玉溪山地氣溫空間分布的DEM分辨率影響及應用

謝新喬　陸俊平　李湘偉　楊繼周　王劍松　胡保文　景元書　李媛媛　王丹丹

摘要基于玉溪地區23個站點2010—2019年的常規氣象觀測資料，采用4種不同空間分辨率的DEM數據與反距離權重插值方法，構建起伏地形下的有效氣溫模型，實現熱量資源的小網格地域分布。結果表明，氣溫的空間分布與海拔、相對濕度呈負相關，與長波有效輻射呈正相關。隨著DEM空間分辨率的減小，月平均氣溫空間差異性降低，12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m分辨率的月平均氣溫分布空間差異性不明顯。玉溪地區氣溫空間分布均呈現出西南部高、東北部偏低且東西部溫差較大的特征。

關鍵詞氣溫；空間分布；DEM分辨率；熱量資源；玉溪地區

中圖分類號S162文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）11-0182-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.044開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of DEM Resolution on the Spatial Distribution of Temperature in the Yuxi Hilly Area and Its Application

XIE Xin-qiao，LU Jun-ping，LI Xiang-wei et al （Department of Raw Materials，Hongta Tobacco Co.，Ltd.，Yuxi，Yunnan 653100）

AbstractBased on conventional meteorological observation data from 23 stations in the Yuxi area from 2010 to 2019，four different spatial resolution DEM data and inverse distance weight interpolation methods were used to construct an effective temperature model under undulating terrain，achieving a small grid regional distribution of heat resources.The result showed that the spatial distribution of temperature was negatively correlated with altitude and relative humidity，and positively correlated with longwave effective radiation.As the spatial resolution of DEM decreased，the spatial variability of monthly average temperature decreased.The spatial difference of monthly average temperature distribution with a resolution of 12.5 m × 12.5 m，30 m × 30 m，90 m ×90 m was not significant.The spatial distribution of temperature in the Yuxi region showed a characteristic of high temperature in the southwest and low temperature in the northeast，with a large temperature difference between the east and west.

Key wordsTemperature;Spatial distribution;DEM resolution;Heat resources;Yuxi area

氣溫是反映一個地區熱量資源的主要指標，也是農作物生長發育的重要影響因素之一，對人類進行農業資源開發及農作物適宜性評價及區劃具有重要指導意義［1-3］。玉溪市位于云南省中部，處于23°19′～24°53′N、101°16′～103°09′E，屬于低緯度高原區，地貌交錯，總體呈西北高東南低的特征。玉溪市屬于亞熱帶季風氣候，因復雜的地形及受印度洋、北部灣溫濕與干燥氣流綜合影響，具有冬春干、夏秋濕的特點，且又受朝向影響而具有多樣性的氣候變化特征，總體較為溫和濕潤。因此玉溪市是云南省具有較大潛力的煙草種植發展區。

影響玉溪地區平均氣溫空間分布特征與變化的因素有很多，主要包括測定點位置、地形地貌條件、下墊面屬性和狀況、人類生產活動、天氣狀況等。其中，地形條件與海拔是最直接的影響因子。由于前人在研究地形條件對平均氣溫空間精細化特征分布的影響時主要考慮到了坡度、坡向等因子的影響，用坡度、坡向及其他因子與月平均氣溫建立了多元線性回歸方程［4-5］。在提取坡度、坡向因子時，多采用某一數值分辨率的DEM數據，而未考慮到不同DEM分辨率對因子提取的影響［6-7］。氣溫的空間分布也與太陽輻射有著密不可分的關系，而在構建起伏地形下的氣溫空間分布模型時較少考慮到太陽輻射的影響。影響平均氣溫空間分布變化的主要因素是海拔、太陽輻射和地面有效輻射，在此基礎上提出了有效氣溫空間分布模型，并將其拓展出起伏地形下有效氣溫空間分布模型［8］；在云南山區氣溫空間分布的相關研究中，李文華等［9-10］研究發現用綜合比較法、函數模擬法、空間插值法3種方法來推算山區氣溫的空間分布比較合理。所以必須考慮海拔、太陽總輻射、長波有效輻射對區域氣溫形成的影響，構建起伏地形下的有效氣溫模型。筆者在玉溪市常規氣象觀測資料的基礎上，結合ArcGIS分析平臺，借助DEM地形數據，從中提取12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m、1 000 m×1 000 m分辨率下經度、緯度、坡度和坡向，實現玉溪地區起伏地形下氣溫空間的精細化分布研究；以小網格為計算單元，將氣象站點的點位數據拓展到整個玉溪農業與煙草種植區，使空間分辨率與DEM數據保持一致，構建起伏地形下有效氣溫模型，分析煙草生長期內熱量資源的小網格地域分布，為煙草氣候生態適宜性區劃提供參考依據［11-13］。

