玉溪山地氣溫空間分布的DEM分辨率影響及應(yīng)用

謝新喬　陸俊平　李湘?zhèn)ァ罾^周　王劍松　胡保文　景元書　李媛媛　王丹丹

摘要基于玉溪地區(qū)23個(gè)站點(diǎn)2010—2019年的常規(guī)氣象觀測資料，采用4種不同空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)與反距離權(quán)重插值方法，構(gòu)建起伏地形下的有效氣溫模型，實(shí)現(xiàn)熱量資源的小網(wǎng)格地域分布。結(jié)果表明，氣溫的空間分布與海拔、相對濕度呈負(fù)相關(guān)，與長波有效輻射呈正相關(guān)。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(qū)氣溫空間分布均呈現(xiàn)出西南部高、東北部偏低且東西部溫差較大的特征。

關(guān)鍵詞氣溫；空間分布；DEM分辨率；熱量資源；玉溪地區(qū)

中圖分類號(hào)S162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2023）11-0182-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.044開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(gè)地區(qū)熱量資源的主要指標(biāo)，也是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要影響因素之一，對人類進(jìn)行農(nóng)業(yè)資源開發(fā)及農(nóng)作物適宜性評價(jià)及區(qū)劃具有重要指導(dǎo)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(qū)，地貌交錯(cuò)，總體呈西北高東南低的特征。玉溪市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，因復(fù)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(diǎn)，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(fā)展區(qū)。

影響玉溪地區(qū)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(diǎn)位置、地形地貌條件、下墊面屬性和狀況、人類生產(chǎn)活動(dòng)、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(xì)化特征分布的影響時(shí)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(shí)，多采用某一數(shù)值分辨率的DEM數(shù)據(jù)，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(guān)系，而在構(gòu)建起伏地形下的氣溫空間分布模型時(shí)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(chǔ)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(qū)氣溫空間分布的相關(guān)研究中，李文華等［9-10］研究發(fā)現(xiàn)用綜合比較法、函數(shù)模擬法、空間插值法3種方法來推算山區(qū)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(qū)域氣溫形成的影響，構(gòu)建起伏地形下的有效氣溫模型。筆者在玉溪市常規(guī)氣象觀測資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合ArcGIS分析平臺(tái)，借助DEM地形數(shù)據(jù)，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(jīng)度、緯度、坡度和坡向，實(shí)現(xiàn)玉溪地區(qū)起伏地形下氣溫空間的精細(xì)化分布研究；以小網(wǎng)格為計(jì)算單元，將氣象站點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)拓展到整個(gè)玉溪農(nóng)業(yè)與煙草種植區(qū)，使空間分辨率與DEM數(shù)據(jù)保持一致，構(gòu)建起伏地形下有效氣溫模型，分析煙草生長期內(nèi)熱量資源的小網(wǎng)格地域分布，為煙草氣候生態(tài)適宜性區(qū)劃提供參考依據(jù)［11-13］。

1資料與方法

1.1氣象數(shù)據(jù)氣象資料來源于玉溪市氣象局2010—2019年共23個(gè)站點(diǎn)的月報(bào)表常規(guī)氣象資料，包括玉溪地區(qū)各站點(diǎn)逐日的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對濕度等資料，且已知各個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔。

1.2地形數(shù)據(jù)DEM地形數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源于ALOS 12.5 m DEM數(shù)據(jù)，30 m×30 m高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，90 m×90 m高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云SRTMDEMUTM 90 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，1 000 m×1 000 m高程數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（united states geological survey，USGS）30′地形數(shù)據(jù)。將12.5 m×12.5 m的網(wǎng)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(shù)據(jù)處理第一步，根據(jù)玉溪地區(qū)23個(gè)站點(diǎn)的月報(bào)表常規(guī)氣象資料，計(jì)算日照百分率。

由公式（1）計(jì)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(jì)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(jì)算出2010—2019年任意一年中任意一天的日出（日落）時(shí)角ω：

