降水空间插值技术的研究进展

降水的空间分布信息在水资源管理、灾害预测预警和区域可持续发展研究等方面的地位已越来越重要。然而,空间降水插值却一直是个难题,影响降水的因素很多,如经度、纬度、高程、坡度、坡向、离水体的距离等,建立一个通用的降水插值模型几乎是不可能的。空间降水插值方法很多,优缺点和适用性不同。总体上,降水的空间插值方法有3类：整体插值法（趋势面法和多元回归法等）、局部插值法（泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法）和混合插值法（整体插值法和局部插值法的综合）。近年来,随着应用数学和人工神经网络技术的发展,很多新方法如BP网络、径向基函数网络等逐渐应用到降水插值中。另外,研究区域和时间尺度的不同决定了所选用的插值方法及模型不同;即使是同一种插值方法,应用于不同的研究区域,所取得的结果也不同。因此,应根据具体的研究区域的自然地理特征,选择不同的插值方法建立不同的插值模型。在各种插值方法中,兼具其它插值方法优点的混合插值法有利于提高降水插值的精度,是未来降水插值研究的一个发展方向。     

云南省近50年降水量的时空格局与成因分析

随着全球变暖的加剧,中国各区域近50年来的降水量变化呈现出更显著的地域差异。本文选取云南省32个资料序列较长的地面气象观测站1967—2016年逐日降水量数据,通过线性倾向率、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、Kriging插值和广义线性混合模型(GLMM)等方法,分析了云南省1967—2016年降水量时空格局与变化趋势。结果表明:1967—2016年年际降水量波动变化显著,总体呈下降趋势,且湿季主导全年降水; 1995年和2002年为云南省降水量发生突变的年份,其中,1995年出现了降水量的急剧上升,2002年出现了降水量的骤然下降;云南省年平均降水量主要有准23 a、准12 a和准4 a三个振荡周期,并以准23 a长周期为主振荡周期,在未来一段时间内云南省降水仍维持在多雨期,但处于降水偏多向降水偏少的过渡阶段;云南省平均年降水量整体表现为滇东北和滇西北地区降水少、滇西南和滇南地区降水多的空间分布格局,且自东北向西南呈条带状递增分布;湿季降水空间分布主要受海拔的影响,在滇南地区海拔较低的江城形成降水中心;干季降水空间分布则受到地形和气流的综合作用,在滇西北地区的贡山形成降水中心。本研究定量解析了云南省降水量的时空演变特征及其驱动机制,证明了云南省近年来降水不稳定性加剧的同时下降速率明显升高,干旱化趋势越来越严重。研究结果为区域气候变化与灾害预警提供了基础数据,对预测区域水文变化趋势、提升水资源利用效率以及制定科学的抗旱减灾决策具有重要的现实意义。     

陕北黄土区大气降水同位素特征及其水汽来源

为探究陕北黄土区大气降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,以陕西省定边县为研究区,于2018—2020年共收集107次降水事件样品,分析了该区降水中δ¹⁸O和δ²H组成特征,并探讨了不同季节的水汽来源。结果表明: 定边氢氧稳定同位素存在明显的季节变化,湿季(6—9月)偏贫化,干季(4—5月、10—11月)偏富集;氘盈余呈现干季高湿季低的特点。当地大气降水线方程为δ²H=7.35δ¹⁸O+4.19 (R²=0.96, P<0.01),斜率和截距均小于全球大气降水线,表明该区域降水受到一定程度的蒸发分馏影响。全年降水同位素组成表现出温度效应,而湿季和干季差异较大,仅干季存在温度效应,湿季降水同位素组成可能受温度和降水量的共同影响。HYSPLIT气团轨迹模型表明,干季水汽主要来自大西洋和极地北冰洋地区,而湿季降水主要来自印度洋和太平洋,同时受到西风带的影响。     

农田表层土壤镉的典型空间插值方法对比研究

空间插值对于土壤重金属空间分布和污染评价具有重要意义, 以广东省广州市某地区农田表层土壤重金属镉的调查监测结果为例, 选取具有代表性的反距离加权、径向基函数、普通克里金、简单克里金、泛克里金5 种空间插值方法, 进行空间插值及土壤等级划分, 比较不同插值方法结果精度, 分析不同插值方法结果差异。研究结果表明: 不同插值方法识别的土壤镉浓度空间分布特征和土壤等级划分存在差异, 主要体现在局部极值向外过渡区域存在较大不确定性, 其中径向基函数精度最高, 克里金插值法对数据存在“压缩”效应较强。因此, 在开展土壤重金属污染调查时应考虑土壤重金属样本数据特征和空间结构特征, 选择合适的插值模型, 并适当加大土壤重金属浓度过渡区域采样密度。     

