基于新疆地區(qū)降水量與氣溫的空間異質(zhì)性的空間展開(kāi)模型分析

康　婷， 胡錫健， 張輝國(guó)

(新疆大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院， 新疆烏魯木齊 830046)

基于新疆地區(qū)降水量與氣溫的空間異質(zhì)性的空間展開(kāi)模型分析

康婷， 胡錫健， 張輝國(guó)

(新疆大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院， 新疆烏魯木齊 830046)

摘要：基于新疆地區(qū)52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)，利用空間展開(kāi)模型研究了1970,1980,1990和2000年新疆地區(qū)平均氣溫與年降水量回歸關(guān)系的空間異質(zhì)性，并將結(jié)果予以可視化.采用空間展開(kāi)模型用各觀測(cè)站點(diǎn)的地理位置函數(shù)來(lái)代替各觀測(cè)點(diǎn)的位置特性加入到模型當(dāng)中，很好地解決了由于各站點(diǎn)地理特性而導(dǎo)致的空間異質(zhì)性.研究表明，新疆地區(qū)氣溫對(duì)降水量的影響強(qiáng)度隨著地理空間位置的變化而變化，二者的回歸關(guān)系呈現(xiàn)出顯著的空間非平穩(wěn)性.北疆地區(qū)的影響系數(shù)顯著為正，天山山區(qū)的大多數(shù)氣象觀測(cè)站點(diǎn)為正，而南疆地區(qū)的回歸系數(shù)所反映的影響強(qiáng)度特征較為散亂，這種不一致性取決于南疆地區(qū)的特殊地理格局.研究結(jié)論充分說(shuō)明新疆地區(qū)氣溫對(duì)降水量的影響強(qiáng)度存在明顯的地域差異.

關(guān)鍵詞：空間展開(kāi)模型； 年均氣溫； 年降水量； 新疆地區(qū)

全球氣候變化已經(jīng)是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，全人類已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)氣候變暖趨勢(shì)展開(kāi)了很多研究.新疆位于我國(guó)西北地區(qū)，地處歐亞大陸腹地，地理特征獨(dú)特，水資源分布極其不均勻，是典型的干旱、半干旱地區(qū).降水是新疆地區(qū)所有形式的地表水、地下水和高山積雪冰川等水體的根本補(bǔ)給資源，是水分循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要分量.降水量的多少對(duì)一個(gè)地區(qū)氣候變化、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)、生活有極其重要的影響.在現(xiàn)今全球氣候變暖的大環(huán)境下，隨著氣溫的上升，降水異常更是頻頻發(fā)生，1956-2007年間，新疆地區(qū)線性增溫速率達(dá)0.37℃/10a[1]，明顯高于全國(guó)0.22℃/10a[2]的升溫率.因此，對(duì)新疆地區(qū)的氣溫和降水量的研究有著十分重要的意義.長(zhǎng)期以來(lái)，大量的學(xué)者對(duì)中國(guó)西北地區(qū)[3-6]尤其是新疆地區(qū)[6-7]的氣溫、降水量的變化趨勢(shì)做了很多研究，所有的研究結(jié)果基本一致，即：近幾十年來(lái)新疆的年均氣溫、年降水量總體呈上升趨勢(shì)(年降水量平均增幅0.67mm/a[6]，年均氣溫平均增長(zhǎng)0.27℃/10a[6])，但增幅的強(qiáng)弱在地區(qū)分布上各有差異.李艷玲等[8]對(duì)年均氣溫和年降水量運(yùn)用空間自回歸模型進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在去除地形的影響后，年均氣溫和年降水量均具有顯著的空間相關(guān)性和空間聚集特征.施雅風(fēng)等[4]認(rèn)為全球變暖驅(qū)動(dòng)水循環(huán)過(guò)程加快；空氣中水汽的增減是降水量變化的重要條件.BengtssonL[9]曾估算溫室氣體加倍所導(dǎo)致的升溫，將使大氣中水汽含量增加15%，陸地降水量增加8%，回流海洋的徑流量將增加10.3%.俞亞勛等[10]也研究發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)有兩個(gè)水汽含量相對(duì)高值中心，一個(gè)位于南疆盆地，另一位于北疆地區(qū).1987年以后水汽突然增大有利于新疆地區(qū)降水的增加.總結(jié)上述一系列的研究不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)地區(qū)的年降水量和年均氣溫有十分密切的關(guān)系.并且，駱超等[11]指出氣溫和降水在平原區(qū)沒(méi)有明顯相關(guān)性，但在山區(qū)溫度高時(shí)降水量大，溫度低時(shí)降水量小，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān).但上述許多研究都沒(méi)有給出氣溫和降水量的具體關(guān)系，而李艷玲等人也只是在除去地理位置影響的情況下說(shuō)明了年均氣溫和年降水量均具有顯著的空間相關(guān)性和空間聚集特征.所以，對(duì)氣溫和降水量關(guān)系的研究具有十分重要的意義.然而，通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的觀察可知，新疆的降水量存在較明顯的時(shí)空分布不勻性，在空間格局上主要表現(xiàn)為山區(qū)降水大于平原與盆地、北疆降水多于南疆，且降水量從西北向東南部減少[12]；而且在研究一個(gè)地區(qū)的氣候變化時(shí)，得到數(shù)據(jù)往往是與空間位置有關(guān)的，如各氣象觀測(cè)站點(diǎn)的地理位置(經(jīng)度，緯度)等.這就使得各個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)擁有各自的位置特性.但是，直到目前為止對(duì)這方面的研究幾乎都只考慮了各觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)的相關(guān)性卻忽視了由地理位置的不同而導(dǎo)致的空間異質(zhì)性.本文采用空間展開(kāi)模型[13]用各觀測(cè)站點(diǎn)的地理位置函數(shù)來(lái)代替各觀測(cè)點(diǎn)的位置特性加入到模型當(dāng)中，以期解決由于各站點(diǎn)地理特性而導(dǎo)致的空間異質(zhì)性.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料選取

