样点时,采用土壤类型信息的普通克里格法(KTR)插值结果误差较小;当格网大于4 km×4 km时,由于样点数少,各种模型的结果相差不大,可直接采用普通克里格法(KYJZ)进行插值。     

几种模型在南方地区总辐射量估算中的精度分析

以南方地区15个辐射站1981-2014年逐日常规气象资料和大气顶层辐射(Ra)为输入参数,以辐射站观测的逐日地表总辐射量(R_s)为对照,分别利用1981-2009年气象资料以及5种经验模型(?ngstr?m-Presscott模型、Bahel模型、Bristow-Campbell模型、Chen模型和Hargreaves模型)和12种不同参数组合形式的广义回归神经网络(GRNN)建立R_s估算模型,并对以上模型模拟效果进行对比分析,利用2010-2014年数据对各模型模拟精度进行验证,最后采用相邻站点资料建立模型,使用本站数据评价模型的适用性。结果表明:经验模型中Chen模型精度最高,其次是Bahel模型,Bristow-Campbell模型与Hargreaves模型相比在大部分站点精度相差不大。当缺乏本地资料时,Bahel模型精度最高的站点有9个,而Chen模型最适宜的站点为7个;15个站中有13个站点B-C模型比Hargreaves模型精度更高,但在武汉站和赣州站,Hargreaves模型精度更高,其RMSE降低约14%。输入参数为日照百分比时GRNN模型的平均RMSE最低,优于Bahel和Chen模型,但其各站平均RMSE相差不足2%。当仅有本站气象资料时,GRNN模型与Bristow-Campbell模型和Hargreaves模型相比,其RMSE下降约14%,但使用邻近站点数据建模时,由于光滑因子在各站差异较大,GRNN模型与Bristow-Campbell模型和Hargreaves模型精度相差不大。因此,考虑到GRNN模型建模较复杂,故认为Bahel模型和Chen模型为南方地区更适宜的R_s估算模型。     

基于气象资料的日辐射模型在中国西北地区适用性评价

地表总辐射(Rs)是作物生长模型率定、蒸散量估算、灌溉制度制定和太阳能资源利用的重要基础数据。为有效提高辐射资源利用率,该文基于中国西北地区10个气象站点1993-2016年气象数据对9种不同日辐射模型进行适用性评价。采用非线性回归分析法对Bristow-Campbell(B-C)模型进行参数属地化修正,得到B-C校正模型。模型适用性评价结果表明:9种模型在西北地区的辐射模拟值和实测值均呈极显著相关(P0.01);基于日照时数的日辐射模型(?ngstr?m-Prescott、Ogelman、Bahel、Louche、Almorox-Hontoria、Glower-Mc Culloch,其R2介于0.875~0.954)计算精度高于基于温度的模型(Hargreaves-Samani、Annandale、Bristow-Campbell,其R2介于0.652~0.813);其中基于日照时数的模型中Bahel模型精度最高,其次是Ogelman和Glower-Mc Culloch模型,其RMSE分别为2.282、2.309和2.313 MJ/(m~2·d),n RMSE分别为14.0%、14.2%和14.2%,MAE分别为1.666、1.701和1.697 MJ/(m~2·d),Nash-Sutcliffe系数(NS)分别为0.905、0.903和0.902;基于温度的日辐射模型中B-C校正模型精度最高,其RMSE为3.819 MJ/(m~2·d),n RMSE为23.3%,MAE为2.680 MJ/(m~2·d),NS为0.741。因此,西北地区日辐射计算当仅有日照时数资料时推荐使用Bahel模型,当仅有温度资料时推荐使用Bristow-Campbell校正模型。     

基于MODIS和AERONET的气溶胶地表直接辐射效应评价

气候变化背景下进一步开展高污染地区气溶胶直接辐射效应的研究,对于该地区的大气环境监测、气候变化评估以及农业生产布局等具有重要意义。利用全球气溶胶监测网（AERONET）多年观测资料以及MODIS地表反照率数据,借助6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）辐射传输模式,定量评估2001年1月−2016年12月中国AERONET北京、香河和太湖3个典型高污染站点多年晴空条件下的气溶胶直接辐射效应。结果表明：（1）各个高污染站点气溶胶PM2.5质量浓度季节变化特征差异明显,秋冬污染较为严重,其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月;（2）与无气溶胶影响相比,气溶胶致使各站点地表直接辐射年际变化较明显。在气溶胶影响下,北京、香河和太湖3个站点2001−2016年地表日平均直接辐射年际变化较明显,均呈波动增加趋势,且香河站日平均直接辐射增加最大（621.14W·m⁻²）,太湖站次之（743.29W·m⁻²）,北京站最小（488.14W·m⁻²）。（3）气溶胶影响下各站点地表直接辐射明显降低,且气溶胶对各站点影响差异较大。2001−2016年,北京、太湖和香河站年平均地表直接辐射分别降低32.29%、24.01%和15.07%。其中,气溶胶对北京站的地表直接辐射影响最大,香河站最小。（4）近15a来,北京、香河和太湖3个站点气溶胶地表辐射效应均呈现增加趋势。     

基于1 km栅格的地表太阳辐射模拟

以辐射观测值与其影响因子建立非线性回归模型，以各因子的面域数据模拟全国1 km像元上的水平面年太阳辐射的空间分布;根据数字高程模型(DEM)，考虑坡面坡度和坡向以及周围地形的影响，建立坡面与水平面的直接辐射转换系数模型以及坡面的视角系数模型，分别修正平面年太阳辐射中的直接辐射和散射辐射分量；汇总修正后的太阳辐射总量中的各分量，得到坡面实际可获得的辐射总量。成果可用于高精度的农业生产潜力评估、农业区划、农作物布局、退耕还林还草等。     