1資料與方法

1.1氣象數據氣象資料來源于玉溪市氣象局2010—2019年共23個站點的月報表常規氣象資料，包括玉溪地區各站點逐日的平均氣溫、日照時數、相對濕度等資料，且已知各個站點的經度、緯度、海拔。

1.2地形數據DEM地形數據共采取12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m、1 000 m×1 000 m 4種不同分辨率，其中，12.5 m×12.5 m高程數據來源于ALOS 12.5 m DEM數據，30 m×30 m高程數據來源于地理空間數據云ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程數據，90 m×90 m高程數據來源于地理空間數據云SRTMDEMUTM 90 m分辨率數字高程數據，1 000 m×1 000 m高程數據來源于美國地質調查局（united states geological survey，USGS）30′地形數據。將12.5 m×12.5 m的網格作為該研究推算起伏地形下平均氣溫的最小分析單元。

1.3數據處理第一步，根據玉溪地區23個站點的月報表常規氣象資料，計算日照百分率。

由公式（1）計算太陽日角θ（以弧度為單位）：

θ=2π（d_n-1）/365.242 2 （1）

式（1）中，d_n表示日序（1月1日記為1，1月2日記為2，不間斷以此類推）。

再由公式（2）計算出逐日的太陽赤緯δ：

δ=0.668 94-0.399 512×cosθ+0.072 075×sinθ-0.006 799×cos2θ+0.000 896×sin2θ-0.002 689×cos3θ+0.001 516×sin3θ（2）

然后由公式（3）及緯度φ計算出2010—2019年任意一年中任意一天的日出（日落）時角ω：

ω=arccos（-1×tanφ×tanδ）（3）

再利用公式（4）計算2010—2019年玉溪地區9個站點的理論日照時數ζ：

ζ=2ω×180/15π（4）

最后由公式（5）計算出2010—2019年玉溪地區9個站點的日照百分率s：

s=λ/ζ×100%（5）

式（5）中，λ表示各站點實際測得的日照時數。

第二步，計算多年月平均氣溫、相對濕度、日照百分率。根據各站點逐日的平均氣溫、相對濕度、日照百分率，計算月平均氣溫、相對濕度、日照百分率，最后累加求得多年月平均氣溫、相對濕度、日照百分率。

第三步，將各站點的海拔、多年月平均氣溫、相對濕度、日照百分率、太陽總輻射進行回歸擬合，得到玉溪地區多年1—12月平均氣溫的回歸方程，12個擬合的方程R2均接近于1.0，說明擬合的方程較為符合，且誤差較小。

第四步，根據4種不同分辨率的玉溪地區DEM地形數據，結合ArcGIS 10.2分析平臺，提取玉溪地區的坡度、坡向、海拔，將各站點1—12月多年月平均相對濕度、日照百分率、太陽總輻射數據導入ArcGIS 10.2分析平臺，采用反距離權重（IDW）插值法，將各站點的點位數據外推至玉溪市全市范圍的面數據。結合其余相關因子對煙草種植的影響，對玉溪市煙草種植氣候適宜性進行綜合評價，為玉溪市煙草種植提供參考意見。

1.4研究方法影響氣溫空間分布的因素較多，一般而言，海拔越高，氣溫越低，而對于山地環境，氣溫的垂直遞減率并不完全一致；太陽輻射是地球大氣運動的主要能量來源，對氣溫的空間分布主要體現在日照時數方面；長波有效輻射是指地面被加溫后向大氣傳輸的輻射以及被大氣反射回地面的這部分輻射，是影響近地面氣溫空間分布的主要因素之一。因此，在構建有效氣溫空間分布模型時，必須考慮到海拔、太陽總輻射、長波有效輻射對區域氣溫形成的物理意義。該研究采用復雜地形下平均氣溫的模擬模型：

T=a+b×H+c×Q+d×（1-s）×（1+w×h）

式中，H為海拔（m）；Q為太陽總輻射（MJ/m²）；s為日照百分率（%）；h為相對濕度（%）；a為回歸常數項；b為氣溫隨海拔的遞減率;c為氣溫隨太陽總輻射的遞增率；d為氣溫隨長波有效輻射的變化系數；w為氣溫隨相對濕度變化的經驗系數［10-11］。

2結果與分析

2.1玉溪地區起伏地形下平均氣溫模型將各站點的海拔、多年月平均氣溫、相對濕度、日照百分率、太陽總輻射進行非線性回歸擬合，得到玉溪地區多年1—12月平均氣溫的共12組回歸方程模型。各方程經驗系數如表1所示。12個擬合方程的R²均接近于1.0，說明擬合方程較為符合，且誤差較小。

分析玉溪多年月平均氣溫模擬系數可知，1—2月份R2小于其余月份的R2，說明冬季的氣溫模擬效果差于春季、夏季、秋季。從系數的正負可以看出，氣溫的空間分布與海拔、相對濕度呈負相關（b<0、w<0），與長波有效輻射呈正相關（d>0）。

