云南山地城鎮(zhèn)氣溫空間分異的影響因素分析

陳永剛 王艷霞 楊興嬌 黃 彥 蔡志勇 周汝良

（1. 西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 中航通飛研究院有限公司/中國特種飛行器研究所，廣東 珠海 519000）

氣溫是氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)等諸多研究中的基礎(chǔ)性要素[1]，其參與地表過程模擬，有助于分析區(qū)域狀況及變化規(guī)律[2]。連續(xù)化氣象要素是區(qū)域環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)模擬的重要參數(shù)[3]，而山地區(qū)域的常規(guī)氣象臺站只能獲取有限的觀測值，導(dǎo)致傳統(tǒng)氣象觀測與信息服務(wù)難以滿足行業(yè)化的應(yīng)用，如森林草原火災(zāi)的蔓延發(fā)展預(yù)報、旅游觀光等，通常需要每個空間單元連續(xù)變化的氣象場信息。

針對空間連續(xù)化氣溫場的研究，大多學(xué)者利用氣象臺站樣點數(shù)據(jù)，借助GIS內(nèi)插方法形成空間連續(xù)的氣溫場[4-9]，也有一些學(xué)者利用遙感手段定量反演氣溫場[10-13]，為氣溫連續(xù)化的表達提供新的技術(shù)手段。但GIS內(nèi)插方法受氣象臺站值影響較大，對樣本分布和數(shù)量要求較高，常因某一區(qū)域存在極值，易形成“牛眼”分布格局[8]。聶磊利用地形、植被指數(shù)對氣溫場進行修正[14]，何志明等[15]、王林林等[16]利用天文輻射因子修正，這一定程度上提高了插值精度，但不能較好的表達地理要素對氣溫作用，而氣溫格局的修正需要考慮地形遮蔽，以及對向坡面多次反射等引起的輻射校正，故該方法不適合復(fù)雜山地區(qū)域氣溫場研究。云南省地跨6個緯距、起伏落差大，緯向、海拔是形成顯著溫差因子[17-18]，海拔、緯度的主導(dǎo)性作用可能會干擾或掩蓋其他地理因子對氣溫的影響，難以闡述弱影響因子與氣溫內(nèi)在聯(lián)系。Wang等[19]在消除或減弱海拔、緯度影響下，開展了地形隆起程度對氣溫增溫效應(yīng)研究，但該研究以自然地理氣溫場為研究對象?，F(xiàn)有氣溫研究大多集中在人為干擾少自然地理環(huán)境中[20-22]，缺乏山地城鎮(zhèn)區(qū)域的氣溫場形成機理分析。

山地城鎮(zhèn)氣溫場研究是繼自然地理氣溫場補充研究，其與同緯度、同地勢自然地理氣溫場相比，具有明顯的地域分異特征[23]。山地城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)氣溫場與人類生活關(guān)系最為密切且多分布在平坦臺地上，在地形地貌、植被覆蓋、人類活動劇烈程度等方面也與自然地理場景下有較大差異。以山地城鎮(zhèn)區(qū)域為研究區(qū)，以地理要素對氣溫作用機制為出發(fā)點，建立地學(xué)要素與氣溫場之間定量化的數(shù)學(xué)模型，分析山地城鎮(zhèn)氣溫影響要素，對補充完善山區(qū)氣溫場的形成機理具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

