四川省氣溫與降水時空演變特征分析

吉 瑋,董興娜,李 麗*

(1.江蘇智繪空天技術研究院有限公司,江蘇南京 210042;2.江蘇海洋大學海洋技術與測繪學院,江蘇連云港 222005)

氣候與人類社會息息相關,它是人類生存的自然環境及自然資源中的重要部分,許多學者對其進行了全球或區域尺度的研究[1-5]。隨著全球變暖,氣候變化也日益受到專家學者們的關注,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)于2021年8月份公布了第六次監測評估報告,相較于工業化之前的溫度記錄,目前全球平均升溫估計達到1.1 ℃,未來20年全球增溫將達到1.5 ℃以上,這將給人民群眾生產生活及社會經濟可持續發展造成嚴重影響[4]。因此,對氣候變化所表現出來的氣溫與降水時空變化趨勢進行研究,是當前世界各國政界、學界及公眾不斷關注的熱點。而由于氣象數據具有局部性和離散性等特點,各領域的專業人士都在尋找填補離散樣本間缺失數據的方法。經過大量的試驗研究,空間插值方法成了首要選擇。Phillips等[6]選擇了反距離權重法和克里金插值法進行溫度模擬,通過比較反距離權重法和克里金插值法的絕對誤差和均方根誤差,選擇了最優插值方法;Ali Ghorbani等[7]借助均方根和SRMS標準,使用克里金地統計估計器和GIS接口對2009—2019年阿爾達比勒省氣象數據進行空間插值,發現氣溫的空間變化大于降水的空間變化。劉峰民等[8]通過多種方法融合,對甘肅省平均降水量研究發現多元回歸法是該地區插值研究效果較好的方法;楊艷昭等[9]在“一帶一路”地區內基于GIS,通過對一系列氣象站點的氣溫數據處理發現回歸協同克里格插值方法精度最高;何等[10]將反距離權重法與克里格法應用于新疆日平均降水資料的空間插值分析中,發現這2種插值方法對于區域降水的空間分布分析各有利弊,克里格插值法較反距離權重法在總體分析中更優,而反距離權重法在局部地區分析中插值效果更為理想。

我國地勢西高東低,呈現多級階梯的特點,四川省位于青藏高原和中部平原過渡區,地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地、四川盆地等地貌單元,境內高原、山地、平原、河谷、丘陵、河流、湖泊交錯,相對高差超過7 000 m,是世界上地形最復雜的區域之一[1]。不僅如此,在東亞季風的綜合影響下,四川省的氣候變化也比較復雜。筆者以四川省為研究區,通過對氣象站點數據進行GIS空間插值,分析了1961—2021年四川省氣溫與降水的時空特征,認識并掌握了四川省氣候變化的規律及特征,為人們科學規劃、合理使用自然資源提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源該研究所使用的數據包括:①數字高程數據(DEM),采用ASTER GDEM提供的30 m分辨率數字高程數據,并利用ArcGIS軟件將數據重分類成250 m×250 m分辨率。②氣象資料,來源于中國氣象數據網,包括1961—2020年四川省52個國際地面氣象交換站的氣溫和降水資料。氣象站點的空間位置如圖1所示。

圖1 四川省氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Sichuan Province

1.2 研究方法國際民航組織(ICAO)的資料顯示,對流層干空氣溫度平均每升高100 m,溫度大約降低0.98 ℃。如果空氣中有水汽,由于水汽凝結時放熱,則平均每升100 m,溫度就降低約0.60 ℃[11]。因此根據四川省DEM高程模型數據(圖2),結合四川省行政區劃,將52個站點劃分為四川盆地地區(雅安市、樂山市、成都市、綿陽市、自貢市、瀘州市、德陽市、廣元市、遂寧市、內江市、南充市、資陽市、宜賓市、達州市、廣安市、巴中市、眉山市)、攀西山地地區(涼山彝族自治州、攀枝花市)和川西高原地區(阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州)進行分別討論,如圖2所示。

圖2 四川省地貌分區Fig.2 Landform area divisions of Sichuan Province

1.2.1空間插值方法。空間數據插值方法很多,考慮多樣性和代表性,該研究選擇以下3種:2種歸為確定性方法(IDW和Spline),1種歸為地質統計法(OK)[12]。

(1)反距離權重法(IDW)。假定2個接近的采樣點具有相似的屬性,而其他采樣點具有較少的相似屬性。計算方法如下:

(1)

其中,λi是反距離權重,Z0是預測值,Zi是測量值。

(2)樣條函數插值法(Spline)。Spline是基于插值區間被劃分為小的子區間,每個子區間都用三階多項式進行內插的原則。計算方法如下:

(2)

