基于新疆地區降水量與氣溫的空間異質性的空間展開模型分析

康　婷， 胡錫健， 張輝國

(新疆大學 數學與系統科學學院， 新疆烏魯木齊 830046)

基于新疆地區降水量與氣溫的空間異質性的空間展開模型分析

康婷， 胡錫健， 張輝國

(新疆大學 數學與系統科學學院， 新疆烏魯木齊 830046)

摘要：基于新疆地區52個氣象觀測站點的逐日氣溫和降水量數據，利用空間展開模型研究了1970,1980,1990和2000年新疆地區平均氣溫與年降水量回歸關系的空間異質性，并將結果予以可視化.采用空間展開模型用各觀測站點的地理位置函數來代替各觀測點的位置特性加入到模型當中，很好地解決了由于各站點地理特性而導致的空間異質性.研究表明，新疆地區氣溫對降水量的影響強度隨著地理空間位置的變化而變化，二者的回歸關系呈現出顯著的空間非平穩性.北疆地區的影響系數顯著為正，天山山區的大多數氣象觀測站點為正，而南疆地區的回歸系數所反映的影響強度特征較為散亂，這種不一致性取決于南疆地區的特殊地理格局.研究結論充分說明新疆地區氣溫對降水量的影響強度存在明顯的地域差異.

關鍵詞：空間展開模型； 年均氣溫； 年降水量； 新疆地區

全球氣候變化已經是個不爭的事實，全人類已經開始針對氣候變暖趨勢展開了很多研究.新疆位于我國西北地區，地處歐亞大陸腹地，地理特征獨特，水資源分布極其不均勻，是典型的干旱、半干旱地區.降水是新疆地區所有形式的地表水、地下水和高山積雪冰川等水體的根本補給資源，是水分循環過程中的一個重要分量.降水量的多少對一個地區氣候變化、國民經濟和人民生產、生活有極其重要的影響.在現今全球氣候變暖的大環境下，隨著氣溫的上升，降水異常更是頻頻發生，1956-2007年間，新疆地區線性增溫速率達0.37℃/10a[1]，明顯高于全國0.22℃/10a[2]的升溫率.因此，對新疆地區的氣溫和降水量的研究有著十分重要的意義.長期以來，大量的學者對中國西北地區[3-6]尤其是新疆地區[6-7]的氣溫、降水量的變化趨勢做了很多研究，所有的研究結果基本一致，即：近幾十年來新疆的年均氣溫、年降水量總體呈上升趨勢(年降水量平均增幅0.67mm/a[6]，年均氣溫平均增長0.27℃/10a[6])，但增幅的強弱在地區分布上各有差異.李艷玲等[8]對年均氣溫和年降水量運用空間自回歸模型進行了分析，結果表明：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性和空間聚集特征.施雅風等[4]認為全球變暖驅動水循環過程加快；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]也研究發現西北地區有兩個水汽含量相對高值中心，一個位于南疆盆地，另一位于北疆地區.1987年以后水汽突然增大有利于新疆地區降水的增加.總結上述一系列的研究不難發現一個地區的年降水量和年均氣溫有十分密切的關系.并且，駱超等[11]指出氣溫和降水在平原區沒有明顯相關性，但在山區溫度高時降水量大，溫度低時降水量小，呈現明顯的正相關.但上述許多研究都沒有給出氣溫和降水量的具體關系，而李艷玲等人也只是在除去地理位置影響的情況下說明了年均氣溫和年降水量均具有顯著的空間相關性和空間聚集特征.所以，對氣溫和降水量關系的研究具有十分重要的意義.然而，通過對新疆地區52個氣象觀測站點實測數據的觀察可知，新疆的降水量存在較明顯的時空分布不勻性，在空間格局上主要表現為山區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]；而且在研究一個地區的氣候變化時，得到數據往往是與空間位置有關的，如各氣象觀測站點的地理位置(經度，緯度)等.這就使得各個氣象觀測站點擁有各自的位置特性.但是，直到目前為止對這方面的研究幾乎都只考慮了各觀測站點的數據的相關性卻忽視了由地理位置的不同而導致的空間異質性.本文采用空間展開模型[13]用各觀測站點的地理位置函數來代替各觀測點的位置特性加入到模型當中，以期解決由于各站點地理特性而導致的空間異質性.

1 材料與方法

1.1 數據資料選取

本文選取1950-2000年新疆地區56個氣象站點逐日氣溫、降水量數據進行分析.但是由于建站時間不同、撤站、遷址等原因造成觀測數據的記錄長度不一，并且眾多研究結果顯示：新疆的氣候趨于以暖干向暖濕的變化趨勢[14]，且多數站點的降水量于20世紀80年代中期發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個氣象觀測站點的逐日氣溫和降水量的實測數據，并將其轉換為年均氣溫和年降水量進行研究.本文將以天山為界，將新疆地區劃分為南疆和北疆，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個氣象觀測站點中屬于南疆地區的觀測站點有25個，北疆地區的觀測站點有20個，天山山區有7個.