云南省位于中國西南邊陲，地處北緯21°09′～29°15′，東經(jīng)97°32′～106°12′。年均溫介于-7.6～24.7 ℃，極高溫地區(qū)為滇西南與滇中地區(qū)，而極低溫地區(qū)分布在滇西北及滇東北地區(qū)[24]。云南大部地區(qū)日照時間在2 000 h以上，云南日照時數(shù)中干季最多，雨季最少，其中3月份最長，7月份最短，在區(qū)域分布上具有西邊多、東邊相對較少，而南部比北部多的特點[25]。云南境內(nèi)高原地勢的巨大起伏，省內(nèi)最低點河口海拔僅為76.4 m與滇西北部最高點卡格博峰海拔6 740 m的高差達6 663.6 m，深切河谷與山峰之間的巨大海拔高差，以及復(fù)雜的地貌條件等因素，對具有明顯區(qū)域性特征的云南氣候因素的再分配與組合十分顯著，在區(qū)域性氣候特征與錯綜復(fù)雜的水熱配合狀況下，同一水平氣候帶下出現(xiàn)了“水平分塊，垂直分帶”的立體氣候特征[26]，云南地貌起伏落差大，山高谷深，河川縱橫，兼有寒、溫、熱三帶氣候，立體氣候特點突出。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1地表溫度數(shù)據(jù)

收集云南2018年4個季節(jié)少云過境云南的MODIS數(shù)據(jù)，共8景，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘查局（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。進行影像去重、幾何校正、條紋噪聲消除[27-29]，采取分裂窗算法[12-13]，反演得到地表溫度場，利用云南省氣象局收集到的134個常規(guī)氣象站點1960—1980年共20年氣溫實測值[30]，訂正出250 m空間分辨率的多年平均氣溫場[31]。

2.1.2植被數(shù)據(jù)

以2018—2019年中分辨率成像光譜儀（MODIS）的MOD13陸地2級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品的16 d合成的歸一化植被指數(shù)為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為250 m，將其處理為0～100以反映植被指數(shù)數(shù)據(jù)。

2.1.3降水?dāng)?shù)據(jù)

利用WORLD CLIMATE（https://www.worldclim.org）的1970—2000年、30′空間分辨率的平均降水場數(shù)據(jù)，通過裁剪、重采樣形成云南250 m空間分辨率的降水場數(shù)據(jù)。

2.1.4基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

海拔數(shù)據(jù)采用美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪數(shù)據(jù)（SRTM），來源于美國地質(zhì)勘查局，空間分辨率為90 m，重采樣為250 m的空間分辨率。縣域行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https://www.webmap.cn）。

2.1.5社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)

社會經(jīng)濟要素因素顯著影響城市氣溫[32-33]。社會經(jīng)濟要素眾多，選擇可能影響氣溫的人口規(guī)模、經(jīng)濟產(chǎn)值、產(chǎn)業(yè)比重層面的數(shù)據(jù)，從2018—2019年云南統(tǒng)計年鑒中獲取51個縣人口數(shù)量、城鎮(zhèn)GDP、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)比值等信息。

2.2 樣本選擇

為充分體現(xiàn)云南山地城鎮(zhèn)氣溫分布特征，根據(jù)云南海拔分布特點，選擇有代表性的山地城鎮(zhèn)為分析樣本，包括位于高山峽谷、地勢陡峭，受地形限制作用較強滇西北城鎮(zhèn)；氣候適宜、受地形阻遏較小的滇中城鎮(zhèn)；海拔較低且處于熱帶地區(qū)，暖濕氣流長驅(qū)直入，氣候炎熱的滇南地區(qū)。根據(jù)云南地形北高南低傾斜，并作梯層式下降分布特征[26]，以ArcGIS 10.4工具將云南海拔高度聚類為76～1 671、1 672～2 577、2 578～6 740 m 3個高度區(qū)間，代表云南三級階梯狀地勢面。流域是地表過程相對獨立的自然地理單元，一個流域代表一個獨立氣溫地理環(huán)境系統(tǒng)[34]。借助Arc-GIS 10.4的水文分析，提取全省主要流域邊界，結(jié)合衛(wèi)星影像、縣域行政界線篩選出51個云南山地城鎮(zhèn)，其中40個城鎮(zhèn)為建模訓(xùn)練樣本，11個為檢驗樣本。低海拔區(qū)間中訓(xùn)練樣本18個、檢驗樣本6個；中海拔區(qū)間中訓(xùn)練樣本21個、檢驗樣本4個；高海拔區(qū)間中訓(xùn)練樣本1個、檢驗樣本1個。所選山地城鎮(zhèn)基本信息見表1，對云南的山地城鎮(zhèn)特點具有較好的代表。