本文選取1950-2000年新疆地區(qū)56個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣溫、降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.但是由于建站時(shí)間不同、撤站、遷址等原因造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的記錄長(zhǎng)度不一，并且眾多研究結(jié)果顯示：新疆的氣候趨于以暖干向暖濕的變化趨勢(shì)[14]，且多數(shù)站點(diǎn)的降水量于20世紀(jì)80年代中期發(fā)生了比較明顯的突變[15].基于上述原因，本文選取了1970、1980、1990、2000年四年的52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的逐日氣溫和降水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為年均氣溫和年降水量進(jìn)行研究.本文將以天山為界，將新疆地區(qū)劃分為南疆和北疆，天山以南為南疆，天山以北為北疆.按照這種劃分，本文中所研究的52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)中屬于南疆地區(qū)的觀測(cè)站點(diǎn)有25個(gè)，北疆地區(qū)的觀測(cè)站點(diǎn)有20個(gè)，天山山區(qū)有7個(gè).

1.2 方法

1.2.1數(shù)據(jù)的中心化

本文對(duì)1970、1980、1990、2000四年的52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的逐日氣溫和降水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取其算術(shù)平均數(shù)作為對(duì)應(yīng)的年均氣溫和年降水量，運(yùn)用年均氣溫和年降水量來(lái)研究氣溫對(duì)降水量的影響.中心化是指變量減去它的均值(即數(shù)學(xué)期望值).對(duì)于樣本數(shù)據(jù)，將一個(gè)變量的每個(gè)觀測(cè)值減去該變量的樣本平均值，變換后的變量就是中心化的.將數(shù)據(jù)中心化不僅使數(shù)據(jù)而且使模型中的常數(shù)項(xiàng)β0i有實(shí)際意義，即當(dāng)年均氣溫等于平均氣溫時(shí)，常數(shù)項(xiàng)表示該觀測(cè)站點(diǎn)的年降水量.