哈尼梯田水源区大气降水氢氧同位素特征及水汽来源

基于哈尼梯田水源区 2014 年 6—8 月和 2015 年全年(共 15 个月)采集的 89 个事件降水同位素数据, 结合相关气象资料, 分析了降水中氢氧同位素组成的变化及其影响因子。利用后向轨迹模型(HYSPLIT)追踪了梯田水源区降水的水汽来源。结果表明: 研究区大气降水中稳定同位素组成具有明显季节差异, 湿季(5 月—10 月)δ D 和 δ¹⁸O 贫化, d 值低; 干季(11 月至次年 4 月)δ D 和 δ¹⁸O 值相对偏正, d 值偏高。区域降水线的斜率和截距均低于全球和中国大气降水线。降水同位素组成存在一定的降水量效应, 但不存在温度效应。干季大气降水的水汽主要来源于西风带输送的印度洋水汽以及局地蒸发, 湿季的水汽主要来源于西太平洋和印度洋。     

湖北省马尾松精准适宜性空间分布

马尾松作为南方主要的造林树种,研究其适宜性精准空间分布对其退化评价、造林选地等具有生产指导价值。本研究采用多元线性回归克里金模型利用R语言对湖北省降雨量、气温等15个气象因子进行30×30m的空间插值,插值结果作为气象因子空间变量,插值的交叉检验结果≥90%。利用30m的DEM提取坡度、坡向、高程3个地形因子空间变量。首先利用年均温、最冷月最低温、年降水量、高程、土壤类型等限制性因子进行空间叠加排除不适宜的空间单元,然后在可能适宜的空间单元内,再基于18个空间变量和294个样方数据,利用最大熵模型(MAXENT)计算每个格网的适宜性指数,最后按照适宜指数进行适宜性分类。区别于以往大尺度区域研究,其结果是落实到地块尺度的精准计算。结果表明:ROC模型的评价效果达到较好水平(ROC=0.826),高程、土壤、降雨相对标准差、最湿季降雨量、坡度、年均温为湖北省马尾松的适宜性主要影响因子,马尾松中、强适宜区主要分布在湖北省东北部及中北部地区,主要分布在高程低于1200m、坡度在40°以下、年均温13-18℃的区域,中等及以上适生区面积共计4.65万km~2,占湖北省总面积的25.01%。     

鹤山丘陵草坡的水文特征及水量平衡

 在中国科学院鹤山丘陵综合开放实验站的草坡集水区对大气降水和径流进行了连续4年的观测,并于1994年对该集水区的蒸散进行了测定,结果表明：1)鹤山丘陵区年均降水量1761.37mm,大气降水有明显的干湿季之分,干季降水量占全年降水量的12.47％,湿季占87.53％。年均降水量中有62.24％可引起地表产流,即年均产流降水量1096.3mm。产流降水以中、小雨频度为大,但产流水量主要由大、暴雨供给。文中根据降雨量较大地区的降水、产流特征和规律,提出了产流降水和产流水量的概念。2)鹤山丘陵草坡集水区年总径流系数50.12％,地表径流系数17.33％。地表径流主要集中在湿季产生,与降水量呈二次抛物线型回归关系,与降水强度关系不大。3)1994年水量平衡各分量中,实际降水输入1841.55mm,年径流量970.28mm,径流系数52．69％,径流是系统的最大输出项;蒸散量851.56mm,意味着年降水收入中46.24％的水量以汽态形式返回了大气。蒸散的月变化呈双峰型,不同于降水的季节分配,径流的月变化则与降水同步。系统蓄水年变化量19.71mm,约占年降水量的1.07％,但其月变化却非常大,在一68～104mm之间。草坡集水区的水量平衡是一种收入对支出的补给和收支项目中可变性的动态平衡。4)鹤山丘陵草坡水热季节分配失衡、产流降水量和地表径流量大是这种退化生态系统恢复的3个限制因素;认为退化生态系统恢复过程中系统水量支出和蓄留方式的转变是退化生态系统的恢复机理之一。     

