基于dem的新疆克州年平均氣溫和降水量和開花期的模擬分析

基于dem的新疆克州年平均氣溫和降水量和開花期的模擬分析

不可否認(rèn)，氣候變化現(xiàn)狀是不可否認(rèn)的。在全球變化的背景下，新疆周圍地區(qū)的氣候變化的研究引起了許多科學(xué)家的關(guān)注。結(jié)果表明，在過去幾十年中，新疆大部分地區(qū)的“暖濕”趨勢呈現(xiàn)出不同程度的暖濕趨勢。近年,有關(guān)新疆氣候要素精細(xì)化空間分布模擬技術(shù)的研究又再次成為區(qū)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[10,11,12,13,14,15,16]。新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州(簡稱克州)位于祖國最西部邊疆,地處天山南脈、帕米爾高原東側(cè)、西昆侖山北坡和塔里木盆地西緣,地理坐標(biāo)37°41′28″～41°49′41″N、73°26′05″～78°59′02″E,總面積7.09×104km2,其中,山地面積約占總面積的87%,地勢西北高東南低,海拔高度在1197～7719m之間。由于位于中緯度歐亞大陸腹地,大陸性氣候顯著,加之地形地貌復(fù)雜,因此,克州各地氣候差異很大,其主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是:光照充足、降水稀少、冬冷夏熱、氣候多變,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近年,有學(xué)者對(duì)克州氣溫變化開展過一些研究,但有關(guān)該地區(qū)氣候要素精細(xì)化空間分布的研究目前還很少見。因此,本文擬在前人研究工作的基礎(chǔ)上,基于DEM的空間插值技術(shù)對(duì)該地區(qū)近50a年平均氣溫、年降水量和年日照時(shí)數(shù)等主要?dú)夂蛞氐木?xì)化空間分布進(jìn)行模擬分析,以期為合理利用氣候資源,采取趨利避害的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)措施提供理論依據(jù)。1研究區(qū)域和方法1.1區(qū)域和所選氣象站點(diǎn)克州地形地貌復(fù)雜,氣候類型多樣,但境內(nèi)氣象站點(diǎn)稀疏,資料序列較長的僅阿圖什、阿克陶、烏恰、阿合奇和吐爾尕特5個(gè)臺(tái)站,為了盡可能體現(xiàn)不同的地理環(huán)境對(duì)氣候要素空間分布的影響,以提高氣候要素空間插值模擬的精度,本研究將克州臨近的分別隸屬于阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)的烏什、柯坪、伽師、喀什、巴楚、英吉沙、莎車和塔什庫爾干8個(gè)站點(diǎn)也列入建立氣候要素空間插值模擬模型的氣象站點(diǎn)樣本序列之內(nèi)。其中,阿圖什、烏恰兩站的資料不參加建模,用于模型驗(yàn)證,其余11個(gè)站點(diǎn)的資料用于建立模型。研究區(qū)域和所選氣象站點(diǎn)的分布情況見圖1。各站氣象數(shù)據(jù)和克州1:50000地理信息數(shù)據(jù)(包括行政區(qū)界矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字高程(DEM)柵格數(shù)據(jù))由新疆氣象信息中心提供。1.2a宏觀地理因子對(duì)克州氣候要素空間分布的影響,主要有將其直接插值a本文采用混合插值法(宏觀地理因子的三維二次趨勢面模擬+殘差內(nèi)插)對(duì)克州年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行200m×200m柵格點(diǎn)的空間插值模擬[10,11,12,13,14,15,16]。即:式中,w為各氣候要素的柵格點(diǎn)模擬值;w(λ,φ,h)為宏觀地理因子影響的各氣候要素的柵格點(diǎn)模擬值;ε為局部小地形因子和隨機(jī)因素對(duì)各氣候要素的影響,即殘差項(xiàng);λ為柵格點(diǎn)的平均經(jīng)度(°);φ為柵格點(diǎn)的平均緯度(°);h為柵格點(diǎn)的平均海拔高度(100m);b0-b9為待定系數(shù)。以克州及其周邊除阿圖什、烏恰兩站以外的11個(gè)站的年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的1961—2010年平均值為模擬對(duì)象,利用式(1)中的各地理要素及其二次項(xiàng)為自變量,經(jīng)逐步回歸運(yùn)算,各要素與宏觀地理因子間的模擬方程見表1,從中可以看出,各方程均通過了0.01以上的顯著性檢驗(yàn),這說明,宏觀地理因子是影響新疆克州主要?dú)夂蛞乜臻g分布的主要因素。殘差項(xiàng)的插值運(yùn)算方法較多,經(jīng)對(duì)比試驗(yàn),普通Kriging法對(duì)克州年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)殘差項(xiàng)的柵格點(diǎn)插值模擬效果較好。