不同气象插值方法精度评估及对草地NPP估算的影响

以2000—2015年宁夏境内及周边14个气象站点的年均气温及年总降水量为数据基础,分别利用反距离权重法(IDW)、样条函数法、Anusplin插值法对气象数据进行了空间插值并交叉检验,将不同方法插值获取的气象要素空间栅格数据作为模型驱动参数输入CASA模型,研究了气象要素不同插值方法对草地NPP估算精度的影响。结果表明:(1)3种插值法中Anusplin插值法在宁夏区域内气象要素插值的误差最小,精度最高,反距离权重法误差最大,在气温插值中表现最为明显;(2)通过实测数据的检验,CASA模型在宁夏草地NPP估算当中适用性强,模拟的年总NPP空间分布格局与实际情况相符,模拟数据可靠;(3)在不同草地类型的NPP估算中,引用MOD17A3NPP数据作为验证数据对比发现基于Anusplin的气象要素插值数据及CASA模型模拟的NPP一定程度上提高了NPP估算精度,其在干草原、灌丛草原、干荒漠类草原及荒漠草原的估算中精度较高,而在沼泽类和山地草甸的估算效果欠佳,其估算精度有待提高。     

晋陕蒙地区≥10℃积温的时空变化特征

利用1960-2014年晋陕蒙三省75个气象站逐日平均气温实测数据,采用多元线性回归模型的积温空间模拟方法和气候倾向率法,对晋陕蒙地区1960-2014年日平均气温稳定≥10℃积温的时空特征进行分析。结果显示：（1）从整个分析期来看,1960-2014年晋陕蒙地区日平均气温稳定≥10℃积温总体呈上升趋势,近55a积温增速为74.60℃·d·10a-1,93%的气象站点积温增加趋势显著（P＜0.05）,仅有7%的站点变化趋势不显著。（2）从空间分布来看,分析期内≥10℃积温平均值呈现由低纬度向高纬度、由低海拔向高海拔逐渐减少的规律。（3）从各年代积温线的移动情况看,＜1600℃·d、1600～3200℃·d占的区域面积占总面积比例呈现逐年代降低的趋势;3200～4500℃·d的区域面积占总面积的比例呈现逐年代升高趋势;＞4500℃·d所占区域面积占总面积的比例在1970-1979年、1980-1989年呈降低趋势,在1990-1999年、2000-2014年呈升高趋势。（4）从时段Ⅰ（1960-1989年）和时段Ⅱ（1980-2014年）气候带的变化情况看,中亚热带从无到有,北亚热带、暖温带区域面积逐渐增加,中温带和寒温带区域面积逐渐减少,气候带在气候变暖背景下呈北移西扩的趋势。总体上,≥10℃积温呈现出向高海拔扩张和高纬度北移的趋势。     

黑龙江省积温时空变化及积温带的重新划分

根据黑龙江省1981-2012年78个气象站点的逐日平均气温资料,运用5日滑动平均法计算≥10℃积温,并对其进行Kiring空间插值分析,研究气候变暖后黑龙江省≥10℃积温的时空变化,选取80％保证率计算黑龙江省各地区积温并对全省积温带进行重新划分.结果表明：（1）黑龙江省1981-2012年年平均气温为3.18℃,呈显著上升趋势（P＜0.05）,气候倾向率为0.21℃/10a;（2）时间分布上,20世纪80年代以来,黑龙江省≥10℃积温呈增加趋势,线性拟合增长率为83.95℃·d/10a（P ＜0.05）,1981-2012年积温均值为2645.39℃·d;（3）空间上,黑龙江省≥10℃积温年代际变化呈显著增加趋势,各积温带北移东扩现象显著;1981-2012年全省大部地区80％保证率下≥10℃积温高于2300℃·d,各积温带大致向北移、东扩了一个积温带.研究结果对黑龙江省农作物的种植区划具有指导作用.     

