淺談GIS在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的應(yīng)用

王春麗 ，王澤明，金 磊 ，朱紅蕊

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.五常市氣象局，黑龍江 五常 150200；3.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

農(nóng)業(yè)氣候資源反映了一個(gè)地區(qū)氣候?qū)ζ渖a(chǎn)所提供的自然氣候條件和物質(zhì)能源發(fā)展的潛在能力[1]。GIS是一種多技術(shù)交叉的空間信息科學(xué)，它是在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)[2]。中小尺度自動(dòng)氣象站網(wǎng)的建設(shè)和時(shí)間觀測分辨率的提高，為實(shí)時(shí)監(jiān)測局地提供了精細(xì)觀測資料[3]，尤其是區(qū)域自動(dòng)氣象站的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，更進(jìn)一步的增加了觀測資料時(shí)空分辨率。

2 GIS技術(shù)在氣候區(qū)劃指標(biāo)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，在缺乏足夠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和原始的、規(guī)范的情況下，可以作出定量估價(jià)和得到文獻(xiàn)上還未反映的信息[4]。傳統(tǒng)的氣候區(qū)劃方法大多是根據(jù)研究區(qū)的氣象條件，對選取的區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行分級，從而得出區(qū)劃結(jié)構(gòu)、進(jìn)行災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)評估[5-6]；或是通過對氣象資料等進(jìn)行數(shù)理分析，得出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行氣候區(qū)劃[7-8]。利用GIS技術(shù)可以對區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格化推算，得到不同背景下細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)上的氣候要素值，從而使區(qū)劃結(jié)果更加精細(xì)準(zhǔn)確[9-10]。當(dāng)前氣象臺(tái)站是按縣域分布而設(shè)置的，約50 km×50 km一個(gè)臺(tái)站，僅用此資料進(jìn)行氣候生態(tài)區(qū)劃其結(jié)果比較粗糙[11]。為使區(qū)劃結(jié)果達(dá)到精細(xì)化的目的，引進(jìn)區(qū)域自動(dòng)氣象站是必要的，區(qū)域自動(dòng)氣象站一般是按鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域分布而設(shè)置的，一般間距在20～25 km左右一個(gè)臺(tái)站。

3 區(qū)域站資料數(shù)據(jù)的空間處理和分析

區(qū)域站引進(jìn)對GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中應(yīng)用主要解決區(qū)域自動(dòng)氣象站資料本身數(shù)據(jù)可用性的問題，現(xiàn)行區(qū)域自動(dòng)氣象站，普遍觀測氣溫、降水氣象要素，各省根據(jù)需要還有其它比如風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、地溫等觀測要素，區(qū)域自動(dòng)氣象站由于某些客觀或主觀因素，比如發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)離市縣氣象臺(tái)站，不能及時(shí)修復(fù)，觀測記錄缺測(或有疑誤)的情況仍可能發(fā)生。因此可能造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，給資料統(tǒng)計(jì)帶來了眾多不確定性。在出現(xiàn)資料不正?；蛉睖y時(shí)應(yīng)采取合理的統(tǒng)計(jì)處理方法，以保持資料序列完整及統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合實(shí)際[12]。

3.1 氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度及降水的的不正常記錄處理

在自動(dòng)觀測定時(shí)數(shù)據(jù)中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度某一定時(shí)數(shù)據(jù)缺測時(shí)，用前、后兩定時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)插求得，按正常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

在自動(dòng)觀測定時(shí)數(shù)據(jù)中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度若連續(xù)兩個(gè)或以上定時(shí)數(shù)據(jù)缺測時(shí)或小時(shí)降水資料缺測時(shí)，依據(jù)現(xiàn)有的常規(guī)氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站的資料進(jìn)行訂正，插補(bǔ)延長。其訂正方法因要素的特征不同分別采用相關(guān)回歸和隨山體高度變化規(guī)律內(nèi)插而得[13]。氣溫的相關(guān)回歸方程均通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，建立分區(qū)（在分區(qū)的時(shí)候若目標(biāo)區(qū)范圍小，氣候、地理特征差異不大，也可不劃分區(qū)）氣候要素與經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理信息數(shù)據(jù)的關(guān)系模型。依據(jù)氣象-地理信息關(guān)系模型，將實(shí)有自動(dòng)氣象站資料內(nèi)插到本站上，一般采用距離加權(quán)平均法進(jìn)行內(nèi)插[14]，計(jì)算公式為：

式中：Tk為網(wǎng)格點(diǎn)鄰近第k個(gè)氣象臺(tái)站的氣候要素值；dk-2是網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到鄰近第k個(gè)氣象臺(tái)站距離的平方倒數(shù)值，即距離權(quán)重；n為網(wǎng)格點(diǎn)鄰近氣象站的個(gè)數(shù)，一般取3～5個(gè)。從公式可知，網(wǎng)格點(diǎn)與某個(gè)氣象臺(tái)站的相互位置越接近，其數(shù)據(jù)的相似性越強(qiáng)，是符合天氣氣候規(guī)律的。這種距離內(nèi)插也就考慮了經(jīng)緯度對氣候要素的影響。

所有要素處理后，按正常記錄統(tǒng)計(jì)。

3.2 風(fēng)向、風(fēng)速不正常記錄的統(tǒng)計(jì)