ω=arccos（-1×tanφ×tanδ）（3）

再利用公式（4）計(jì)算2010—2019年玉溪地區(qū)9個(gè)站點(diǎn)的理論日照時(shí)數(shù)ζ：

ζ=2ω×180/15π（4）

最后由公式（5）計(jì)算出2010—2019年玉溪地區(qū)9個(gè)站點(diǎn)的日照百分率s：

s=λ/ζ×100%（5）

式（5）中，λ表示各站點(diǎn)實(shí)際測得的日照時(shí)數(shù)。

第二步，計(jì)算多年月平均氣溫、相對濕度、日照百分率。根據(jù)各站點(diǎn)逐日的平均氣溫、相對濕度、日照百分率，計(jì)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(diǎn)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(jìn)行回歸擬合，得到玉溪地區(qū)多年1—12月平均氣溫的回歸方程，12個(gè)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(jù)4種不同分辨率的玉溪地區(qū)DEM地形數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS 10.2分析平臺(tái)，提取玉溪地區(qū)的坡度、坡向、海拔，將各站點(diǎn)1—12月多年月平均相對濕度、日照百分率、太陽總輻射數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2分析平臺(tái)，采用反距離權(quán)重（IDW）插值法，將各站點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)外推至玉溪市全市范圍的面數(shù)據(jù)。結(jié)合其余相關(guān)因子對煙草種植的影響，對玉溪市煙草種植氣候適宜性進(jìn)行綜合評價(jià)，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(huán)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(yùn)動(dòng)的主要能量來源，對氣溫的空間分布主要體現(xiàn)在日照時(shí)數(shù)方面；長波有效輻射是指地面被加溫后向大氣傳輸?shù)妮椛湟约氨淮髿夥瓷浠氐孛娴倪@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(gòu)建有效氣溫空間分布模型時(shí)，必須考慮到海拔、太陽總輻射、長波有效輻射對區(qū)域氣溫形成的物理意義。該研究采用復(fù)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(shù)項(xiàng)；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(shù)；w為氣溫隨相對濕度變化的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)［10-11］。

2結(jié)果與分析

2.1玉溪地區(qū)起伏地形下平均氣溫模型將各站點(diǎn)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(jìn)行非線性回歸擬合，得到玉溪地區(qū)多年1—12月平均氣溫的共12組回歸方程模型。各方程經(jīng)驗(yàn)系數(shù)如表1所示。12個(gè)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(shù)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(shù)的正負(fù)可以看出，氣溫的空間分布與海拔、相對濕度呈負(fù)相關(guān)（b<0、w<0），與長波有效輻射呈正相關(guān)（d>0）。

2.2玉溪地區(qū)不同DEM分辨率對氣溫空間分布的影響采用反距離權(quán)重（IDW）插值法，將各站點(diǎn)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)外推至玉溪地區(qū)的面數(shù)據(jù)，再將擬合所得的玉溪地區(qū)多年1—12月平均氣溫的回歸方程導(dǎo)入ArcGIS 10.2分析平臺(tái)，最終得到玉溪地區(qū)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(qū)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(jù)玉溪地區(qū)多年月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，西南部地區(qū)（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(qū)氣溫空間分布均呈現(xiàn)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(shù)據(jù)柵格總數(shù)不同，12.5 m×12.5 m分辨率DEM數(shù)據(jù)柵格總數(shù)為16 416×15 663個(gè)，30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)柵格總數(shù)為6 474×6 177個(gè)，90 m×90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)柵格總數(shù)為2 153×2 054個(gè)，1 000 m×1 000 m分辨率DEM數(shù)據(jù)柵格總數(shù)為215×205個(gè)。分析玉溪地區(qū)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(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)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(qū)煙草種植氣候適宜性區(qū)劃在玉溪地區(qū)23個(gè)站點(diǎn)2010—2019年常規(guī)氣象觀測資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合ArcGIS 10.2分析平臺(tái)，考慮海拔、5—9月平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、3—9月日照時(shí)數(shù)、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(qū)煙草種植氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)如表3所示。綜合考慮6個(gè)分辨率均為12.5 m×12.5 m的指標(biāo)，不適宜、次適宜、適宜、最適宜4個(gè)等級指標(biāo)值逐級包含，最終以6個(gè)評判結(jié)果中的不適宜等級作為綜合評判結(jié)果。

玉溪地區(qū)煙草種植氣候適宜性綜合評判結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，玉溪地區(qū)煙草種植最適宜區(qū)主要分布在東部地區(qū)（澄江縣、江川區(qū)、通海縣、峨山縣、華寧縣），適宜區(qū)、次適宜區(qū)主要分布在中部地區(qū)（玉溪區(qū)、易門縣、新平縣），元江縣及新平縣部分地區(qū)則為不適宜區(qū)。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(qū)，因而造成元江地區(qū)的煙草種植氣候適宜性不佳。而玉溪中東部地區(qū)，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(jié)論

根據(jù)2010—2019年玉溪地區(qū)23個(gè)站點(diǎn)的常規(guī)氣象觀測資料、太陽總輻射和海拔，建立玉溪地區(qū)起伏地形下的有效氣溫模型；結(jié)合ArcGIS 10.2分析平臺(tái)，根據(jù)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(shù)據(jù)提取的玉溪底圖，模擬出不同DEM分辨率下玉溪地區(qū)1—12月平均氣溫的空間分布，實(shí)現(xiàn)了熱量資源的小網(wǎng)格地域分布。具體結(jié)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(gòu)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(fù)相關(guān)，與長波有效輻射呈正相關(guān)。

（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(qū)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(jù)熱量資源的分布特征，玉溪地區(qū)煙草種植最適宜區(qū)主要分布在澄江縣、江川區(qū)、通海縣、峨山縣、華寧縣，適宜區(qū)、次適宜區(qū)主要分布在玉溪區(qū)、易門縣、新平縣，元江及新平部分地區(qū)則為不適宜區(qū)。

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