1961—2015年伊犁地區(qū)溫度時空變化研究
——基于DEM的空間插值方法

何建平

（新疆林業(yè)生態(tài)監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830001）

近幾十年以來，我國乃至全世界的氣候變化非常明顯，最為明顯的是全球變暖。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委 員 會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第三次研究報告顯示：全球氣溫自1860年以來一直在增高，近百年以來增長了0.4～0.8℃，達(dá)到了過去1 000年以來的最高值，且大氣中的二氧化碳濃度也明顯提高［1］。我國大部分地區(qū)氣溫升高明顯、降水減少，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率逐漸增大。極端氣候災(zāi)害的平凡發(fā)生給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來了嚴(yán)重的影響，造成了巨大的損失。近10年來，位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部的伊犁地區(qū)，發(fā)生了幾次嚴(yán)重的極端氣候自然災(zāi)害事件，環(huán)境惡化嚴(yán)重。因此，全面了解和認(rèn)識極端氣候變化事件的特點，找出極端氣候事件的發(fā)生規(guī)律，對未來準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)生規(guī)律和提高防災(zāi)減災(zāi)意識是非常具有意義的。

1 研究區(qū)范圍及資料來源

根據(jù)資料的連續(xù)性及最長時段性等標(biāo)準(zhǔn)，共選取伊犁地區(qū)符合條件的10個氣象站（均為國家氣象地面標(biāo)準(zhǔn)站）。為保證逐月平均氣溫的均一和穩(wěn)定，氣溫資料時間一致取為1961年1月1日至2015年12月31日。10個氣象站點的空間分布圖，以已知的氣象站點的地理坐標(biāo)和海拔高程作為自變量，由月均氣溫值計算的年均氣溫值來進(jìn)行插值，同時以伊犁地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM）作為參照。

軟件采用現(xiàn)在流行的ARCGIS10.2以及目前使用最多的Office軟件Excel 2007表格工具。ARCGIS中有三大模塊，其中Arc Catalog主要用于空間數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，Arc Map主要用于空間數(shù)據(jù)的編輯、顯示、檢索、查詢，而且還有分析和制圖等功能。Excel 2007表格工具能夠提供透視圖、透視表及數(shù)據(jù)的變化趨勢等。

利用1961—2015年10個氣象站點所測的氣溫數(shù)據(jù)（包括年平均氣溫、年最高最低氣溫等數(shù)據(jù)），制作其年平均氣溫和最高最低氣溫的透視圖，生成歷史曲線，研究其變化的趨勢和特征。然后利用ARCGIS來對氣溫進(jìn)行空間插值，最后利用高程等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

2 研究方法

2.1 樣條函數(shù)法

樣條函數(shù)法是基于整個曲面的光滑性來創(chuàng)造一個擬合的曲面，是一種分段的特殊函數(shù)。其可以在不一樣的區(qū)間內(nèi)對少數(shù)的點進(jìn)行不同的擬合，同時能夠保證函數(shù)區(qū)線段連接處連續(xù)。但其插值的誤差不能直接進(jìn)行估算，因為其插值區(qū)間一般都大于其實際的區(qū)間。

2.2 協(xié)同克里金法

協(xié)同克里金法即多要素克里金插值法，克里金法是一種依賴于測量誤差模型實現(xiàn)精確或平滑插值的插值法。其非常靈活，允許對空間自相關(guān)圖和互相關(guān)圖進(jìn)行研究［2］。克里金法使用的是統(tǒng)計模型，允許用于各種輸出表面（包括預(yù)測值、預(yù)測值標(biāo)準(zhǔn)誤差、概率和分位數(shù)）?？死锝鸱ㄐ枰_定很多參數(shù)的設(shè)置來保證其靈活性?？死锝鸱僭O(shè)數(shù)據(jù)來自平穩(wěn)的隨機過程，而且一些方法還假設(shè)數(shù)據(jù)正態(tài)分布。

對于許多自然現(xiàn)象的空間格局處理受自身空間相互影響和相互作用外，還受到外部其他因素的影響，如地區(qū)的降水量和氣溫值都受到地形因素的影響，尤其受到海拔條件的影響。所以，本文采取雙要素的協(xié)同克里金插值法來對氣溫進(jìn)行空間插值，從而獲取地區(qū)的氣溫狀況分布圖。