1.2 方法

1.2.1數據的中心化

本文對1970、1980、1990、2000四年的52個氣象觀測站點的逐日氣溫和降水量的實測數據取其算術平均數作為對應的年均氣溫和年降水量，運用年均氣溫和年降水量來研究氣溫對降水量的影響.中心化是指變量減去它的均值(即數學期望值).對于樣本數據，將一個變量的每個觀測值減去該變量的樣本平均值，變換后的變量就是中心化的.將數據中心化不僅使數據而且使模型中的常數項β0i有實際意義，即當年均氣溫等于平均氣溫時，常數項表示該觀測站點的年降水量.

1.2.2空間展開模型

空間展開模型的一般形式為

(1)

其中，i=1,2,…，52，表示本文選取的新疆地區52個氣象觀測站點;xi表示第i個氣象觀測站點的年均氣溫;yi表示第i個氣象觀測站點的年降水量;ui,vi分別表示第i個氣象觀測站點的緯度、經度.

空間展開模型的具體計算過程為：

將式(1)的第2、3個等式帶入第1個等式中，得到

所以，上式可以寫作如下的矩陣形式：Y=Xβ.

對上式運用最小二乘求解，最終解得形式為

β=(X′X)-1X′Y

本文借助MATLAB軟件，得到了空間展開模型的最小二乘估計結果.

2 結果與分析

2.1空間展開模型系數估計結果

本文對新疆地區52個氣象觀測站點1970、1980、1990、2000年四年的逐日氣溫和降水量的實測數據運用空間展開模型進行分析，通過模型的計算結果得出第i個氣象觀測站點的年均氣溫對年降水量的影響系數β1i，而常數項β0i則表示當第i個站點的年均氣溫為平均氣溫時的年降水量.現將1970、1980、1990、2000年的模型計算結果可視化，結果如圖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是一致的，北疆地區各站點的降水量受氣溫的影響為正也最為明顯；天山山區次之，而南疆地區降水量受氣溫的影響是最弱的.對于南疆地區而言，大部分站點在1970、1980、1990年氣溫對降水量的影響系數為負，但是到2000年正系數的站點數增加，氣溫對降水量的影響增大.從時間序列來看，隨著時間的推移，氣溫對降水量的影響是逐漸變大的，這主要是因為在這四年間氣溫在持續增加，再加上現今全球變暖的大背景下，溫室氣體加倍所導致的升溫驅動水循環過程加快，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降水的增加.

圖1 1970年年均氣溫對降水量的影響系數

圖2 1980年年均氣溫對降水量的影響系數

圖3 1990年年均氣溫對降水量的影響系數

圖4 2000年年均氣溫對降水量的影響系數

2.2 結果分析

圖1～圖4顯示，當氣溫等于年均氣溫時，北疆地區的年降水量是最多的，天山山區次之，南疆地區的年降水量是最少的，這個結果與姜逢清等人[12]得出的結論一致.這主要是因為，對于氣溫的增加幅度來說，北疆地區大于其他兩個地區，北疆地區的氣溫平均增長0.36℃/10a，南疆地區為0.20℃/10a[5]，北疆地區的年均氣溫對年降水量的影響系數要大于其他兩個區的.

為了進一步觀察新疆地區52個氣象觀測站點的年均氣溫對年降水量的影響強度，本文按照北疆地區、天山山區、南疆地區的劃分方法，將三個區的年均氣溫對年降水量的影響系數與站點的不同以圖的形式表示出來(如圖5～圖7所示).

圖5　北疆地區各站點年均氣溫對年降水量的影響

圖6　天山山區各站點年均氣溫對年降水量的影響

圖7 南疆地區各站點年均氣溫對年降水量的影響

3 討論

北疆地區大部分站點的年均氣溫對降水量的影響系數為正值(P=0.001<0.05，顯著的)，即隨著氣溫的增加降水量也是增加的，二者的變化趨勢是一致的；對于天山山區而言，在1970、1980、1990年達阪城、巴里塘、伊吾氣象站點的系數是負的，而2000年天山山區的所有氣象站點的影響系數顯著性為正(P=0.001<0.05)，但總體而言天山山區的氣溫和降水量都是增加趨勢；南疆地區則相反，只有極少數的的氣象站點的影響系數為正，原因可能是由于南疆的地貌格局、地理環境的特殊性和自然環境的嚴酷性使得南疆地區由相對冷濕轉變為相對暖干.南疆地區的主體為塔里木盆地，盆地中央是世界上第二大流動性沙漠-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.所以對于南疆來說，天山、昆侖山的幾面阻擋，使得海洋水汽不能進入，致使南疆降水量明顯少于北疆.

4 結束語

隨著氣象觀測站點地理位置的不同，年均氣溫對年降水量的影響系數也發生變化.這一結論與通常利用常系數線性回歸模型分析氣溫與降水量的關系所得出的結果不盡相同.

雖然諸多研究表明近幾十年來新疆地區的氣溫和降水量都有明顯的增加趨勢，但是不同空間區域的年均氣溫對年降水量的影響程度并不相同，對于新疆的北疆地區、天山山區和南疆地區而言，北疆地區的影響系數顯著為正，天山山區的大多數氣象觀測站點為正，而南疆地區則不然，南疆地區的這種不一致性取決于其特殊的地理格局.這一結果充分說明氣溫對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

作者簡介：康婷，女，kt827312527@163.com；通信作者:胡錫健，男，xijianhu@126.com

文章編號：1672-6197(2015)02-0036-04

中圖分類號：S212.1

文獻標志碼：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