1.2.2空間展開(kāi)模型

空間展開(kāi)模型的一般形式為

(1)

其中，i=1,2,…，52，表示本文選取的新疆地區(qū)52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn);xi表示第i個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的年均氣溫;yi表示第i個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的年降水量;ui,vi分別表示第i個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的緯度、經(jīng)度.

空間展開(kāi)模型的具體計(jì)算過(guò)程為：

將式(1)的第2、3個(gè)等式帶入第1個(gè)等式中，得到

所以，上式可以寫作如下的矩陣形式：Y=Xβ.

對(duì)上式運(yùn)用最小二乘求解，最終解得形式為

β=(X′X)-1X′Y

本文借助MATLAB軟件，得到了空間展開(kāi)模型的最小二乘估計(jì)結(jié)果.

2 結(jié)果與分析

2.1空間展開(kāi)模型系數(shù)估計(jì)結(jié)果

本文對(duì)新疆地區(qū)52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1970、1980、1990、2000年四年的逐日氣溫和降水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用空間展開(kāi)模型進(jìn)行分析，通過(guò)模型的計(jì)算結(jié)果得出第i個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的年均氣溫對(duì)年降水量的影響系數(shù)β1i，而常數(shù)項(xiàng)β0i則表示當(dāng)?shù)趇個(gè)站點(diǎn)的年均氣溫為平均氣溫時(shí)的年降水量.現(xiàn)將1970、1980、1990、2000年的模型計(jì)算結(jié)果可視化，結(jié)果如圖1～圖4所示.由圖1～圖4可知：1970年，1980年，1990年，2000年每年的降水量受氣溫的影響大致表現(xiàn)是一致的，北疆地區(qū)各站點(diǎn)的降水量受氣溫的影響為正也最為明顯；天山山區(qū)次之，而南疆地區(qū)降水量受氣溫的影響是最弱的.對(duì)于南疆地區(qū)而言，大部分站點(diǎn)在1970、1980、1990年氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)為負(fù)，但是到2000年正系數(shù)的站點(diǎn)數(shù)增加，氣溫對(duì)降水量的影響增大.從時(shí)間序列來(lái)看，隨著時(shí)間的推移，氣溫對(duì)降水量的影響是逐漸變大的，這主要是因?yàn)樵谶@四年間氣溫在持續(xù)增加，再加上現(xiàn)今全球變暖的大背景下，溫室氣體加倍所導(dǎo)致的升溫驅(qū)動(dòng)水循環(huán)過(guò)程加快，使大氣中水汽含量和陸地降水量增加.而且1987年以后水汽突然增大有利于新疆地區(qū)降水的增加.

圖1 1970年年均氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)

圖2 1980年年均氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)

圖3 1990年年均氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)

圖4 2000年年均氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)

2.2 結(jié)果分析

圖1～圖4顯示，當(dāng)氣溫等于年均氣溫時(shí)，北疆地區(qū)的年降水量是最多的，天山山區(qū)次之，南疆地區(qū)的年降水量是最少的，這個(gè)結(jié)果與姜逢清等人[12]得出的結(jié)論一致.這主要是因?yàn)?，?duì)于氣溫的增加幅度來(lái)說(shuō)，北疆地區(qū)大于其他兩個(gè)地區(qū)，北疆地區(qū)的氣溫平均增長(zhǎng)0.36℃/10a，南疆地區(qū)為0.20℃/10a[5]，北疆地區(qū)的年均氣溫對(duì)年降水量的影響系數(shù)要大于其他兩個(gè)區(qū)的.

為了進(jìn)一步觀察新疆地區(qū)52個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的年均氣溫對(duì)年降水量的影響強(qiáng)度，本文按照北疆地區(qū)、天山山區(qū)、南疆地區(qū)的劃分方法，將三個(gè)區(qū)的年均氣溫對(duì)年降水量的影響系數(shù)與站點(diǎn)的不同以圖的形式表示出來(lái)(如圖5～圖7所示).