2.3 消除或減弱海拔和緯度影響

對于地球表面而言，海拔、經(jīng)緯度是反映熱量條件的宏觀因子，坡度、坡向、地形曲率等是對熱量重新分配的地形因子[35]，而經(jīng)度對中國30° N以南地區(qū)影響微弱[36]，研究影響氣溫場因子的微觀地理要素，必須消除或減弱宏觀尺度上海拔和緯度的影響。云南全尺度上的氣溫直減率為每0.53 ℃/100 m，該值綜合了各種地理環(huán)境中海拔對氣溫的響應(yīng)，同時利用海拔、緯度和氣溫的線性關(guān)系[18-19]，按式（1）～（2）的方法消除或減弱海拔、緯度對多年平均氣溫場的影響，將多年平均氣溫場訂正到同一海拔、緯度面的氣溫場下。

式中：T2000表示將氣溫訂正到2 000 m海拔的氣溫場，TS_N表示多年平均氣溫場，Elev是海拔，R表示氣溫直減率，此處取0.53，T(2000,24.96)表示將氣溫訂正到海拔2 000 m、24.96° N上的氣溫場，Ψ表示緯度。

2.4 影響因子?xùn)鸥窕幚?/h3>

2.4.1自然地理要素

消除或減弱海拔、緯度宏觀地理因子對氣溫影響之后，氣溫場的空間變異特征可視為其他自然地理要素對氣溫場的綜合效應(yīng)，例如山地隆起[37]、坡度、坡向[38]、降水[39]、地表植被情況[40]等因素。地形隆起高度計算方法見式（3）。云南整體受西南季風(fēng)的作用強，位于山間盆地上的城鎮(zhèn)氣溫可能會受到流域開口角度的影響，流域開口角度與水熱通道平行，水熱交換性好，反之則交換性差。2個相近流域最低點坐標和正北方向形成的反正切角度可以表示流域開口角度，見式（4）。流域河流長度以地形數(shù)據(jù)在水文分析提取出河流，將流域邊界與河流相交得到流域河流長度。根據(jù)聶磊等[14]的研究得出的坡度、坡向?qū)鉁貓鼍哂酗@著作用，選取坡度、坡向、0～100區(qū)間的植被指數(shù)、地形隆起高度、年均降水量、流域開口角度、流域河流長度作為可能會影響氣溫的自然地理要素。其中，坡度、坡向數(shù)據(jù)的獲取使用ArcGIS軟件中的Slope、Aspect工具從250 m的DEM中提取。

式中：hbit為地形隆起高度；Elev為實際高程；Flow_θ為流域開口角度；(x1,y1)、(x2,y2)為坐標，投影坐標系為WGC_1984_Lambert，中央經(jīng)線為105°E。相鄰流域的海拔最低點的平面坐標，以正北向為開口角度0°。

2.4.2社會活動因子

將收集到的山地城鎮(zhèn)社會經(jīng)濟因子錄入山地城鎮(zhèn)屬性表中，成為模擬氣溫場的山地城鎮(zhèn)內(nèi)部空間無變化人文地理要素的空間矢量面。以Arc-GIS進行矢量到柵格的轉(zhuǎn)換，分別形成產(chǎn)業(yè)比值、城鎮(zhèn)人口、城鎮(zhèn)GDP等3個柵格變量地圖。

2.5 氣溫場空間回歸建模

普通最小二乘法（OLS）假設(shè)回歸模型在研究區(qū)所有空間單元上因變量和自變量之間關(guān)系為相同的，適合全域上空間回歸模擬，若氣溫場影響要素隨著地理空間變化而變化，允許局部區(qū)域內(nèi)的空間參數(shù)估計，則采取地理加權(quán)回歸（GWR）對地理要素和氣溫場進行回歸分析。