河北省年均降水量插值方法比较

以河北省及临近区域120个气象观测站点1971～2000年均降水量数据为基础,选择其中的40个作为检验站点,其余站点分别取80、40、20个作为插值站点,采用局部插值、整体插值、多元线性回归、综合模拟等多种插值模型讨论了降水空间插值问题,主要结论如下:插值站点数、模型类型、模型参数都会影响插值精度.局部插值模型相对误差最小值出现在Spline、IDW模型中,其次为Kridging模型,而整体模型Trend、多元线性回归模型误差均较大,但综合了局部插值模型和统计模型的综合模型一定程度上能改善插值精度及误差分布.河北省80和40个站点的最优插值模型为综合模型,20个站点的最优插值模型为IDW2.     

鼎湖山流域下游浅层地下水动态变化及其机理研究

全球变暖和降水格局的改变将如何影响下垫面水文过程是一个被普遍关注的重大科学问题,然而要阐述其内在联系首先必须排除人类活动及土地格局变化的影响。论文以严格保护下的鼎湖山自然保护区为研究对象(排除人类活动及土地格局变化的影响),以其完整集水区下游区域地下水测井系统测定的地下水位数据为基础,拟阐述全球变暖和降水格局改变对该地区地下水位多年变化动态及趋势的影响机制。结果表明:2000年至2009年10 a间鼎湖山流域下游浅层地下水位由2000年的-2.27 m上升到2009年的-1.81 m,年均极显著(p = 0.005)上升0.043 m·a^-1;地下水位干湿季差异显著,湿季地下水位显著(p < 0.001) 高于干季,分别为-1.87±0.23 m、-2.25±0.15 m。时间序列上,干季地下水位无显著(p = 0.190)变化,湿季(1999-2009年)地下水位呈极显著(p = 0.002)上升趋势;日地下水位变异系数CV_wt = 0.20明显小于日降水量 CV_p = 2.77,日地下水位动态与前40 d的日降水量有关;地下水位的变化不能用同期内降水量变化(p = 0.294)解释,分析认为降水格局的变化是导致地下水位上升的基本原因。该研究对评估降水格局改变和全球变暖环境下,地下水资源的变化趋势有重要指示意义。     

鼎湖山顶级森林生态系统水文要素时空规律

运用连续7a(1993～1999)的水文观测资料,对南亚热带顶级生态系统鼎湖山季风常绿阔叶林集水区水文要素时空规律进行分析,得到如下一些主要结论：(1)鼎湖山多年平均降水量为1910mm,湿季降水量占年降水量80％,干季仅占20％。6月份的降水量最大,1月份最小。(2)季风常绿阔叶林冠层截留率为31．8％,湿季的截留量占全年截留量的66．7％,截留量最大值和最小值所在的月份分别为7和1月份。各月的截留率差异很大,截留量大的月份,截留率较低;截留量小的月份,截留率较高。(3)季风常绿阔叶林集水区多年平均总径流量953．0mm,总径流系数49．9％,其中地表径流量为252．3mm,地表径流系数13．2％;地表径流与降水量之间存在二次抛物线型回归关系,与降水强度的关系不大,这说明季风常绿阔叶林的产流形式是是蓄满产流。(4)季风常绿阔叶林多年平均蒸散948．2mm,占同期降水量的49．7％;蒸散力1031．4mm,年蒸散系数为0．92,蒸散月变化规律较降水量的月变化规律有所滞后。(5)系统贮水量的月变化很大,2～8月份,系统处于蓄水阶段;9月份至翌年1月份,系统处于失水阶段。蓄水和失水的最大值分别出现在湿季和干季的第一个月,即4月份和10月份。(6)集水区多年平均水量总输入2129．9mm,实际输入1910mm(降水量),其中219．9mm的水量输入是由系统贮水量变化而产生。支出的总水量2129．9mm,实际支出1901．3mm(径流和蒸散量),其中228．6mm的水量支出是由系统贮水量变化引起的。     

基于GIS的黄淮海平原旱灾遥感监测研究——作物缺水指数模型的实现

研究黄淮海平原旱灾监测中作物缺水指数模型实现的方法,特蝇是以与遥感图象相同的分辨率来计算作物缺水指数采取的对气象数据,以及在ＧＩＳ的支持下,对矢量格式的地形图及遥感图象的不同处理,以实现图象、图形、数据的一体化。从而得到所需的研究区旱情分布图等不同形式的结果。实时监测表明：本文法精度高,可靠性强,基本上达到了准确、实时监测干旱的目的。     