APSIM玉米模型中辐射估算的误差传输

以华北地区3个典型站点(山东省莒县站、河南省郑州和南阳站)为研究对象,分析计算玉米生长期间Angstrom-Prescott模型、Ogelman模型、Bahel模型、日照百分率和气温日较差综合模型(简称综合模型)和刘可群等太阳总辐射估算模型的相对误差,分别将该5个模型估算结果和太阳辐射实测值(依次命名为模拟方案1-5和模拟方案0)输入APSIM玉米模型,计算各模型驱动APSIM玉米模型模拟产量的相对误差,分析由于太阳辐射估算误差对模型产量模拟结果造成的误差传输。结果表明,5个日太阳辐射模型在生长期内的平均估算误差(εi)在莒县站以A-P模型最小,在郑州和南阳站点以综合模型最小;各辐射估算模型对APSIM模型的产量模拟结果均有明显影响,综合模型模拟结果最好,其驱动APSIM模拟的玉米产量误差最小;5个辐射模型估算误差对APSIM模型模拟玉米产量的误差均有放大效应,Angstrom-Prescott模型、Ogelman模型、Bahel模型、综合模型和刘可群等模型辐射误差分别以2.23、2.28、1.63、1.85、1.90倍传输到APSIM玉米模型模拟的产量误差,可见,一定要重视辐射模型的选取和辐射模型经验系数的确定;评价5个辐射模型的误差传输到产量的误差,要综合考虑辐射模型本身的误差和辐射误差传输到产量误差中放大的效应两方面的影响,综合模型传输到产量的误差最小。因此,在华北地区无太阳总辐射实测值的地区使用APSIM模型时,本研究推荐辐射方案4即综合模型为首选模型。     

站点密度及插值方法对ET0空间插值精度的影响

流域参考作物蒸发蒸腾量（ET0）插值方法的研究对流域尺度作物耗水时空变化规律有重要意义。该文通过海河流域162个国家农业气象站3a（2003－2005年）旬值气象资料,利用Penman-Monteith公式计算了这些站点ET0,采用ArcGIS软件中常用的Spline、IDW和Ordinary Kriging（OK）法,以及近些年研究较多的线性回归Regression插值法,对不同站点密度条件下的ET0进行空间插值。分析了各空间插值方法在不同站点密度条件下的优劣性,并且给出了本流域内各种站点密度范围条件下计算ET0最适宜的插值方法。结果表明以站点密度1.3个/万km2为界,当站点密度低于此密度时,推荐使用Regression插值法;当站点密度大于1.3个/万km2时,推荐使用IDW和OK插值法;当站点密度大于4.3个/万km2,以上三种插值法并无显著差别;不推荐使用Spline插值法。     

日光温室内光照特点及其变化规律研究

对日光温室内的光照时间、太阳总辐射量、太阳辐射透过率的季节变化和日变化，光照度的空间分布规律进行了较为系统的研究；并对各季节不同天气条件下日光温室内外太阳辐射的关系，日光温室内太阳总辐射量与时间的关系进行了回归相关分析，建立了相应的回归方程。利用该组方程可以对各季节不同天气条件下、不同时间日光温室内的太阳辐射量进行估算分析。     

A topographic geostatistical approach for mapping monthly mean values of daily global solar radiation: A case study in southern Spain

Local topography influences total incoming solar radiation at ground surface in mountainous areas, and so it becomes a key factor for the spatial distribution of plants. However, radiometric stations are often clustered only around farmland or populated areas, usually throughout valleys and flat regions. In this work, we use residual kriging methods to account for cloud- and terrain-related effects, especially when availability of measurements in mountains is scarce. Terrain-related effects have been considered through the terrain elevation and a topographic clear-sky solar radiation model that, additionally, also allow us to consider local clouds effects. Mesoscale-level phenomena were considered through the distance to the coast and the geographical longitude, that partially explain the atmospheric circulation in the studied region. The study has been conducted in the region of Andalusia, in southern Spain, using a target grid support of 1 km of grid-spacing and based on a 10-year length experimental dataset of 63 stations. Two different residual kriging approaches were evaluated and compared against ordinary kriging estimates. Overall, all kriging methods showed good skills in predicting the spatial regionalization of the monthly averages of daily solar radiation. The use of the distance to the coast and the geographical longitude enhanced the performance of residual kriging methods. Elevation proved to be important during summer months, while clear-sky solar radiation estimates were helpful especially during winter months. Overall, the RMSE value for ordinary kriging at the validation sites was about 3%. The residual kriging methods were able to outperform ordinary kriging around a 5% in winter and up to a 18% in summer, in relative terms.     

逐日太阳辐射的模拟计算

在分析国内外太阳辐射估算方法的基础上,建立了一种简单实用、易操作的模拟逐日太阳辐射的方法,仅需要输入站点的日照时数和地理信息。对我国不同区域9个代表站点的模拟结果与实际观测结果进行比较与统计检验,结果表明:模拟值与实测值之间相关显著(相关系数为0.81~0.93),模拟得到的晴空辐射值与多年实际观测最大值基本一致。该模拟方法的平均误差为16.5%,平均偏差、平均绝对偏差和均方根偏差分别为0.77、2.09和2.65MJ.m-2.d-1。但此方法对于特定环境区域的模拟参数还需调整。