新疆地区年降水量的空间插值方法研究

为提高新疆地区年降水量的空间插值效果,通过增设模拟气象站点、补充实测站点数据空间变异性信息,采用确定性函数和地统计学的综合插值方法进行新疆地区年降水量的空间插值与比较验证分析。结果表明：（1）利用地统计方法分析多年平均降水量的最佳抽样间距,确定气象站点影响区,建立降水量与经纬度、高程、坡度、坡向、NDVI间的多元回归方程,增设模拟气象站点,可以有效增加降水量空间变异信息,显著提高降水量空间插值效果。（2）通过对比发现,反距离加权法（IDW）、复二次径向基函数法（MRBF）和普通克里格法（OK）3种空间插值方法中,MRBF的插值效果最好,是该地区降水空间分布的最适插值方法。（3）在新疆地区采用逐步综合的方法,即以多元回归方法增设模拟气象站点和MRBF进行年降水量空间插值,全面考虑影响因子与空间变异性,去除了多元回归带来的＂边界效应＂,弥补了实测降水量空间信息,得到了具有较高精度的年降水量数据集。     

气候突变后伊犁河谷两熟制作物种植区的变化及风险分析

利用伊犁河谷10个气象台站1961-2010年≥0℃和≥10℃积温、无霜期逐日气象数据指标,采用线性趋势分析、累积距平及t-检验和空间插值等方法对伊犁河谷热量资源的时空特征进行分析;结合当地两熟制种植方式即冬小麦-早熟玉米、冬小麦-早熟大豆和冬小麦-牧草对热量条件的要求,分析了气候突变前后两熟制种植区的变化情况;利用突变后历年热量资料计算各地热量大于两熟制所需热量临界值的保证率,分析了两熟制种植区的气候风险.结果表明,（1）50a来伊犁河谷≥0℃和≥10℃积温、无霜期分别以89.9℃·d/10a、88.0℃·d/10a及5.4d/10a的倾向率上升（P＜0.05）,并均在1997年发生了突变.（2）突变后伊犁河谷热量资源在空间分布上总体呈平原最多,丘陵次之,山区最少的特点.（3）伊犁河谷各区域突变前热量条件无法满足两熟制种植要求,突变后平原区域≥0℃和≥10℃积温、无霜期年平均分别达4217.7℃·d、3649.6℃·d和197d,均超过两熟制热量要求,且最低热量条件保证率85.7％,成为伊犁河谷两熟制最适宜种植区,若平原麦后复播大豆,其热量保证率可达93％以上,但复种早熟玉米仍有一定风险.研究结果可为伊犁河谷乃至整个北疆地区发展多熟制种植提供理论依据.     

新疆乌昌地区热量资源精细化时空变化分析

利用新疆乌鲁木齐市和昌吉回族自治州16个气象站1961-2009年的逐日平均气温和最低气温资料,使用线性趋势分析、Mann-Kendall检测以及基于ArcGIS的三维二次趋势面宏观地理因子模拟与反距离加权残差订正相结合的方法对农业气候热量要素的变化趋势、突变特性、各热量要素多年平均值及其突变前后变化量的精细化空间分布进行研究。结果表明：乌昌地区热量资源具有显著的区域性差异,年平均气温、7月平均气温、无霜冻期、≥0℃和≥10℃活动积温在空间分布上均表现为＂平原高于山区、北部高于南部＂的格局。受冬季逆温的影响,在山前倾斜平原至中山带,1月平均气温较北部平原和高山带高,而冬季负积温较北部平原和高山带少。在全球变暖背景下,近49a,乌昌地区年平均气温、1月和7月平均气温、≥0℃和≥10℃活动积温以及无霜冻期均有不同程度的升高或增多趋势,并于1973-2004年间先后发生了突变性的升高或增多,冬季负积温呈显著的减少趋势,并于1988年发生了突变性的减少,热量资源总体呈较明显的增多趋势。但各地热量资源的变化具有显著的区域性差异,突变后较突变前各热量要素增加量的空间分布总体表现为＂平原多于山区,城市密集区多于周边地区＂的分布格局。     

近45年来新疆≥10℃期间积温和降水量的变化特征

利用新疆1961-2005年86个气象站点系统的气象观测资料,分析新疆日平均气温稳定通过10℃的积温、积温期间降水的空间变化、年际变化、初终间日数、1961-1986年与1987-2005年差值变化。结果发现,全疆及各区域日平均气温稳定通过10℃的积温变化不一,北疆总体增幅高于南疆;≥10℃积温期间降水总体呈增加的趋势,山区多于平原,北疆多于南疆。西部多于东部;全疆1987-2005年与1961-1986年平均初终间日数的差值、积温的差值规律性差,南疆只有51%、59%的站增加;两个时段≥10℃积温期间降水增幅明显,南疆增幅≥50%的站明显高于北疆。     

