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，氣候變化現(xiàn)狀是不可否認的。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家的關注。結果表明，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,有關新疆氣候要素精細化空間分布模擬技術的研究又再次成為區(qū)內(nèi)外學者研究的熱點[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、西昆侖山北坡和塔里木盆地西緣,地理坐標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,加之地形地貌復雜,因此,克州各地氣候差異很大,其主要氣候特點是: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,有學者對克州氣溫變化開展過一些研究,但有關該地區(qū)氣候要素精細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上,基于DEM的空間插值技術對該地區(qū)近50a年平均氣溫、年降水量和年日照時數(shù)等主要氣候要素的精細化空間分布進行模擬分析,以期為合理利用氣候資源,采取趨利避害的生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)管理技術措施提供理論依據(jù)。1研究區(qū)域和方法1.1區(qū)域和所選氣象站點克州地形地貌復雜,氣候類型多樣,但境內(nèi)氣象站點稀疏,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個臺站,為了盡可能體現(xiàn)不同的地理環(huán)境對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個站點也列入建立氣候要素空間插值模擬模型的氣象站點樣本序列之內(nèi)。其中,阿圖什、烏恰兩站的資料不參加建模,用于模型驗證,其余11個站點的資料用于建立模型。研究區(qū)域和所選氣象站點的分布情況見圖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)對克州年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)進行200m×200m柵格點的空間插值模擬[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模擬值;ε為局部小地形因子和隨機因素對各氣候要素的影響,即殘差項;λ為柵格點的平均經(jīng)度(°);φ為柵格點的平均緯度(°);h為柵格點的平均海拔高度(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個站的年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)的1961—2010年平均值為模擬對象,利用式(1)中的各地理要素及其二次項為自變量,經(jīng)逐步回歸運算,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,這說明,宏觀地理因子是影響新疆克州主要氣候要素空間分布的主要因素。殘差項的插值運算方法較多,經(jīng)對比試驗,普通Kriging法對克州年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)殘差項的柵格點插值模擬效果較好。普通Kriging法是地統(tǒng)計學中最常用的插值方法,對于任意柵格點某要素的估計值,均可以研究區(qū)域內(nèi)n個已知測站該要素的實際值的線性組合得到,即:式中,ε(x0)為某要素的柵格點模擬值;n為用于插值的氣象站點的數(shù)目,本文n=11;ε(xi)為第i個氣象站點的實際要素值;pi是第i個氣象站點的權重系數(shù)。為了達到線性無偏估計,使估計方差最小,權重系數(shù)由以下Kriging方程組得到:式中c(xi,xj)為站點間要素的協(xié)方差函數(shù),c(xi,x0)為站點i與待插值柵格點間的協(xié)方差函數(shù),u為極小化處理時的拉格朗日乘子。利用上述方法,在ArcGis10.0平臺上完成基于1:50000數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)的克州年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)多年平均值200m×200m柵格的精細化分布式模擬[10,11,12,13,14,15,16]。2氣候因素的空間分布模型的影響是驗證和分析的2.1各要素模擬效果的驗證為了驗證上述基于DEM的新疆克州主要氣候要素空間分布模擬的效果,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、烏恰兩個未參與建模的站點為例,對其多年平均氣溫、降水量和日照時數(shù)的模擬效果進行驗證分析(表2)。結果表明,各要素的模擬效果均較好,其中,平均氣溫的模擬精度最高,其誤差和相對誤差分別為0.0～-0.4℃和0.0～-3.1%,日照時數(shù)的模擬效果也較好,誤差和相對誤差分別為-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、降水量和日照時數(shù)的空間分布模擬是可以信賴的。2.2模擬結果分析了氣候因素的空間分布2.2.1氣溫分布的特點克州年平均氣溫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。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,是克州日照時數(shù)較多的區(qū)域,年日照時數(shù)可達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,年日照時數(shù)較少,一般為2700～3000h。3克州氣候特點(1)驗證結果表明,基于DEM的新疆克州年平均氣溫、降水量和日照時數(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;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,地形地貌復雜,氣候類型