由于風(fēng)受影響的因素較多，根據(jù)地形、地貌具有很大的隨機(jī)性，因此當(dāng)風(fēng)有缺測的時(shí)候，按照中國氣象局的《地面氣象觀測規(guī)范》[12]中對風(fēng)記錄缺測統(tǒng)計(jì)的要求：風(fēng)速記錄缺測但有風(fēng)向時(shí)，則風(fēng)向亦按缺測處理；有風(fēng)速而無風(fēng)向時(shí)，則風(fēng)速照記，風(fēng)向記“一”等規(guī)定進(jìn)行處理。

3.3 日、旬、月平均值的統(tǒng)計(jì)

⑴氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、地溫等項(xiàng)的日平均值為該日相應(yīng)要素各定時(shí)值之和除以定時(shí)次數(shù)而得；為保持與現(xiàn)有氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一，方便氣候區(qū)劃，資料須進(jìn)行橫行統(tǒng)計(jì)做 02、08、14、20 時(shí) 4 次日平均。

⑵ 氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、地溫等項(xiàng)的日平均，每旬應(yīng)作旬平均，月終應(yīng)作月平均。旬、月平均值，均用縱行統(tǒng)計(jì)，即日平均的旬、月平均值，分別為該日平均的旬、月合計(jì)值除以該旬、月的日數(shù)而得。

⑶日、旬、月平均值，所取小數(shù)位與相應(yīng)要素記錄的規(guī)定位數(shù)相同（平均云量取一位小數(shù)），計(jì)算時(shí)規(guī)定小數(shù)位后的小數(shù)四舍五入。

⑷氣溫項(xiàng)每年還應(yīng)該分別統(tǒng)計(jì)≥0℃、≥10℃積溫總量值。

4 GIS系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫的建立

通過調(diào)研考察，了解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)的歷史、現(xiàn)狀以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)化調(diào)整規(guī)劃，針對迫切解決的問題，確定區(qū)劃對象，制定區(qū)劃方案，根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)（包括災(zāi)情、產(chǎn)量等）和地理因子（包括海拔高度和坡度等），結(jié)合氣候條件，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法尋找農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)。

4.1 常規(guī)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)建立常規(guī)數(shù)據(jù)庫，包括涉及的常規(guī)氣象資料和相關(guān)的農(nóng)業(yè)氣象資料為歷史數(shù)據(jù)資料。相關(guān)農(nóng)業(yè)氣象資料包括災(zāi)情、產(chǎn)量、作物各個(gè)生長期的極限氣象條件等。

4.2 配套的GIS空間數(shù)據(jù)庫的建立

建立區(qū)劃目標(biāo)區(qū)內(nèi)的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，包括矢量和柵格數(shù)據(jù)庫。矢量數(shù)據(jù)主要有行政邊界、山脈、水系、道路、村屯等信息，有條件的還可以將作物面積標(biāo)注上。柵格數(shù)據(jù)主要是DEM（高程）數(shù)據(jù)，生成的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)也是柵格數(shù)據(jù)。以黑龍江省為例，氣象一般使用的地理信息數(shù)據(jù)庫為1：50 000地理背景數(shù)據(jù)的電子地圖，土地資源信息、土地利用信息來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1：100 000的土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)[11]。肖秀珠等[15-16]對福建省長汀縣的烤煙進(jìn)行區(qū)劃時(shí)，結(jié)合100m×100m網(wǎng)格點(diǎn)上的地理信息資料繪出區(qū)劃圖，利用原有國家級氣象臺(tái)站資料，可精確到村一級。

5 網(wǎng)格氣候數(shù)據(jù)的推算

依據(jù)現(xiàn)有國家級氣象臺(tái)站和區(qū)域自動(dòng)氣象站歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合1 km×1 km網(wǎng)格點(diǎn)上的緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向等地理數(shù)據(jù)，應(yīng)用梯度距離平方反比法推算生成月平均氣溫、月平均空氣濕度、年降水量、≥0℃積溫、≥10℃積溫的千米網(wǎng)格柵格圖。推算公式如下[17-19]：

式中：X和Xi為網(wǎng)格與氣象站點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值；Y和Yi為網(wǎng)格點(diǎn)與氣象站點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值；E和Ei為網(wǎng)格點(diǎn)與氣象站點(diǎn)的海拔高度；CX、CY和Ce為站點(diǎn)氣象要素值與X、Y和海拔高度的多元回歸系數(shù)；di為網(wǎng)格點(diǎn)到第i站點(diǎn)的大圓半徑距離；n為氣象站（包括國家級氣象站和區(qū)域氣象站）的總量，為用于插值的氣象站點(diǎn)數(shù)目；Zi為氣象站點(diǎn)氣象要素值；Z為網(wǎng)格點(diǎn)的氣象要素值。

6 小結(jié)

區(qū)域自動(dòng)站的引進(jìn)，對觀測資料的分析處理，可增加時(shí)空站點(diǎn)的密度，對網(wǎng)格氣候數(shù)據(jù)的推算結(jié)論信度進(jìn)一步增強(qiáng)，由此而產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)據(jù)更加貼近實(shí)際數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的氣候區(qū)劃也就更精確，利用價(jià)值大大提高。

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