2.2玉溪地區不同DEM分辨率對氣溫空間分布的影響采用反距離權重（IDW）插值法，將各站點的點位數據外推至玉溪地區的面數據，再將擬合所得的玉溪地區多年1—12月平均氣溫的回歸方程導入ArcGIS 10.2分析平臺，最終得到玉溪地區起伏地形下1—12月的平均氣溫空間分布圖。此處選取玉溪地區4月份平均氣溫分布圖，分析不同DEM分辨率對氣溫空間分布的影響（圖1）。根據玉溪地區多年月平均氣溫數據，西南部地區（元江縣、新平縣）氣溫較高，且與坡向走勢一致。總體而言，玉溪地區氣溫空間分布均呈現出西南部高、東北部偏低且東西部溫差較大的特征，各月基本一致。

不同分辨率的DEM數據柵格總數不同，12.5 m×12.5 m分辨率DEM數據柵格總數為16 416×15 663個，30 m×30 m分辨率DEM數據柵格總數為6 474×6 177個，90 m×90 m分辨率DEM數據柵格總數為2 153×2 054個，1 000 m×1 000 m分辨率DEM數據柵格總數為215×205個。分析玉溪地區平均氣溫的空間分布隨DEM空間分辨率的變化，以12.5 m×12.5 m分辨率的氣溫空間分布為基準，統計其他3種不同DEM分辨率氣溫模擬的誤差，見表2。

從表2和圖1可以看出，隨著 DEM 空間分辨率的減小，月平均氣溫的絕對誤差和相對誤差逐漸增加，最大絕對誤差為0.14 ℃，最大相對誤差為0.70%；其次，月平均氣溫的空間差異性降低，其中，12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m分辨率的月平均氣溫分布空間差異性不明顯，1 000 m×1 000 m的月平均氣溫分布空間差異性較為顯著。

2.3玉溪地區煙草種植氣候適宜性區劃在玉溪地區23個站點2010—2019年常規氣象觀測資料的基礎上，結合ArcGIS 10.2分析平臺，考慮海拔、5—9月平均氣溫、年日照時數、3—9月日照時數、5—9月平均相對濕度和坡度對煙草種植的影響，確定玉溪地區煙草種植氣候適宜性區劃指標如表3所示。綜合考慮6個分辨率均為12.5 m×12.5 m的指標，不適宜、次適宜、適宜、最適宜4個等級指標值逐級包含，最終以6個評判結果中的不適宜等級作為綜合評判結果。

玉溪地區煙草種植氣候適宜性綜合評判結果如圖2所示。從圖2可以看出，玉溪地區煙草種植最適宜區主要分布在東部地區（澄江縣、江川區、通海縣、峨山縣、華寧縣），適宜區、次適宜區主要分布在中部地區（玉溪區、易門縣、新平縣），元江縣及新平縣部分地區則為不適宜區。元江縣雖然有著良好的熱量資源，但由于還分布著較多的坡度較高地區，因而造成元江地區的煙草種植氣候適宜性不佳。而玉溪中東部地區，地勢較為平緩，熱量資源充足，具有良好的煙草種植潛力。

3結論

根據2010—2019年玉溪地區23個站點的常規氣象觀測資料、太陽總輻射和海拔，建立玉溪地區起伏地形下的有效氣溫模型；結合ArcGIS 10.2分析平臺，根據12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m、1 000 m×1 000 m 4種不同分辨率的DEM地形數據提取的玉溪底圖，模擬出不同DEM分辨率下玉溪地區1—12月平均氣溫的空間分布，實現了熱量資源的小網格地域分布。具體結論如下：

（1）考慮海拔、太陽總輻射、長波有效輻射對氣溫空間分布的影響，構建了效果較好的氣溫空間分布模型。冬季的氣溫模擬效果較差于春季、夏季、秋季。且氣溫的空間分布與海拔、相對濕度呈負相關，與長波有效輻射呈正相關。

（2）隨著 DEM 空間分辨率的減小，月平均氣溫的絕對誤差和相對誤差逐漸增加；其次，月平均氣溫空間差異性降低。其中，12.5 m×12.5 m、30 m×30 m、90 m×90 m分辨率的月平均氣溫分布空間差異性不明顯，1 000 m×1 000 m的月平均氣溫分布空間差異性較為顯著。

（3）玉溪地區氣溫空間分布均呈西南部高、東北部偏低且東西部溫差較大的特征。根據熱量資源的分布特征，玉溪地區煙草種植最適宜區主要分布在澄江縣、江川區、通海縣、峨山縣、華寧縣，適宜區、次適宜區主要分布在玉溪區、易門縣、新平縣，元江及新平部分地區則為不適宜區。

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