1961—2015年伊犁地区温度时空变化研究——基于DEM的空间插值方法

何建平

（新疆林业生态监测总站，新疆 乌鲁木齐 830001）

近几十年以来，我国乃至全世界的气候变化非常明显，最为明显的是全球变暖。联合国政府间气候变化专门委 员 会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第三次研究报告显示：全球气温自1860年以来一直在增高，近百年以来增长了0.4～0.8℃，达到了过去1 000年以来的最高值，且大气中的二氧化碳浓度也明显提高［1］。我国大部分地区气温升高明显、降水减少，极端天气气候事件发生频率逐渐增大。极端气候灾害的平凡发生给社会经济发展和人民生活带来了严重的影响，造成了巨大的损失。近10年来，位于新疆维吾尔自治区西北部的伊犁地区，发生了几次严重的极端气候自然灾害事件，环境恶化严重。因此，全面了解和认识极端气候变化事件的特点，找出极端气候事件的发生规律，对未来准确预测其发生规律和提高防灾减灾意识是非常具有意义的。

1 研究区范围及资料来源

根据资料的连续性及最长时段性等标准，共选取伊犁地区符合条件的10个气象站（均为国家气象地面标准站）。为保证逐月平均气温的均一和稳定，气温资料时间一致取为1961年1月1日至2015年12月31日。10个气象站点的空间分布图，以已知的气象站点的地理坐标和海拔高程作为自变量，由月均气温值计算的年均气温值来进行插值，同时以伊犁地区的数字高程模型（DEM）作为参照。

软件采用现在流行的ARCGIS10.2以及目前使用最多的Office软件Excel 2007表格工具。ARCGIS中有三大模块，其中Arc Catalog主要用于空间数据的相互转换，Arc Map主要用于空间数据的编辑、显示、检索、查询，而且还有分析和制图等功能。Excel 2007表格工具能够提供透视图、透视表及数据的变化趋势等。

利用1961—2015年10个气象站点所测的气温数据（包括年平均气温、年最高最低气温等数据），制作其年平均气温和最高最低气温的透视图，生成历史曲线，研究其变化的趋势和特征。然后利用ARCGIS来对气温进行空间插值，最后利用高程等相关数据进行校正。

2 研究方法

2.1 样条函数法

样条函数法是基于整个曲面的光滑性来创造一个拟合的曲面，是一种分段的特殊函数。其可以在不一样的区间内对少数的点进行不同的拟合，同时能够保证函数区线段连接处连续。但其插值的误差不能直接进行估算，因为其插值区间一般都大于其实际的区间。

2.2 协同克里金法

协同克里金法即多要素克里金插值法，克里金法是一种依赖于测量误差模型实现精确或平滑插值的插值法。其非常灵活，允许对空间自相关图和互相关图进行研究［2］。克里金法使用的是统计模型，允许用于各种输出表面（包括预测值、预测值标准误差、概率和分位数）。克里金法需要确定很多参数的设置来保证其灵活性。克里金法假设数据来自平稳的随机过程，而且一些方法还假设数据正态分布。

对于许多自然现象的空间格局处理受自身空间相互影响和相互作用外，还受到外部其他因素的影响，如地区的降水量和气温值都受到地形因素的影响，尤其受到海拔条件的影响。所以，本文采取双要素的协同克里金插值法来对气温进行空间插值，从而获取地区的气温状况分布图。

2.3 基于DEM修正的插值方法

根据气象站提供的实测数据估算未知点的温度数据，在地形崎岖的山区仅仅利用上述的空间插值方法结果是不准确的。基于DEM的插值方法，充分考虑气温数据水平和垂直地带性空间分布的特点，对温度插值的结果产生有非常重要的影响。

2.3.1 气温直减率。随着海拔的升高，气温一般呈现递减趋势，但这种趋势在不同的地区或者不同的季节略有不同，所以本文利用SPSS软件对10个气象站的月平均气温和海拔高度的关系进行了一元线性回归分析，结果表明海拔修正能够完美地拟合研究区的平均气温，复相关系数都高于0.5，从而能得出研究区的平均气温随海拔变化的气温直减率［3］。由此可以得出，伊犁地区的年均气温直减率为0.58℃/100 m，由此可以看出伊犁地区气温随着海拔升高的变化趋势与全国其他研究区域有所不同。

