基于新疆地区降水量与气温的空间异质性的空间展开模型分析

康　婷， 胡锡健， 张辉国

(新疆大学 数学与系统科学学院， 新疆乌鲁木齐 830046)

基于新疆地区降水量与气温的空间异质性的空间展开模型分析

康婷， 胡锡健， 张辉国

(新疆大学 数学与系统科学学院， 新疆乌鲁木齐 830046)

摘要：基于新疆地区52个气象观测站点的逐日气温和降水量数据，利用空间展开模型研究了1970,1980,1990和2000年新疆地区平均气温与年降水量回归关系的空间异质性，并将结果予以可视化.采用空间展开模型用各观测站点的地理位置函数来代替各观测点的位置特性加入到模型当中，很好地解决了由于各站点地理特性而导致的空间异质性.研究表明，新疆地区气温对降水量的影响强度随着地理空间位置的变化而变化，二者的回归关系呈现出显著的空间非平稳性.北疆地区的影响系数显著为正，天山山区的大多数气象观测站点为正，而南疆地区的回归系数所反映的影响强度特征较为散乱，这种不一致性取决于南疆地区的特殊地理格局.研究结论充分说明新疆地区气温对降水量的影响强度存在明显的地域差异.

关键词：空间展开模型； 年均气温； 年降水量； 新疆地区

全球气候变化已经是个不争的事实，全人类已经开始针对气候变暖趋势展开了很多研究.新疆位于我国西北地区，地处欧亚大陆腹地，地理特征独特，水资源分布极其不均匀，是典型的干旱、半干旱地区.降水是新疆地区所有形式的地表水、地下水和高山积雪冰川等水体的根本补给资源，是水分循环过程中的一个重要分量.降水量的多少对一个地区气候变化、国民经济和人民生产、生活有极其重要的影响.在现今全球气候变暖的大环境下，随着气温的上升，降水异常更是频频发生，1956-2007年间，新疆地区线性增温速率达0.37℃/10a[1]，明显高于全国0.22℃/10a[2]的升温率.因此，对新疆地区的气温和降水量的研究有着十分重要的意义.长期以来，大量的学者对中国西北地区[3-6]尤其是新疆地区[6-7]的气温、降水量的变化趋势做了很多研究，所有的研究结果基本一致，即：近几十年来新疆的年均气温、年降水量总体呈上升趋势(年降水量平均增幅0.67mm/a[6]，年均气温平均增长0.27℃/10a[6])，但增幅的强弱在地区分布上各有差异.李艳玲等[8]对年均气温和年降水量运用空间自回归模型进行了分析，结果表明：在去除地形的影响后，年均气温和年降水量均具有显著的空间相关性和空间聚集特征.施雅风等[4]认为全球变暖驱动水循环过程加快；空气中水汽的增减是降水量变化的重要条件.BengtssonL[9]曾估算温室气体加倍所导致的升温，将使大气中水汽含量增加15%，陆地降水量增加8%，回流海洋的径流量将增加10.3%.俞亚勋等[10]也研究发现西北地区有两个水汽含量相对高值中心，一个位于南疆盆地，另一位于北疆地区.1987年以后水汽突然增大有利于新疆地区降水的增加.总结上述一系列的研究不难发现一个地区的年降水量和年均气温有十分密切的关系.并且，骆超等[11]指出气温和降水在平原区没有明显相关性，但在山区温度高时降水量大，温度低时降水量小，呈现明显的正相关.但上述许多研究都没有给出气温和降水量的具体关系，而李艳玲等人也只是在除去地理位置影响的情况下说明了年均气温和年降水量均具有显著的空间相关性和空间聚集特征.所以，对气温和降水量关系的研究具有十分重要的意义.然而，通过对新疆地区52个气象观测站点实测数据的观察可知，新疆的降水量存在较明显的时空分布不匀性，在空间格局上主要表现为山区降水大于平原与盆地、北疆降水多于南疆，且降水量从西北向东南部减少[12]；而且在研究一个地区的气候变化时，得到数据往往是与空间位置有关的，如各气象观测站点的地理位置(经度，纬度)等.这就使得各个气象观测站点拥有各自的位置特性.但是，直到目前为止对这方面的研究几乎都只考虑了各观测站点的数据的相关性却忽视了由地理位置的不同而导致的空间异质性.本文采用空间展开模型[13]用各观测站点的地理位置函数来代替各观测点的位置特性加入到模型当中，以期解决由于各站点地理特性而导致的空间异质性.

1 材料与方法

1.1 数据资料选取

本文选取1950-2000年新疆地区56个气象站点逐日气温、降水量数据进行分析.但是由于建站时间不同、撤站、迁址等原因造成观测数据的记录长度不一，并且众多研究结果显示：新疆的气候趋于以暖干向暖湿的变化趋势[14]，且多数站点的降水量于20世纪80年代中期发生了比较明显的突变[15].基于上述原因，本文选取了1970、1980、1990、2000年四年的52个气象观测站点的逐日气温和降水量的实测数据，并将其转换为年均气温和年降水量进行研究.本文将以天山为界，将新疆地区划分为南疆和北疆，天山以南为南疆，天山以北为北疆.按照这种划分，本文中所研究的52个气象观测站点中属于南疆地区的观测站点有25个，北疆地区的观测站点有20个，天山山区有7个.