圖5　北疆地區(qū)各站點(diǎn)年均氣溫對(duì)年降水量的影響

圖6　天山山區(qū)各站點(diǎn)年均氣溫對(duì)年降水量的影響

圖7 南疆地區(qū)各站點(diǎn)年均氣溫對(duì)年降水量的影響

3 討論

北疆地區(qū)大部分站點(diǎn)的年均氣溫對(duì)降水量的影響系數(shù)為正值(P=0.001<0.05，顯著的)，即隨著氣溫的增加降水量也是增加的，二者的變化趨勢(shì)是一致的；對(duì)于天山山區(qū)而言，在1970、1980、1990年達(dá)阪城、巴里塘、伊吾氣象站點(diǎn)的系數(shù)是負(fù)的，而2000年天山山區(qū)的所有氣象站點(diǎn)的影響系數(shù)顯著性為正(P=0.001<0.05)，但總體而言天山山區(qū)的氣溫和降水量都是增加趨勢(shì)；南疆地區(qū)則相反，只有極少數(shù)的的氣象站點(diǎn)的影響系數(shù)為正，原因可能是由于南疆的地貌格局、地理環(huán)境的特殊性和自然環(huán)境的嚴(yán)酷性使得南疆地區(qū)由相對(duì)冷濕轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)暖干.南疆地區(qū)的主體為塔里木盆地，盆地中央是世界上第二大流動(dòng)性沙漠-塔克拉瑪干大沙漠，塔里木盆地的周圍是昆侖山脈和天山山脈.所以對(duì)于南疆來(lái)說(shuō)，天山、昆侖山的幾面阻擋，使得海洋水汽不能進(jìn)入，致使南疆降水量明顯少于北疆.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著氣象觀測(cè)站點(diǎn)地理位置的不同，年均氣溫對(duì)年降水量的影響系數(shù)也發(fā)生變化.這一結(jié)論與通常利用常系數(shù)線性回歸模型分析氣溫與降水量的關(guān)系所得出的結(jié)果不盡相同.

雖然諸多研究表明近幾十年來(lái)新疆地區(qū)的氣溫和降水量都有明顯的增加趨勢(shì)，但是不同空間區(qū)域的年均氣溫對(duì)年降水量的影響程度并不相同，對(duì)于新疆的北疆地區(qū)、天山山區(qū)和南疆地區(qū)而言，北疆地區(qū)的影響系數(shù)顯著為正，天山山區(qū)的大多數(shù)氣象觀測(cè)站點(diǎn)為正，而南疆地區(qū)則不然，南疆地區(qū)的這種不一致性取決于其特殊的地理格局.這一結(jié)果充分說(shuō)明氣溫對(duì)降水量的影響大小存在明顯的地域差異.

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(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-08-01

作者簡(jiǎn)介：康婷，女，kt827312527@163.com；通信作者:胡錫健，男，xijianhu@126.com

文章編號(hào)：1672-6197(2015)02-0036-04

中圖分類號(hào)：S212.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Spatialexpansionmethodanalysisontemperatureand
precipitationofspatialheterogeneityinXinjiangregion

KANGTing,HUXi-jian,ZHANGHui-guo

(CollegeofMathematicsandSystemScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046，China)

Abstract:Based on the daily temperature and precipitation data at 52 representative meteorological stations in Xinjiang during 1970,1980,1990 and 2000,we analyzed the spatial heterogeneitythe of the regression relationship between average temperature and annual precipitation of Xinjiang region using the spatial expansion method, and visualized the results .The functions of each location site were added to the model to replace the position characteristics of each observation point, which had resolved the spatial heterogeneity due to the geographical characteristics of each site.The influences of temperature on precipitation were changed with the change of geospatial locations, and the regression relationship between them showed the significant spatial non-stationary.The impact factor of the northern area is significantly positive, the impact factors of most meteorological observation stations' in the Tianshan Mountains are positive, but the impact strength characteristics of the regression coefficients of the southern region are more scattered. This inconsistency depends on the particular geographical pattern in southern region . The results showed that there are obvious regional differences among the influences of temperature on precipitation in Xinjiang region .

Key words:spatial expansion method; average temperature; annual precipitation; Xinjiang region