黑土区小流域土壤速效磷空间分布模拟方法

为探索东北黑土小流域土壤AP空间分布模拟的最佳方法,综合考虑区域尺度、景观格局和采样方法等信息,选取两个典型黑土小流域(光荣和海沟河流域)作为研究对象,结合半变异分析、回归分析、主成分分析等方法,比较了不同空间插值方法(反距离权重法、径向基函数法、普通克里格、协同克里格、多元线性回归模型、地理加权回归模型、回归克里格和地理加权回归克里格)对AP空间模拟精度的影响。结果表明:(1)引入主成分分析后能够提高回归克里格和地理加权回归克里格方法的模拟精度(4.5%和2.4%);(2)地理加权回归克里格方法可以作为最优空间插值方法模拟黑土区小流域AP的空间分布格局。地理加权回归克里格方法相较于传统插值方法能在一定程度上提高黑土小流域土壤AP空间模拟精度,为小流域尺度黑土养分管理提供技术支撑。     

PRISM模型在复杂地形月降雨空间插值中的可行性研究

降雨是重要的林业气象数据,如何在复杂地形环境下获取高精度的降雨数据对于研究森林生态与环境具有重要意义。以北京西北山区为例,利用PRISM模型、DEM和山地自动气象站点数据等,综合考虑海拔、坡向、距离等多种影响因子,对降雨量进行了空间插值研究,并使用GDAL输出含有地理信息的降雨分布图。为比较PRISM插值结果,对所用气象站点数据进行交叉验证,交叉验证得到的MAE为1.68mm,RMSE为2.26mm,同时高海拔地区插值精度较低海拔地区有所降低。为进一步体现PRISM方法的优越性,将其与常用的IDW插值、Kriging插值、Spline插值和Trend插值结果进行了比较。结果表明,基本所有的插值方法得到的结果都表现为降雨随高程的增加而增加,PRISM的结果最为详细,IDW和Kriging插值结果次之,Spline相对较差,甚至出现负值,Trend结果一般,缺少细节反映。结合七个验证站点数据对比,更加说明了使用PRISM模型得到的插值结果更加接近实测数据。这些结果都说明,在复杂地形条件下,PRISM比其他插值方法更能精确地表达降雨空间分布。     

基于混合地理加权回归与克里格的区域降水量空间插值方法

基于四川省区域范围内144个气象站点的实测降水数据,在综合考虑空间位置、地形等影响因素的基础上,采用改进的回归克里格模型,即混合地理加权回归克里格模型（MGWRK）对四川省年降水量的空间分布进行空间插值,并与普通克里格（OK）、全局回归克里格（GRK）和地理加权回归克里格（GWRK）等模型的插值效果进行对比分析。结果表明：（1）应用逐步回归法筛选确定的用于回归分析的影响因子组合为经度、纬度和坡度,可有效消除解释变量间的多重共线性,为后续的空间插值奠定基础;（2）同一回归变量在地理加权回归（GWR）与全局回归（GR）两种回归模型中的AICc（修正的赤池信息量准则,Corrected Akaike Information Criterion）值之差（ΔAICc）可用于定量判定各回归变量的空间非平稳性类型,据此将变量坡度设为全局变量,经度和纬度设为局部变量进行处理。在此基础上,通过MGWRK模型对四川省年降水量进行空间插值;（3）MGWRK插值模型综合考虑了空间位置、地形等多个影响因素及其与降水相互关系的空间非平稳性特征,相对于传统的OK和GRK法具有更高的插值精度。     

基于数字高程模型的复杂地形下的黑龙江平均气温空间插值

空间化的气象资源被广泛应用于生态系统模拟与农业区划中,但常规插值模型对地形复杂、气象站点稀少的地区气象要素空间分布模拟的精度不高。本文在定量分析海拔高度、经纬度等因子对气温空间分布影响的基础上,选取黑龙江1957-2004年1月、4月、7月和10月的平均气温数据,利用DEM模型和相关辅助信息进行复杂地形条件下的气象资源空间分布模拟。精度交叉验证的结果表明,基于DEM辅助相关信息的插值精度明显高于常规的逆距离权重法、样条函数法、普通克里格法,插值精度提高了0.5-0.9℃。气温的空间分布趋势也更加合理,更好的体现出气温分布的空间异质性。     