2.3.2 基于DEM的气温修正。当考虑海拔高度对平均气温的影响时，任意一点的平均温度可以表示为：

式（1）中，T0为订正到海平面后的温度，H为海拔，A为平均环境的气温直减率。

根据伊犁地区的气温直减率，将年平均气温数据修正到海平面的高度。做法就是根据10个气象站点的高程将实测气温订正到海平面的高度，再利用克里金法对修正后的平均气温进行插值，将生成的温度栅格数据结合伊犁地区的DEM进行地形的气温修正，最终生成具有高程的伊犁地区气温模拟数据。基于DEM的修正公式为：

式（2）中，TDEM为DEM修正后的气温模拟结果，TOK为利用克里金对海拔校正后的气温进行插值的结果，HDEM为DEM的栅格数据。

2.3.3 误差分析。在目前对于插值结果的精度检验方法中，交叉验证是应用范围最为广泛的一种评价方法，可以准确验证不同种类的插值方法的插值精确度［4］。通常通过计算所有站点的气温模拟值与实测值之间的插值平均值来作为其插值精度的评价指标，然后通过标准差、绝对误差及平均误差的平方根等相关检验参数来对插值结果进行误差分析。其中，绝对误差是站点实测值与插值估算值的误差的绝对值，反映估算值偏离真实值的大小；标准值是衡量估计值偏离算术平方根的平均值的指标，可通过其插值结果的标准差反映其偏离实测值的离散程度。其方法是假设某个气象站点的温度都是未知的，利用周围已知测站通过空间插值估算，然后计算估算值与实测值之间的平均绝对误差与误差平方根。误差分析结果如表1和图1所示。

表1 插值结果的误差分析

图1 插值结果的绝对平均误差折线图

通过对几种不同方式的空间插值比较，得出几种空间插值方法的优缺点，结果表明：①基于DEM的插值方法与协同克里金法的插值精度远远高于普通的克里金法，其插值的估算精度均提高了1倍；②协同克里金法的插值精度最高，均方误差（MAE）为0.53～0.91℃，平均为0.70℃，均方根误差（RMSIE）为0.69～1.44℃，平均为1.05℃；③基于DEM的插值法与协同克里金法基本相同，虽然其插值精度略低于协同克里金，但远胜于普通克里金法，表明这两种方法均可提高插值精度。

3 结果与分析

3.1 气温变化特征

近50年来，伊犁地区的年平均气温呈平稳上升趋势，其中年均温的增温率为0.25℃/a，高于全国的0.22℃/a，但低于西北地区的0.32℃/a。冬季气温增温最为明显。

伊犁地区的年平均气温最大值出现在2015年，为9.55℃，最小值出现在1969年，为5.94℃，极差为3.61℃。其中，1965—1969年气温偏低，1978—1981年明显偏高。1969年气温最低，之后缓慢升高；1977年之后气温明显开始上升，而后有所减缓；1997年之后气温明显升高且上升趋势有所增加，2015年达到最大值。伊犁地区的四季气温与年均气温变化趋势大致相同［5］。1997年之前，春季气温明显偏低，之后大幅度上升，其中伴随着小幅度的下降，但在1997年以后气温逐渐恢复升高，2009年达到最高值，之后缓慢下降，但仍比往年的温度高许多。伊犁地区的夏季气温总体呈现平稳趋势，伴随着小幅度的上升，但趋势不够明显，2008年达到最大值，为25.30℃，之后变化不是特别明显。伊犁地区的秋季气温变化趋势在1995年之前非常明显，升或者降的趋势都特别剧烈，并在1988年达到最低值，为7.40℃，之后上升的趋势趋于稳定，并保持在10.00℃范围内。伊犁地区的冬季气温不断升高，并且升温的速率在不断增大，2015年甚至达到-1.00℃，可以看出全球变暖的影响还是非常大的。

由此可以看出，伊犁地区的秋季增温率最高，对年均气温值的贡献率最大，冬季、春季次之，夏季贡献值最小。生长季的气温也逐年升高，但趋势不大。秦大河等［6］认为人类活动的加剧是导致全球变暖的主要因素，伊犁地区又是新疆著名的旅游风景地区，流动人口的增多加快了温室气体的排放，或者增加破坏植物树木的过程，这些都是温度升高的重要原因。同时厄尔尼诺现象的产生也对冬季气温的升高趋势有着极大的影响。