2.6 精度評價

以回歸平方和、殘差平方和、調(diào)整后R2來計算模型擬合精度，對回歸殘差進行空間自相關(guān)檢驗回歸殘差分析，保證回歸殘差在空間上隨機分布。以前面預(yù)留11個山地城鎮(zhèn)作為檢驗樣本數(shù)據(jù)，以平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）來計算消除海拔緯度氣溫場、消除海拔氣溫場、消除緯度氣溫場、保留海拔緯度氣溫場的預(yù)估精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 山地城鎮(zhèn)之間氣溫場的空間分異

根據(jù)《云南氣候圖冊》[41]，確定各個山地城鎮(zhèn)氣候類型，云南共有7個氣候帶，以一個山地城鎮(zhèn)作為氣候帶典型代表，德欽縣代表寒溫帶氣候類型，維西縣代表溫帶氣候類型，劍川縣代表暖溫帶氣候類型，鎮(zhèn)雄縣代表北亞熱帶氣候類型，陸良縣代表中亞熱帶氣候類型，梁河縣代表南亞熱帶氣候類型，綠春縣代表熱帶氣候類型，山地城鎮(zhèn)氣溫場影響因子見表2。

由表2可知，7個山地城鎮(zhèn)由于處于不同氣候類型下，呈現(xiàn)出不同的空間異質(zhì)性，其中滇西北德欽縣和滇中陸良縣氣溫較高，滇西南梁河縣和滇東北鎮(zhèn)雄縣氣溫較低，其中德欽縣的氣溫變幅最高，劍川縣變幅最低。對比河流長度對氣溫場作用發(fā)現(xiàn)沒有一定的特定規(guī)律。流域開口角度接近180°，城鎮(zhèn)氣溫越低，表明流域開口角度可能會對氣溫具有一定程度影響，但陸良縣和維西縣反映此規(guī)律相反。在坡向、坡度地理要素對氣溫場作用中，對比山地城鎮(zhèn)氣溫和坡向、坡度后發(fā)現(xiàn)這些地理要素和氣溫呈現(xiàn)關(guān)系不明顯。在地形隆起高度要素中，由于山地城鎮(zhèn)分布在較為平坦區(qū)域，城鎮(zhèn)內(nèi)部變異低，數(shù)值上變化不明顯，對比多個城鎮(zhèn)，對氣溫場的作用較明顯的是綠春縣和德欽縣，德欽縣的地形隆起高度明顯高于綠春縣，但德欽縣氣溫高于綠春縣，表明地形隆起程度可能對氣溫存在相關(guān)作用。植被指數(shù)對氣溫場的作用中，其中梁河縣和綠春縣植被指數(shù)偏高，氣溫偏低。陸良縣和德欽縣植被指數(shù)偏低，氣溫偏高，表明植被指數(shù)和氣溫存在較明顯的相關(guān)作用。年均降水和氣溫關(guān)系中，劍川縣、陸良縣年均降水和氣溫場有較明顯的相關(guān)作用，但此現(xiàn)象其他山地城鎮(zhèn)不明顯。

表 2 山地城鎮(zhèn)氣溫場影響因子Table 2 Influential factors of air temperature field in mountain towns

社會經(jīng)濟地理要素在城鎮(zhèn)內(nèi)部呈現(xiàn)均質(zhì)無變化狀態(tài)，對比城鎮(zhèn)之間來看，陸良縣、維西縣的城鎮(zhèn)GDP與氣溫整體呈較好相關(guān)性，綠春縣、鎮(zhèn)雄縣的人口數(shù)量與氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)性，總體上第二、三產(chǎn)業(yè)比值和氣溫作用呈現(xiàn)不明顯。