2.3 基于DEM修正的插值方法

根據(jù)氣象站提供的實測數(shù)據(jù)估算未知點的溫度數(shù)據(jù)，在地形崎嶇的山區(qū)僅僅利用上述的空間插值方法結(jié)果是不準(zhǔn)確的。基于DEM的插值方法，充分考慮氣溫數(shù)據(jù)水平和垂直地帶性空間分布的特點，對溫度插值的結(jié)果產(chǎn)生有非常重要的影響。

2.3.1 氣溫直減率。隨著海拔的升高，氣溫一般呈現(xiàn)遞減趨勢，但這種趨勢在不同的地區(qū)或者不同的季節(jié)略有不同，所以本文利用SPSS軟件對10個氣象站的月平均氣溫和海拔高度的關(guān)系進(jìn)行了一元線性回歸分析，結(jié)果表明海拔修正能夠完美地擬合研究區(qū)的平均氣溫，復(fù)相關(guān)系數(shù)都高于0.5，從而能得出研究區(qū)的平均氣溫隨海拔變化的氣溫直減率［3］。由此可以得出，伊犁地區(qū)的年均氣溫直減率為0.58℃/100 m，由此可以看出伊犁地區(qū)氣溫隨著海拔升高的變化趨勢與全國其他研究區(qū)域有所不同。

2.3.2 基于DEM的氣溫修正。當(dāng)考慮海拔高度對平均氣溫的影響時，任意一點的平均溫度可以表示為：

式（1）中，T0為訂正到海平面后的溫度，H為海拔，A為平均環(huán)境的氣溫直減率。

根據(jù)伊犁地區(qū)的氣溫直減率，將年平均氣溫數(shù)據(jù)修正到海平面的高度。做法就是根據(jù)10個氣象站點的高程將實測氣溫訂正到海平面的高度，再利用克里金法對修正后的平均氣溫進(jìn)行插值，將生成的溫度柵格數(shù)據(jù)結(jié)合伊犁地區(qū)的DEM進(jìn)行地形的氣溫修正，最終生成具有高程的伊犁地區(qū)氣溫模擬數(shù)據(jù)。基于DEM的修正公式為：

式（2）中，TDEM為DEM修正后的氣溫模擬結(jié)果，TOK為利用克里金對海拔校正后的氣溫進(jìn)行插值的結(jié)果，HDEM為DEM的柵格數(shù)據(jù)。

2.3.3 誤差分析。在目前對于插值結(jié)果的精度檢驗方法中，交叉驗證是應(yīng)用范圍最為廣泛的一種評價方法，可以準(zhǔn)確驗證不同種類的插值方法的插值精確度［4］。通常通過計算所有站點的氣溫模擬值與實測值之間的插值平均值來作為其插值精度的評價指標(biāo)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)差、絕對誤差及平均誤差的平方根等相關(guān)檢驗參數(shù)來對插值結(jié)果進(jìn)行誤差分析。其中，絕對誤差是站點實測值與插值估算值的誤差的絕對值，反映估算值偏離真實值的大??；標(biāo)準(zhǔn)值是衡量估計值偏離算術(shù)平方根的平均值的指標(biāo)，可通過其插值結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差反映其偏離實測值的離散程度。其方法是假設(shè)某個氣象站點的溫度都是未知的，利用周圍已知測站通過空間插值估算，然后計算估算值與實測值之間的平均絕對誤差與誤差平方根。誤差分析結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 插值結(jié)果的誤差分析

圖1 插值結(jié)果的絕對平均誤差折線圖

通過對幾種不同方式的空間插值比較，得出幾種空間插值方法的優(yōu)缺點，結(jié)果表明：①基于DEM的插值方法與協(xié)同克里金法的插值精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的克里金法，其插值的估算精度均提高了1倍；②協(xié)同克里金法的插值精度最高，均方誤差（MAE）為0.53～0.91℃，平均為0.70℃，均方根誤差（RMSIE）為0.69～1.44℃，平均為1.05℃；③基于DEM的插值法與協(xié)同克里金法基本相同，雖然其插值精度略低于協(xié)同克里金，但遠(yuǎn)勝于普通克里金法，表明這兩種方法均可提高插值精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫變化特征