普通Kriging法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中最常用的插值方法,對(duì)于任意柵格點(diǎn)某要素的估計(jì)值,均可以研究區(qū)域內(nèi)n個(gè)已知測站該要素的實(shí)際值的線性組合得到,即:式中,ε(x0)為某要素的柵格點(diǎn)模擬值;n為用于插值的氣象站點(diǎn)的數(shù)目,本文n=11;ε(xi)為第i個(gè)氣象站點(diǎn)的實(shí)際要素值;pi是第i個(gè)氣象站點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)。為了達(dá)到線性無偏估計(jì),使估計(jì)方差最小,權(quán)重系數(shù)由以下Kriging方程組得到:式中c(xi,xj)為站點(diǎn)間要素的協(xié)方差函數(shù),c(xi,x0)為站點(diǎn)i與待插值柵格點(diǎn)間的協(xié)方差函數(shù),u為極小化處理時(shí)的拉格朗日乘子。利用上述方法,在ArcGis10.0平臺(tái)上完成基于1:50000數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)的克州年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)多年平均值200m×200m柵格的精細(xì)化分布式模擬[10,11,12,13,14,15,16]。2氣候因素的空間分布模型的影響是驗(yàn)證和分析的2.1各要素模擬效果的驗(yàn)證為了驗(yàn)證上述基于DEM的新疆克州主要?dú)夂蛞乜臻g分布模擬的效果,這里以克州境內(nèi)分別地處山前傾斜平原和中山帶的阿圖什、烏恰兩個(gè)未參與建模的站點(diǎn)為例,對(duì)其多年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的模擬效果進(jìn)行驗(yàn)證分析(表2)。結(jié)果表明,各要素的模擬效果均較好,其中,平均氣溫的模擬精度最高,其誤差和相對(duì)誤差分別為0.0～-0.4℃和0.0～-3.1%,日照時(shí)數(shù)的模擬效果也較好,誤差和相對(duì)誤差分別為-18.1～47.2h和-0.6～1.7%,降水量的模擬精度稍差,誤差和相對(duì)誤差分別為0.7～-17.8mm和0.8～-9.9%,但也在可接受范圍之內(nèi)。這說明基于DEM的新疆克州年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的空間分布模擬是可以信賴的。2.2模擬結(jié)果分析了氣候因素的空間分布2.2.1氣溫分布的特點(diǎn)克州年平均氣溫6.9℃,但空間差異明顯。由圖2可以看出,其年平均氣溫的空間分布總體呈現(xiàn)“平原高,山區(qū)低”的特點(diǎn)。海拔2400m以下的中、低山帶和山前傾斜平原年平均氣溫較高,一般為5.0～11.2℃,海拔2400～3200m的亞高山帶為0.0～5.02.2.2降水量較大克州降水稀少,全州平均年降水量162.2mm,其空間分布總體呈現(xiàn)“北部多,南部少;山區(qū)多,平原少”的格局(圖3)。阿合奇縣和阿圖什市北部南天山山區(qū)海拔2500m以上的中、高山帶年降水量較多,一般可達(dá)280～330mm,該兩縣(市)海拔1900～2500m的中、低山帶以及烏恰縣境內(nèi)海拔2800m以上的高山帶和阿克陶縣境內(nèi)海拔5000m以上的帕米爾高原高寒地帶年降水量為200～280mm,全州的其余大部年降水量一般少于200mm,其中,海拔1500m以下的山前傾斜平原年降水量甚至不足100mm。2.2.3克州的傾斜平原少格局克州日照充足,全州平均年日照時(shí)數(shù)2827.6h,其空間分布總體呈現(xiàn)“高山帶多,中、低山帶和山前傾斜平原少”的格局(圖4)。北部和南部山區(qū)海拔3500m以上的高山帶由于空氣稀薄且少云雨天氣,是克州日照時(shí)數(shù)較多的區(qū)域,年日照時(shí)數(shù)可達(dá)3000～3300h。中、低山帶因云雨天氣較多,山前傾斜平原受塔克拉瑪干沙漠的影響多浮塵天氣,因此,年日照時(shí)數(shù)較少,一般為2700～3000h。3克州氣候特點(diǎn)(1)驗(yàn)證結(jié)果表明,基于DEM的新疆克州年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的空間分布模擬效果較好,其中,平均氣溫的模擬精度最高,日照時(shí)數(shù)和降水量的模擬精度也在可接受范圍之內(nèi)。(2)模擬表明,新疆克州年平均氣溫的空間分布總體呈現(xiàn)“平原高,山區(qū)低”的特點(diǎn);年降水量呈現(xiàn)“北部多,南部少;山區(qū)多,平原少”的空間分布格局;年日照時(shí)數(shù)的空間分布總體呈現(xiàn)“高山帶多,中、低山帶和平原地帶少”的格局。(3)值得說明的是,克州地域遼闊,地形地貌復(fù)雜,氣候類型