3.2 山地城鎮(zhèn)氣溫場模型模擬

以上述11個地理因子與氣溫場進行最小二乘法回歸，得到具有顯著性影響的地理因子，構(gòu)建全域尺度上山地城鎮(zhèn)同一海拔、緯度面的氣溫場的多元線性擬合模型，見式（5），對氣溫場進行空間自相關(guān)分析，Moran'sI值為0.368，P<0.001，氣溫場在空間上存在聚集，氣溫場之間存在較大的空間異質(zhì)性，應(yīng)允許地理加權(quán)回歸對氣溫場進行局部空間回歸分析。GWR變量參數(shù)見表3，OLS和GWR模型的模擬精度見表4。

式中：y為同一海拔、緯度面的氣溫場回歸值，x1為植被指數(shù)，x2為流域開口角度，x3為城鎮(zhèn)GDP，x4為第三產(chǎn)業(yè)比值，x5為地形隆起高度。

通過表4可以看出，OLS的模型擬合精度比GWR好，OLS回歸平方和、調(diào)整后R2皆大于GWR，OLS殘差平方和小于GWR殘差平方和，但OLS回歸殘差Moran'sI指示OLS回歸殘差存在較大的空間自相關(guān)[42]，GWR較OLS回歸殘差更為接近隨機分布，在模擬城鎮(zhèn)氣溫局部空間變化時，GWR具有更好的可靠性[43]。

表 3 局部空間回歸模型參數(shù)Table 3 Parameters of local spatial regression model

表 4 OLS和GWR模擬精度表Table 4 OLS and GWR simulation accuracy

3.3 4種方案的精度檢驗及比較

將11個小城鎮(zhèn)檢驗樣本點的建模因子信息導(dǎo)入OLS模型中，計算去除海拔、緯度后、去除海拔、去除緯度、保留海拔緯度的氣溫值4種方案的模擬值、誤差、平均絕對誤差、均方根誤差，得到預(yù)估精度，結(jié)果見表5。

通過表5對比，可發(fā)現(xiàn)4種方案對氣溫值誤差大小不同，去除海拔、緯度后氣溫值平均絕對誤差誤差、均方根誤差明顯小于單一消除海拔和緯度因素、保留海拔和緯度因素的誤差值，去除海拔、緯度后對氣溫值精度具有一定程度提高。盡管出現(xiàn)6個城鎮(zhèn)出現(xiàn)消除單一因素會比消除兩個因素誤差精度更小的情況，但就4種方案對總體氣溫檢驗精度而言，順序依次是去除海拔、緯度>去除海拔>去除緯度>保留海拔、緯度。

表 5 消除海拔緯度前后氣溫值對比Table 5 Temperature before and after eliminating altitude and latitude

海拔和緯度對氣溫精度誤差影響在各個城鎮(zhèn)有所不同，例如永勝縣和華坪縣，2個縣相對于基準緯度面相近，但是2個縣對于基準海拔面相差較大，消除緯度影響后，2個縣在精度誤差有較大差別。而雙江縣和巧家縣，2個縣相對于基準海拔面差異不大，但對于基準緯度面差異較大，消除海拔影響后，緯度的主導(dǎo)作用會使精度誤差變大。這說明海拔、緯度對于氣溫的干擾作用在不同地域上影響氣溫大小的程度不同。

去除海拔、緯度對氣溫干擾具有更小誤差，去除海拔、緯度氣溫誤差最大值為2.31 ℃，最小值僅為0.15 ℃，平均絕對誤差值為1.09 ℃，均方根誤差為1.35 ℃，氣溫擬合效果良好；在常規(guī)氣溫場下，氣溫會受到海拔、緯度對于氣溫干擾，消除海拔、緯度影響將會提高氣溫誤差精度。

4 結(jié)論與討論

本研究以云南省內(nèi)典型山地城鎮(zhèn)為研究對象，在消除和減弱海拔、緯度對多年平均氣溫場的影響后，利用自然地理和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，構(gòu)建氣溫場的多元回歸模型，經(jīng)分析得出主要結(jié)論如下：