Geographic patterns and dynamics of Alaskan climate interpolated from a sparse station record

Data from a sparse network of climate stations in Alaska were interpolated to provide 1‐km resolution maps of mean monthly temperature and precipitation–‐variables that are required at high spatial resolution for input into regional models of ecological processes and resource management. The interpolation model is based on thin‐plate smoothing splines, which uses the spatial data along with a digital elevation model to incorporate local topography. The model provides maps that are consistent with regional climatology and with patterns recognized by experienced weather forecasters. The broad patterns of Alaskan climate are well represented and include latitudinal and altitudinal trends in temperature and precipitation and gradients in continentality. Variations within these broad patterns reflect both the weakening and reduction in frequency of low‐pressure centres in their eastward movement across southern Alaska during the summer, and the shift of the storm tracks into central and northern Alaska in late summer. Not surprisingly, apparent artifacts of the interpolated climate occur primarily in regions with few or no stations. The interpolation model did not accurately represent low‐level winter temperature inversions that occur within large valleys and basins. Along with well‐recognized climate patterns, the model captures local topographic effects that would not be depicted using standard interpolation techniques. This suggests that similar procedures could be used to generate high‐ resolution maps for other high‐latitude regions with a sparse density of data.     

1961-2010年中国东部林区降水的完整日值序列建立与变化特征

高精度地对各气象站缺测降水资料进行插补,从而获得完整序列的降水资料,对于提高气候变化影响分析的时空精度具有十分重要的意义.本文利用空间相关和逐步回归法,对东部林区月内有单日缺测或不多于7 d缺测的降水资料进行插补,最终建立了853个站自1961-2010年完整序列的降水资料.在此基础上,应用趋势分析法,分析了1961-2010年降水量、降水日数和极端降水事件的变化特性.结果表明： 1961-2010年,研究区年降水量略呈不显著增加趋势,倾向率为5.58 mm·(10 a)^-1,年代际变化明显;年降水日数呈显著减少趋势.极端降水日数和极端降水量呈显著上升趋势,倾向率分别为0.12 d·(10 a)^-1、10.22 mm·(10 a)^-1.尤其是20世纪90年代以后,该区极端降水事件明显偏多偏强,极端降水量对总降水量的比率也呈显著增加趋势.极端降水日数和极端降水量均在1993年发生突变.     

逐日气象要素空间插值方法的比较

采用距离反比权重法(IDW)、协克里格法(CK)和薄盘样条法(TPS) 3种不同的空间插值方法,对我国1951-2005年气象数据完整的559个气象站点逐月第15日的平均基本气象要素(最高气温、最低气温、日照时数和降水量)进行了插值分析与评价.结果表明：3种插值方法中,TPS法对最高气温和最低气温插值的根均方差（RMSE）最小(1.02 ℃和1.12 ℃)、R²最大(0.9916和0.9913);不同季节中,TPS法对秋季最高气温、夏季最低气温进行插值的RMSE均最小(0.83℃、0.86 ℃),R²均为秋季最高.对于日照时数和降水量而言,TPS法的RMSE最小(0.59 h和1.01 mm)、R²最大(0.9118和0.8135);不同季节中,TPS法对冬季日照时数进行插值的RMSE最小(0.49 h)、R²最大(0.9293),TPS法对冬季降水量进行插值的RMSE最小(0.33 mm),IDW法对夏季降水量进行插值的RMSE最小(2.01 mm),CK法对春季降水量进行插值的R²最大(0.8781).TPS法可作为我国大量逐日基本气象要素的最优空间插值方法.     