近50年來，伊犁地區(qū)的年平均氣溫呈平穩(wěn)上升趨勢，其中年均溫的增溫率為0.25℃/a，高于全國的0.22℃/a，但低于西北地區(qū)的0.32℃/a。冬季氣溫增溫最為明顯。

伊犁地區(qū)的年平均氣溫最大值出現(xiàn)在2015年，為9.55℃，最小值出現(xiàn)在1969年，為5.94℃，極差為3.61℃。其中，1965—1969年氣溫偏低，1978—1981年明顯偏高。1969年氣溫最低，之后緩慢升高；1977年之后氣溫明顯開始上升，而后有所減緩；1997年之后氣溫明顯升高且上升趨勢有所增加，2015年達(dá)到最大值。伊犁地區(qū)的四季氣溫與年均氣溫變化趨勢大致相同［5］。1997年之前，春季氣溫明顯偏低，之后大幅度上升，其中伴隨著小幅度的下降，但在1997年以后氣溫逐漸恢復(fù)升高，2009年達(dá)到最高值，之后緩慢下降，但仍比往年的溫度高許多。伊犁地區(qū)的夏季氣溫總體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，伴隨著小幅度的上升，但趨勢不夠明顯，2008年達(dá)到最大值，為25.30℃，之后變化不是特別明顯。伊犁地區(qū)的秋季氣溫變化趨勢在1995年之前非常明顯，升或者降的趨勢都特別劇烈，并在1988年達(dá)到最低值，為7.40℃，之后上升的趨勢趨于穩(wěn)定，并保持在10.00℃范圍內(nèi)。伊犁地區(qū)的冬季氣溫不斷升高，并且升溫的速率在不斷增大，2015年甚至達(dá)到-1.00℃，可以看出全球變暖的影響還是非常大的。

由此可以看出，伊犁地區(qū)的秋季增溫率最高，對年均氣溫值的貢獻(xiàn)率最大，冬季、春季次之，夏季貢獻(xiàn)值最小。生長季的氣溫也逐年升高，但趨勢不大。秦大河等［6］認(rèn)為人類活動的加劇是導(dǎo)致全球變暖的主要因素，伊犁地區(qū)又是新疆著名的旅游風(fēng)景地區(qū)，流動人口的增多加快了溫室氣體的排放，或者增加破壞植物樹木的過程，這些都是溫度升高的重要原因。同時厄爾尼諾現(xiàn)象的產(chǎn)生也對冬季氣溫的升高趨勢有著極大的影響。

3.2 氣溫的突變檢驗

對1961—2015年伊犁地區(qū)平均氣溫進(jìn)行突變檢驗，結(jié)果顯示：就年平均氣溫而言，伊犁地區(qū)的突變時間高峰段出現(xiàn)在1985年前后，分別為1985、1986、1989年，伊犁地區(qū)年平均氣溫突變時間早于天山、南疆、巴州等地區(qū)，說明大范圍內(nèi)氣候變化的空間差異性。就季節(jié)而言，不同的季節(jié)氣溫突變時間差異較大，春季、冬季突變時間分別出現(xiàn)在1990、1985年前后；夏季、秋季圖突變時間分別出現(xiàn)在1980、1985年以后，其中春季突變時間與年均氣溫變化趨勢最為接近。更進(jìn)一步分析可得，冬季氣溫變化最為明顯，趨勢更大，突變現(xiàn)象也比較明顯。突變的空間分布具體情況是1985年前后尼勒克區(qū)域內(nèi)的氣溫變化較明顯，其他區(qū)域內(nèi)變化一般。2014年前后霍城區(qū)域內(nèi)與新源縣境內(nèi)氣溫明顯降低，但2015年后恢復(fù)正常。具體結(jié)果如表2所示。