安徽省降水量空间插值研究

高分辨率、栅格化的气候数据作为环境因子是地学模型和气候模型等相关研究的重要参数,而空间插值是获取降水量空间信息的重要途径。然而在众多空间插值方法中,并没有绝对最优的空间插值方法,只有特定条件下的最优方法。采用安徽省境内的66个气象站点及周边75个气象站点的年降水量数据,选取常用的6种空间插值方法对安徽省年降水量进行了空间化,综合分析得出安徽省降水量的空间插值方法误差顺序为:RBF＜IDW＜Kriging＜Cokriging＜LP＜GP。     

气候变化背景下西藏高原地区界限温度时空变化特征

受全球气候变化影响,农牧业生产面临较大风险,研究界限温度时空变化对调整农业种植结构,实现农业可持续发展具有重要意义。利用近40a(1981-2020年)西藏38个气象站点逐日平均气温观测数据,采用线性倾向估计、Person系数、Mann-Kendall、优势分析等方法,分析了气候变暖背景下近40a西藏≥0℃、≥5℃和≥10℃界限温度(初日、终日、持续日数和活动积温)的时空变化特征。结果表明：(1)西藏≥0℃、≥5℃和≥10℃界限温度分布总体上表现为自东南向西北初日推迟、终日提早、持续日数缩短和积温减少的特征,并具有明显的海拔垂直地带性特征。1991-2020年与1981-2010年平均值比较,西藏各站三种积温均增加,以≥10℃积温增幅较大;绝大部分站点初日偏早、终日偏晚、持续日数偏多。(2)近40a西藏≥0℃、≥5℃和≥10℃初日、终日和持续日数的变幅以≥0℃最大,平均每10a初日提早3.2d、终日推迟3.5d、持续日数延长5.4d;积温增幅以≥10℃最大,为86.1℃·d·10a^-1。≥0℃、≥5℃持续日数增加是由于初日明显提早造成的,而≥10℃持续日数的增加因...     

华北地区气候资源的空间分布特征

应用国家气象局整编的华北地区155个气象站点48a(1961-2008年)的气象资料和中国数字高程模型,对华北地区48a日照时数、年均气温、≥10℃积温、年降水量和春、夏、秋、冬四季降水量等气象资料的空间分布进行分析,得到了华北地区气候资源分布图。结果表明:华北地区年日照时数总体分布为北高南低,气温及≥10℃积温分布为南部高于北部,东部高于西部,降水总体是从南向北递减,四季降水不均匀,主要降水集中在夏季。总体来说,华北南部地区热量及降水资源丰富,而光照资源相对较少;华北北部地区光照和热量资源充足,降水资源相对短缺。     

1961-2010年中国农业热量资源分布和变化特征

利用全国508个气象站点1961-2010年地面气象观测资料,采用气候倾向率和GIS方法研究了近50a全国尺度热量资源分布,并比较分析1961-1980年(Ⅰ)和1981-2010年(Ⅱ)两个时段的热量资源变化特征。结果表明:全国热量资源分布不均匀,总体特征为南多北少,东部主要受纬度的影响,西部则受地形影响。与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ平均温度0℃、10℃和15℃等值线均存在北移现象;日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数平均增加5.5d和4.7d;日平均气温≥0℃和≥10℃积温分布和变化趋势相似,华南地区5500~6100℃·d(≥0℃积温)和5300~6500℃·d(≥10℃积温)积温带面积分别增加5.32×104km2和1.92×103km2。1961-2010年,平均温度气候倾向率为0.27℃/10a,增暖趋势显著,且北方增暖趋势较南方明显;最低、最高温度气候倾向率分别为0.37℃/10a和0.21℃/10a。≥0℃积温和≥10℃积温增加趋势大体一致,约为70℃·d/10a。近50a,全国热量资源(平均温度、最高、最低温度和积温)呈增加趋势,且最低温度变化幅度高于最高温度,对气候增暖起主要作用。气候增暖将对农业生产的空间分布产生影响,使基于原来指标和气候确定的农业气候区划边界与当前气候现实存在偏离,研究热量资源的分布和变化对合理利用热量资源,确定合适的农业气候指标和作物种植区域具有指导意义。     