1967-2017年甘肃省玉米需水量与缺水量时空分布特征

基于1967-2017年甘肃省28个气象站点的逐日气象数据,采用联合国粮食与农业组织（FAO,Food and Agriculture Organization of the United Nations）推荐的作物系数法计算了玉米各生育阶段和全生育期的需水量,结合美国农业部土壤保持局（SCS,Soil Conservation Service）推荐的方法计算了玉米全生育期的有效降水量,进而得到需水量。并利用线性倾向估计、Mann-Kendall检验和空间插值法对甘肃省玉米需水量和缺水量的年际变化趋势和空间分布特征进行分析。结果表明：1967-2017年甘肃省玉米全生育期平均降水量、平均有效降水量、平均需水量和平均缺水量分别为210.43、113.21、545.95 mm和421.00 mm;在时间上,51年来,甘肃省玉米全生育期内的降水量和有效降水量整体上呈明显的下降趋势,而需水量和缺水量整体上没有明显的变化趋势,属于正常波动;在空间上,玉米全生育期的降水量和有效降水量整体上由东南向西北减少,而需水量和缺水量整体上由东南向西北增加。28个站点中,51年来只有甘南和岷县站点的有效降水量能满足玉米生长初期的需水要求,其他站点在任何生长阶段均不能满足玉米需水要求,需要进行人工灌溉。     

不同气象数据空间内插对区域玉米生长模拟结果的影响

作物模型区域模拟已成为作物模型应用的一个新方向。运用作物模型进行区域研究时,遇到的问题之一就是输入模型的空间数据质量问题,研究不同空间内插法获得的气象数据对作物模型区域模拟结果的影响,可以为区域模拟对输入数据的敏感性研究提供一定的参考。利用区域校准的CERES-Maize模型,将3类内插方法(几何内插、统计内插、动力模型内插)产生的网格化天气数据分别输入到CERES-Maize模型中,模拟了50km×50km网格水平下1961—1990年我国玉米生产状况,并选取1980—1990年模拟的平均产量与同期农调队调查产量进行比较,以了解区域模拟中,不同空间内插方法所得的逐日气象数据对区域模拟结果的影响。结果表明:(1)作物模型区域应用时,所采用的3种内插方法都能满足作物模型区域模拟对网格化天气数据的要求,采用3种天气数据的区域模拟结果都能反映出玉米平均产量的空间变化特征,与网格调查平均产量之间具有极显著的相关关系,但采用不同内插天气数据对模拟结果造成了8%以内的偏差。(2)采用不同内插天气数据,在进行作物区域模拟时,各方法的模拟结果之间呈极显著的相关关系,但这些模拟结果之间,在全国大部分地区是差异显著。     

海洋浮游植物丰度的空间插值优化

在探索性空间数据分析(Exploratory spatial data analysis)和数据转化的基础上,利用反距离加权(Inverse distance weighting,IDW)、径向基函数(Radial basis functions,RBF)、普通克里格(Ordinary Kriging,OK),3种插值方法,对2003年8月获得的珠江口浮游植物丰度数据进行插值运算,并对插值准确度进行交叉验证。结果显示,珠江口浮游植物丰度数据具有离散性大、存在极大和极小值、呈正偏分布等特点。而对数转化能大大减小数据的离散性和不对称性,有效消除插值结果图中各类插值噪音。交叉验证显示,插值精确度OK最高,RBF次之,IDW最低。观察插值结果等值面图,发现3种方法均能较客观地模拟出浮游植物丰度的总体分布趋势,在对局部趋势的模拟上,OK的表现最好。综合评定,OK为最适合珠江口浮游植物丰度数据的插值方法。半变异模型的选择对OK的插值结果影响不明显。在四种半变异模型中,圆形模型的拟合效果最好。     

不同干扰程度下土壤有机质空间最优插值法研究

选择最优空间插值方法对明确不同干扰程度下干旱区土壤有机质空间分布规律具有重要意义。通过对新疆阜康市土壤采样分析,分别运用普通克里格法(Ordinary Kriging, OK)、反距离权重法(inverse distance weight, IDW)、径向基函数法(radial basis function, RBF)、局部多项式法(local polynomial, LPI)4种插值方法,描述不同人为干扰程度下干旱区土壤有机质空间分布特征,以探讨其最优空间插值方法。结果表明:①随干扰程度增加,土壤有机质含量降低,空间变异性由弱到中等,变异系数由9.27%增加至28.7%;同时,土壤有机质空间自相关性逐渐降低,从无人为干扰区、人为干扰区到重度人为干扰区分别呈强烈、中等、弱相关关系,即干扰程度越强受随机因素作用越大。②虽然4种方法的插值精度均随干扰程度的增强而降低。但OK法在空间结构性较强的无人为干扰区插值效果最好,R~2为0.625;在人为干扰区及重度人为干扰区RBF法的插值精度均最高,R~2分别为0.562和0.434。该结果为寻找适合于不同干扰程度下干旱区土壤有机质的空间插值方法提供一定的科学参考。