3.3 氣溫的空間分布

根據(jù)伊犁地區(qū)的氣溫直減率，將年平均氣溫數(shù)據(jù)修正到海平面的高度。根據(jù)10個氣象站點的高程將實測氣溫訂正到海平面的高度，再利用克里金法對修正后的平均氣溫進(jìn)行插值，將生成的溫度柵格數(shù)據(jù)結(jié)合伊犁地區(qū)的DEM進(jìn)行地形的氣溫修正，生成具有高程的伊犁地區(qū)氣溫模擬數(shù)據(jù)。因研究區(qū)域年均氣溫的分布趨勢較為穩(wěn)定，故采用每隔10年進(jìn)行一次插值分析的方法?？梢缘贸瞿昃鶜鉁貫?.142～11.142℃，最高氣溫為13.700～24.820℃，最低氣溫為-18.800～3.000℃。1964年，鞏留縣和尼勒克縣的年均氣溫大致相同，特克斯等地區(qū)的氣溫明顯低于伊寧縣、新源縣等地區(qū)。1984年發(fā)生了氣溫突變，察布查爾縣自1984年以來氣溫明顯升高，并在2004年以后恢復(fù)正常?？偟膩碚f，伊犁地區(qū)的氣溫空間分布狀況是從西向東遞減再遞增的過程。春季，1964年前后昭蘇與尼勒克的邊界區(qū)域溫度較低，1964—1974年春季氣溫總體變化趨勢較大，察布察爾縣與尼勒克縣的氣溫明顯得下降，1974年以后變化較為平穩(wěn)，但昭蘇縣西南地區(qū)及特克斯境內(nèi)氣溫明顯升高。夏季的氣溫分布趨勢與年均氣溫分布趨勢相同，1984年前后產(chǎn)生了氣溫突變，鞏留縣境內(nèi)的氣溫明顯降低。秋季，1964—1974前后伊犁地區(qū)的氣溫總體變化趨勢不大，但在1984年前后可以明顯看到氣溫突變的空間分布，鞏留和特克斯區(qū)域內(nèi)氣溫明顯降低，1994—2004年前后恢復(fù)正常，2014年昭蘇西南區(qū)域氣溫降低，但其他地區(qū)氣溫總體趨勢不變。冬季變化趨勢與春季相同，證明夏季氣溫對年均氣溫的貢獻(xiàn)率最大。在1994年前后可以明顯看到氣溫突變，察布察爾縣與伊寧縣交界處以及鞏留縣境內(nèi)氣溫明顯回暖，并在2004年逐漸恢復(fù)正常。另外，東部地區(qū)氣溫明顯高于西部地區(qū)氣溫，能夠充分表現(xiàn)出氣溫的空間差異性。

表2 氣溫的突變檢驗 ℃

4 結(jié)論

本文主要以伊犁地區(qū)為研究區(qū)，綜合運用空間插值、統(tǒng)計分析等方法，利用氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到如下結(jié)論。

①近50年來，伊犁地區(qū)的升溫趨勢較為明顯，升溫率為0.25℃，高于全國而低于西北地區(qū)，且冬季增溫最為明顯。

②1961—2015年，伊犁地區(qū)的年均氣溫、春夏秋冬季平均氣溫都在1985年前后發(fā)生了突變，北部地區(qū)的氣溫突變明顯于南部地區(qū)，時間也明顯早于南部地區(qū)，冬季突變時間明顯長于其他季節(jié)?？偟膩碚f是氣溫上升較快，升溫率不斷增大，主要原因可能是溫室氣體的大量排放，人口活動對自然地區(qū)的影響，或者是內(nèi)部的氣候系統(tǒng)遭到了破壞。

③通過對幾種插值方法估算精度的研究比較，對于溫度插值而言，基于DEM的插值方法和協(xié)同克里金法充分考慮了溫度的水平和垂直地帶上的分布特征，因此獲得了較精確的估算精度。與傳統(tǒng)的克里金方法相比，其估算精度提高了1倍以上。同時利用該方法也可以獲得高精度的溫度柵格數(shù)據(jù)，對于利用溫度作為指標(biāo)的空間插值具有借鑒意義。

④伊犁地區(qū)的氣溫空間分布狀況為從西向東逐年遞減到達(dá)臨界值后逐年回升。夏季的氣溫分布狀況與年均一致，1964—1984年全區(qū)氣溫明顯發(fā)生了突變，但在1984年以后逐漸恢復(fù)正常。昭蘇和尼勒克境內(nèi)氣溫有較大變化，但其他地區(qū)氣溫總體趨勢不變。冬季變化趨勢與春季相同，證明夏季氣溫對年均氣溫的貢獻(xiàn)率最大。東部地區(qū)氣溫明顯高于西部地區(qū)氣溫，充分體現(xiàn)氣溫的空間差異性。