气候变暖对西北干旱区农业热量资源变化的影响

气候变暖将改变农业气候资源尤其是热量资源的时空分布。本文通过分析西北干旱区67个气象站点的气象数据,研究了西北干旱区近50年气温、积温、霜冻的变化特征与规律。结果表明,西北干旱区气温呈上升趋势,上升幅度为0.33℃.10a 1,高于全国平均水平,其中北疆增温幅度大于其他地区。年内变化上,冬季增温幅度最大。近50年,西北干旱区≥0℃、≥10℃积温变化率分别为67.8℃.10a 1和68.8℃.10a 1,≥0℃和≥10℃积温持续的时间也呈增加趋势,其中≥0℃积温持续天数的增加主要是由于结束日期的推迟引起的,而≥10℃积温天数的增加主要是因为初始日期的提前。研究区无霜期呈增加趋势,主要表现为初霜日的延迟和终霜日的提前,其趋势分别可达2 d.10a 1和1.4 d.10a 1,前者贡献略大。西北干旱区初霜出现日期的年际波动小于终霜日,终霜出现日期晚于≥10℃积温开始日期约10 d,且气温变暖的趋势并没有引起这一状况的改变,而多数站点≥10℃积温结束日期早于初霜开始日期。     

基于站点数据分析中国大陆区域喜凉/温作物界限温度的时空演变

喜凉/温作物界限温度的时空分布能够影响作物物候和种植区域。利用全国585个气象站点1961-2020年地面气象观测资料,以喜凉/温作物界限温度(0℃和10℃)的积温、初日、终日作为农业热量资源研究指标,基于ANUSPLIN气象插值软件,从年际和年代际时间尺度分析1961-2020年喜凉/温作物界限温度的时空演变特征,并探讨热量资源变化对全国农业生产格局的影响。结果表明：受纬度和地形影响,全国热量资源变化幅度较大,东部地区≥0℃、≥10℃积温随纬度变化呈阶梯状分布,而在西部地区主要受海拔影响,总体表现为由南向北逐渐递减。各地≥0℃和≥10℃积温范围分别为700.0～8960.0℃·d和46.3～8960.0℃·d,≥0℃和≥10℃积温气候倾向率平均为72.8℃·d·10a^-1和73.7℃·d·10a^-1。60a内,界限温度0℃、10℃初日分别提前9.6d和8.4d,终日分别推迟4.8d和7.8d。界限温度初日的提前和终日推迟使60a内日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数分别增加14.4d和16.2d。2011-2020年是研究时段内最温暖10a...     

近50年华东地区热量资源变化特征分析

利用1961-2010年华东地区87个气象站日平均气温资料,运用线性倾向估计等方法,对华东地区近50a来≥0℃和≥10℃积温及其持续天数和起止日期的时空分布特征进行分析,以了解气候变暖对该地区热量资源分布的影响。结果表明,1961-2010年华东地区气温持续增高,回归系数达0.24℃/10a,趋势系数为0.68(P<0.01),各项热量资源指标与气温呈显著正相关(P<0.05)。随着气候变暖,≥0℃和≥10℃的积温及持续天数普遍显著增加;≥0℃积温为5000、6000℃.d和≥10℃积温为4500、5500℃.d,以及≥0℃持续天数为300、340d和≥10℃持续天数为220、240d的等值线从华北平原南部和长江下游地区向北大幅推进,长江下游地区北移幅度较大,≥0℃和≥10℃积温及持续天数明显北移的起始年代分别为20世纪90年代和21世纪前10a。≥0℃和≥10℃积温及持续天数普遍增加是受起始日期提前和终止日期延后的共同影响,而前者的影响更明显。     

基于GIS的新疆阿克苏地区棉花区划

通过对以往新疆棉花区划成果的分析，选用≥10℃积温、无霜期、7月平均气温作为阿克苏地区棉花区划指标，采用回归方法建立它们的空间分布模型。利用GIS技术将阿克苏地区分为早熟长绒棉、早中熟陆地棉、早熟陆地棉、特早熟陆地棉四个棉花种植区。     

基于GIS的山地实照时数的时空分布特征

该文描述了山地实照时数的空间分布模型,并以浙江省仙居县为例,通过山区高空间分辨率的DEM数据和气象站点的日照百分率数据,在GIS技术的支持下对山区实照时数的空间分布进行了模拟和结果验证,结果表明,研究区内的两个气象站的模拟值和实际值之间具有很好的一致性,决定系数分别为0.9435和0.87。并分析了山区实照时数的时间分布特征和不同海拔高度、坡度和坡向上年实照时数的空间分布特征。该方法和结果对于山区的农业、林业和生态环境等方面的研究具有较重要的理论和实际意义。