其中,a1、a2、a3為方程的系數,N為采樣點的數量,λj為權重,R(γj)為用于修改插值結果的樣條函數。

(3)普通克里金法(OK)。利用估計位置鄰域中的數據估計一個區域中某一點的數值,而這個區域的變異圖是已知的。計算公式如下:

(3)

其中,Z0是預測值,z(xi)是測量值,wi(x0)是反映樣本與估計位置(x0)的結構“接近”程度的權重,z(x0)是采樣點的數學期望值。

1.2.2交叉驗證法。該研究采用交叉驗證方法進行數據驗證。將四川省52個氣象站點分成項目子集和檢查區子集(project和check)。check為插值數據,project為對插值結果的驗證數據。對各插值模型結果進行分析,平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)越小,表明插值結果與真實值越接近,精度越高。MAE、RMSE的計算公式如下:

(4)

(5)

式中,n為數據檢查區子集的站點數;Toi為第i個站點的氣象站觀測值,Tei為第i個站點插值模擬預測值。

通過計算相關系數(r)來比較插值模型的優劣性,r的絕對值為0～1。一般認為,當|r|越靠近1時,代表變量間的相關程度越大,也就是模型模擬得越準確;相反,當|r|靠近0時,則代表變量間的相關程度越小,即模型模擬的精度越低。r的計算公式如下:

(6)

2 四川省氣溫時空特征演變分析

2.1 插值方法選取將1961—2020年四川省52個氣象站點分成2個數據子集,分別包含41個插值點和11個驗證點。首先利用41個站點的逐年氣溫,計算得到年平均氣溫,再考慮垂直遞減率的影響,將不同海拔的氣溫修正成海平面的氣溫,利用ArcGIS軟件的插值分析工具,分別選擇IDW、OK和Spline 3種方法對四川省1961—2020年的年平均氣溫數據進行插值。

表1為11個檢驗站點3種插值方法的MAE、RMSE和r的計算結果。對于該研究區而言,OK法的插值結果最好,其次是IDW法,Spline法的效果最差,因此選擇OK法開展研究區內氣溫的插值分析。

表1 氣溫空間插值精度驗證

2.2 插值結果分析由于插值結果所使用的氣溫數據是進行修正后的數據,因此需要將氣溫插值結果與DEM數據進行柵格計算,生成具有地形特征的氣溫數據,氣溫修正結果如圖3～4所示。

圖3 四川省不同年域年均氣溫修正結果Fig.3 Correction results of annual average temperature in different periods in Sichuan Province

從圖4可以看出,四川省的氣溫空間分布大致呈現由東(南)向西北逐漸降低的趨勢。東(南)地區為盆地,北部有秦嶺的阻攔,冷空氣無法到達,因此氣溫在15 ℃以上;西北地區多高原山地,海拔高差大,氣候立體變化明顯。中部山地部分地區的氣溫偏高,氣溫最高值超過30 ℃,眉山地區和沙魯里山地區的氣溫由于地形原因呈現出偏低的特點。

圖4 1961—2020年四川省年均氣溫修正結果Fig.4 Correction results of annual average temperature in Sichuan Province from 1961 to 2020

利用ArcGIS軟件中的Zonal工具計算得出四川省各年代氣溫變化。如圖5所示,1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2020年的年均氣溫分別為13.94、14.12、14.10、13.55、14.86和14.46 ℃。由此得出,20世紀60—80年代年均氣溫呈增長趨勢但變化不明顯,20世紀70年代的年均氣溫略高于80年代;20世紀90年代的氣溫則是60年年均氣溫最低值;2001—2010年氣溫明顯上升,并且上升的速度更快;2011—2020年年均氣溫降低,但仍是近60年來年均氣溫第二高峰。從整體來說,近60年四川省年均氣溫呈上升趨勢。

圖5 1961—2020年四川省年平均氣溫變化Fig.5 Change of annual average temperature in Sichuan Province from 1961 to 2020

2.3 3類地貌區氣溫分布特征分析從圖6和圖7可以看出,3類地貌區氣溫在空間上差異較大。四川盆地地區中部變化比較穩定,邊緣山地地區氣溫變化明顯;攀西山地地區氣溫呈條帶狀分布;川西高原地區氣溫變化明顯,且溫差較大。3類地貌區的氣溫在時間上的變化與四川省整體基本一致,都呈現出上升趨勢,川北高原地區的氣溫整體低于攀西山地和四川盆地地區。

圖6 1961—2020年四川省3類地貌區年平均氣溫空間分布Fig.6 Spatial distribution of annual average temperature in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

圖7 1961—2020年四川省3類地貌區年平均氣溫變化Fig.7 Change of annual average temperature in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