3.2 气温的突变检验

对1961—2015年伊犁地区平均气温进行突变检验，结果显示：就年平均气温而言，伊犁地区的突变时间高峰段出现在1985年前后，分别为1985、1986、1989年，伊犁地区年平均气温突变时间早于天山、南疆、巴州等地区，说明大范围内气候变化的空间差异性。就季节而言，不同的季节气温突变时间差异较大，春季、冬季突变时间分别出现在1990、1985年前后；夏季、秋季图突变时间分别出现在1980、1985年以后，其中春季突变时间与年均气温变化趋势最为接近。更进一步分析可得，冬季气温变化最为明显，趋势更大，突变现象也比较明显。突变的空间分布具体情况是1985年前后尼勒克区域内的气温变化较明显，其他区域内变化一般。2014年前后霍城区域内与新源县境内气温明显降低，但2015年后恢复正常。具体结果如表2所示。

3.3 气温的空间分布

根据伊犁地区的气温直减率，将年平均气温数据修正到海平面的高度。根据10个气象站点的高程将实测气温订正到海平面的高度，再利用克里金法对修正后的平均气温进行插值，将生成的温度栅格数据结合伊犁地区的DEM进行地形的气温修正，生成具有高程的伊犁地区气温模拟数据。因研究区域年均气温的分布趋势较为稳定，故采用每隔10年进行一次插值分析的方法。可以得出年均气温为2.142～11.142℃，最高气温为13.700～24.820℃，最低气温为-18.800～3.000℃。1964年，巩留县和尼勒克县的年均气温大致相同，特克斯等地区的气温明显低于伊宁县、新源县等地区。1984年发生了气温突变，察布查尔县自1984年以来气温明显升高，并在2004年以后恢复正常。总的来说，伊犁地区的气温空间分布状况是从西向东递减再递增的过程。春季，1964年前后昭苏与尼勒克的边界区域温度较低，1964—1974年春季气温总体变化趋势较大，察布察尔县与尼勒克县的气温明显得下降，1974年以后变化较为平稳，但昭苏县西南地区及特克斯境内气温明显升高。夏季的气温分布趋势与年均气温分布趋势相同，1984年前后产生了气温突变，巩留县境内的气温明显降低。秋季，1964—1974前后伊犁地区的气温总体变化趋势不大，但在1984年前后可以明显看到气温突变的空间分布，巩留和特克斯区域内气温明显降低，1994—2004年前后恢复正常，2014年昭苏西南区域气温降低，但其他地区气温总体趋势不变。冬季变化趋势与春季相同，证明夏季气温对年均气温的贡献率最大。在1994年前后可以明显看到气温突变，察布察尔县与伊宁县交界处以及巩留县境内气温明显回暖，并在2004年逐渐恢复正常。另外，东部地区气温明显高于西部地区气温，能够充分表现出气温的空间差异性。

表2 气温的突变检验 ℃

4 结论

本文主要以伊犁地区为研究区，综合运用空间插值、统计分析等方法，利用气温数据进行空间插值，得到如下结论。

①近50年来，伊犁地区的升温趋势较为明显，升温率为0.25℃，高于全国而低于西北地区，且冬季增温最为明显。

②1961—2015年，伊犁地区的年均气温、春夏秋冬季平均气温都在1985年前后发生了突变，北部地区的气温突变明显于南部地区，时间也明显早于南部地区，冬季突变时间明显长于其他季节。总的来说是气温上升较快，升温率不断增大，主要原因可能是温室气体的大量排放，人口活动对自然地区的影响，或者是内部的气候系统遭到了破坏。

③通过对几种插值方法估算精度的研究比较，对于温度插值而言，基于DEM的插值方法和协同克里金法充分考虑了温度的水平和垂直地带上的分布特征，因此获得了较精确的估算精度。与传统的克里金方法相比，其估算精度提高了1倍以上。同时利用该方法也可以获得高精度的温度栅格数据，对于利用温度作为指标的空间插值具有借鉴意义。

④伊犁地区的气温空间分布状况为从西向东逐年递减到达临界值后逐年回升。夏季的气温分布状况与年均一致，1964—1984年全区气温明显发生了突变，但在1984年以后逐渐恢复正常。昭苏和尼勒克境内气温有较大变化，但其他地区气温总体趋势不变。冬季变化趋势与春季相同，证明夏季气温对年均气温的贡献率最大。东部地区气温明显高于西部地区气温，充分体现气温的空间差异性。