1.2 方法

1.2.1数据的中心化

本文对1970、1980、1990、2000四年的52个气象观测站点的逐日气温和降水量的实测数据取其算术平均数作为对应的年均气温和年降水量，运用年均气温和年降水量来研究气温对降水量的影响.中心化是指变量减去它的均值(即数学期望值).对于样本数据，将一个变量的每个观测值减去该变量的样本平均值，变换后的变量就是中心化的.将数据中心化不仅使数据而且使模型中的常数项β0i有实际意义，即当年均气温等于平均气温时，常数项表示该观测站点的年降水量.

1.2.2空间展开模型

空间展开模型的一般形式为

(1)

其中，i=1,2,…，52，表示本文选取的新疆地区52个气象观测站点;xi表示第i个气象观测站点的年均气温;yi表示第i个气象观测站点的年降水量;ui,vi分别表示第i个气象观测站点的纬度、经度.

空间展开模型的具体计算过程为：

将式(1)的第2、3个等式带入第1个等式中，得到

所以，上式可以写作如下的矩阵形式：Y=Xβ.

对上式运用最小二乘求解，最终解得形式为

β=(X′X)-1X′Y

本文借助MATLAB软件，得到了空间展开模型的最小二乘估计结果.

2 结果与分析

2.1空间展开模型系数估计结果

本文对新疆地区52个气象观测站点1970、1980、1990、2000年四年的逐日气温和降水量的实测数据运用空间展开模型进行分析，通过模型的计算结果得出第i个气象观测站点的年均气温对年降水量的影响系数β1i，而常数项β0i则表示当第i个站点的年均气温为平均气温时的年降水量.现将1970、1980、1990、2000年的模型计算结果可视化，结果如图1～图4所示.由图1～图4可知：1970年，1980年，1990年，2000年每年的降水量受气温的影响大致表现是一致的，北疆地区各站点的降水量受气温的影响为正也最为明显；天山山区次之，而南疆地区降水量受气温的影响是最弱的.对于南疆地区而言，大部分站点在1970、1980、1990年气温对降水量的影响系数为负，但是到2000年正系数的站点数增加，气温对降水量的影响增大.从时间序列来看，随着时间的推移，气温对降水量的影响是逐渐变大的，这主要是因为在这四年间气温在持续增加，再加上现今全球变暖的大背景下，温室气体加倍所导致的升温驱动水循环过程加快，使大气中水汽含量和陆地降水量增加.而且1987年以后水汽突然增大有利于新疆地区降水的增加.

图1 1970年年均气温对降水量的影响系数

图2 1980年年均气温对降水量的影响系数

图3 1990年年均气温对降水量的影响系数

图4 2000年年均气温对降水量的影响系数

2.2 结果分析

图1～图4显示，当气温等于年均气温时，北疆地区的年降水量是最多的，天山山区次之，南疆地区的年降水量是最少的，这个结果与姜逢清等人[12]得出的结论一致.这主要是因为，对于气温的增加幅度来说，北疆地区大于其他两个地区，北疆地区的气温平均增长0.36℃/10a，南疆地区为0.20℃/10a[5]，北疆地区的年均气温对年降水量的影响系数要大于其他两个区的.

为了进一步观察新疆地区52个气象观测站点的年均气温对年降水量的影响强度，本文按照北疆地区、天山山区、南疆地区的划分方法，将三个区的年均气温对年降水量的影响系数与站点的不同以图的形式表示出来(如图5～图7所示).

图5　北疆地区各站点年均气温对年降水量的影响

图6　天山山区各站点年均气温对年降水量的影响

图7 南疆地区各站点年均气温对年降水量的影响

3 讨论

北疆地区大部分站点的年均气温对降水量的影响系数为正值(P=0.001<0.05，显著的)，即随着气温的增加降水量也是增加的，二者的变化趋势是一致的；对于天山山区而言，在1970、1980、1990年达阪城、巴里塘、伊吾气象站点的系数是负的，而2000年天山山区的所有气象站点的影响系数显著性为正(P=0.001<0.05)，但总体而言天山山区的气温和降水量都是增加趋势；南疆地区则相反，只有极少数的的气象站点的影响系数为正，原因可能是由于南疆的地貌格局、地理环境的特殊性和自然环境的严酷性使得南疆地区由相对冷湿转变为相对暖干.南疆地区的主体为塔里木盆地，盆地中央是世界上第二大流动性沙漠-塔克拉玛干大沙漠，塔里木盆地的周围是昆仑山脉和天山山脉.所以对于南疆来说，天山、昆仑山的几面阻挡，使得海洋水汽不能进入，致使南疆降水量明显少于北疆.

4 结束语

随着气象观测站点地理位置的不同，年均气温对年降水量的影响系数也发生变化.这一结论与通常利用常系数线性回归模型分析气温与降水量的关系所得出的结果不尽相同.

虽然诸多研究表明近几十年来新疆地区的气温和降水量都有明显的增加趋势，但是不同空间区域的年均气温对年降水量的影响程度并不相同，对于新疆的北疆地区、天山山区和南疆地区而言，北疆地区的影响系数显著为正，天山山区的大多数气象观测站点为正，而南疆地区则不然，南疆地区的这种不一致性取决于其特殊的地理格局.这一结果充分说明气温对降水量的影响大小存在明显的地域差异.

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(编辑：郝秀清)

收稿日期：2014-08-01

作者简介：康婷，女，kt827312527@163.com；通信作者:胡锡健，男，xijianhu@126.com

文章编号：1672-6197(2015)02-0036-04

中图分类号：S212.1

文献标志码：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