3 四川省降水時空特征演變分析

3.1 插值方法選取與氣溫插值方法選取一樣,將1961—2020年四川省52個氣象站點分成2個數據子集,分別包含41個插值點和11個驗證點。首先利用41個站點的逐年降水數據,計算得到年平均降水,利用ArcGIS軟件的插值分析工具,分別選擇IDW、OK和Spline 3種方法對四川省近60年的降水量數據進行插值。

表2為11個檢驗站點3種插值方法的MAE、RMSE和r的計算結果。對于該研究區而言,IDW法的插值結果最好,其次是OK法,Spline法的效果最差,因此選擇IDW法開展研究區內降水的插值分析。

表2 降水量空間插值精度驗證

3.2 插值結果分析從圖8可以看出,四川省降水量在空間上呈現由東向西逐漸減少的特點,并且降水量空間差異很大,年降水量最多的區域高達1 400 mm以上,而年降水量最少的區域卻不足600 mm。四川盆地中北部降水量減少主要是因為該區域盆地地形下降,氣流在進入時隨之沉降所形成的下降氣流,表現為局部高壓,降水減少。川西高原地區的少雨氣候是由于青藏高原邊緣高大山體阻擋暖濕氣流進入。而華西雨屏帶作為四川盆地和青藏高原的過渡帶,平均相對高差超過2 000 m,有的甚至達到5 000 m,受這一影響,暖濕氣流到此后,在迎風坡發生了大量降水過程。

圖8 1961—2020年四川省年降水量空間插值Fig.8 Spatial interpolation of annual precipitation in Sichuan Province from 1961 to 2020

結合圖9可以看出,60年間四川省的年降水量隨時間沒有明顯規律,均是呈現從東向西降水逐漸減少的特點,并且華西雨屏帶一直是四川省降水最豐富的地區,且降水還有所增長。

圖9 四川省不同年域年降水量空間插值Fig.9 Spatial interpolation of annual precipitation in different periods in Sichuan Province

從圖10可以看出,20世紀60年代、80年代和2011—2020年的降水量較多,而20世紀70年代、90年代和2001—2010年的降水量較少,四川省年降水量在840～940 mm,整體上的變化起伏不大。

圖10 1961—2020年四川省年降水量變化Fig.10 Change of annual precipitation in Sichuan Province from 1961 to 2020

3.3 3類地貌區降水分布特征分析從圖11和圖12可以看出,四川省3類地貌區的降水在空間方面差異較大,其降水分布規律各不相同。四川盆地地區是四川省主要降水集中區,并呈現從兩翼向中間減少的特點;攀西山地地區降水受橫斷山脈等地形的影響,呈現自東向西逐漸減少的特點;川西高原地區降水整體較少,呈現自東南向西北逐漸遞減的特點,普遍降水低于1 000 mm。3類地貌區的降水在時間上沒有明顯規律。3類地貌區的降水在不同年份有所波動,但整體變化不大,始終是四川盆地>攀西山地>川西高原。

圖11 1961—2020年四川省3類地貌區年降水量空間分布Fig.11 Spatial distribution of annual precipitation in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

圖12 1961—2020年四川省3類地貌區年降水量變化Fig.12 Change of annual precipitation in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

4 結論

該研究選用1961—2020年四川省52個氣象站點的年值數據,基于GIS空間分析方法,開展了研究區氣溫、降水站點數據空間插值及時空演變特征分析。結論如下:

(1)基于GIS空間插值方法中的IDW法、OK法、Spline法對研究區內氣溫、降水站點數據進行空間插值,通過交叉驗證法和相關系數對插值結果綜合比較可知,IDW法較適用于降水數據的插值,OK法較適用于氣溫數據的插值。

(2)1961—2020年四川省氣溫由東南向西北逐漸降低,總體呈升高趨勢;降水量由東向西逐漸減少,隨時間波動較大。局部地區氣候特點有所不同,四川省中部山地部分地區的氣溫較高,眉山地區和沙魯里山地區的氣溫較低。20世紀90年代溫度有所下降,20世紀90年代以來溫度顯著增加;華西雨屏帶降水較多,20世紀60年代、80年代和2011—2020年的降水偏多,而20世紀70年代、90年代和2001—2010年的降水偏少。

(3)3類地貌區的氣溫和降水在空間上特點各不相同,在時間上氣溫呈現上升的趨勢,降水變化規律不明顯。氣溫方面,四川盆地地區中部地區變化較小,邊緣山地地區氣溫變化明顯;攀西山地地區氣溫呈條帶狀分布;川西高原地區氣溫變化明顯;整體隨時間變化呈現上升趨勢。降水方面,四川盆地地區降水最豐富,呈現從兩翼向中間減少的特點;攀西山地地區呈現自東向西逐漸減少的特點;川西高原地區降水整體較少,呈現自東南向西北逐漸遞減的特點;隨時間無明顯變化規律,始終是四川盆地>攀西山地>川西高原。