1）地理環(huán)境是一個相互作用的綜合體，氣溫會受到其他地理要素作用。除海拔、緯度外，植被指數(shù)、地形隆起高度、城鎮(zhèn)GDP、流域開口角度、第三產(chǎn)業(yè)比值對氣溫場具有顯著性影響。利用多元線性回歸模型，可將氣溫值具體到柵格點上。研究地學(xué)要素、地理過程的作用機制，可構(gòu)建氣溫數(shù)字化模擬表達，這對于城市熱島效應(yīng)、精準農(nóng)業(yè)管理、戶外旅游觀光規(guī)劃、森林經(jīng)營管理具有重要意義。

2）建立全域尺度上的山地城鎮(zhèn)氣溫場回歸模型，可模擬其他山地城鎮(zhèn)的氣溫值，城鎮(zhèn)空間特征影響氣溫回歸模型的系數(shù)估計，氣溫場在不同地域上受到影響因素作用程度是不同的，地理加權(quán)回歸對山地城鎮(zhèn)局部模擬具有更好的可靠性。

3）4種方案中，去除海拔、緯度對氣溫場影響是最優(yōu)的方案。去除海拔、緯度相對于單一消除海拔緯度和保留海拔、緯度方案，會明顯提高氣溫誤差精度，消除海拔、緯度對氣溫場的影響，對于建立精準性氣溫場具有一定必要性。

回歸模型的系數(shù)正負具有明顯的地理學(xué)規(guī)律，植被指數(shù)的系數(shù)為負，表明對山地城鎮(zhèn)內(nèi)部的植被對氣溫具有抑制作用。在生物學(xué)上，植被發(fā)生蒸騰作用，水汽對周圍氣溫具有調(diào)節(jié)作用，使之不至于過高[44]。地形隆起高度的回歸系數(shù)為正，表明其對城鎮(zhèn)氣溫的具有促進作用，可類比為光滑和凹凸面，凹凸面具有更多的表面積，從而增加自身溫度。城鎮(zhèn)GDP回歸系數(shù)為正，它表達了人類活動造成的熱島效應(yīng)。第三產(chǎn)業(yè)比值回歸系數(shù)為負，這可能是由于第三產(chǎn)業(yè)比值和第一二產(chǎn)業(yè)比值呈負相關(guān)有關(guān)，第一二產(chǎn)業(yè)比值可能是主要對氣溫產(chǎn)生重要作用的因素。流域開口角度系數(shù)為正，它表示水熱條件進入山地城鎮(zhèn)的一種能力大小，流域開口角度越大，水熱輸送能力越強，城鎮(zhèn)氣溫越高。

城鎮(zhèn)多位于山間盆地、臺地地貌區(qū)域，坡度、坡向變化不大，沒有對氣溫產(chǎn)生明顯的作用，表明坡度、坡向?qū)Τ擎?zhèn)氣溫格局影響是微弱的，這與韓貴鋒等[45]研究結(jié)果相似，聶磊等[14]研究區(qū)域在空間尺度較大的復(fù)雜山地上，坡度、坡向變異性較高，故對氣溫會產(chǎn)生明顯干擾作用。人口數(shù)量和第二產(chǎn)業(yè)比值沒有對氣溫具有顯著性作用，這可能是因為云南人口分布不集中和產(chǎn)業(yè)聚集規(guī)模較低，故未對氣溫產(chǎn)生明顯影響。

研究中表達人口數(shù)量、城鎮(zhèn)GDP、產(chǎn)業(yè)比值等社會活動指標以縣域山地城鎮(zhèn)為空間單元而不是以柵格點為單元，由于統(tǒng)計年鑒中社會活動指標數(shù)據(jù)一般以縣級行政單位為統(tǒng)計單位，難以在更小的柵格點上表達空間異質(zhì)性，今后可以增加諸如交通數(shù)據(jù)、夜間燈光遙感數(shù)據(jù)等方面的指標，將社會因子精細化到街道、社區(qū)等空間尺度上。