四川省气温与降水时空演变特征分析

吉 玮,董兴娜,李 丽*

(1.江苏智绘空天技术研究院有限公司,江苏南京 210042;2.江苏海洋大学海洋技术与测绘学院,江苏连云港 222005)

气候与人类社会息息相关,它是人类生存的自然环境及自然资源中的重要部分,许多学者对其进行了全球或区域尺度的研究[1-5]。随着全球变暖,气候变化也日益受到专家学者们的关注,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2021年8月份公布了第六次监测评估报告,相较于工业化之前的温度记录,目前全球平均升温估计达到1.1 ℃,未来20年全球增温将达到1.5 ℃以上,这将给人民群众生产生活及社会经济可持续发展造成严重影响[4]。因此,对气候变化所表现出来的气温与降水时空变化趋势进行研究,是当前世界各国政界、学界及公众不断关注的热点。而由于气象数据具有局部性和离散性等特点,各领域的专业人士都在寻找填补离散样本间缺失数据的方法。经过大量的试验研究,空间插值方法成了首要选择。Phillips等[6]选择了反距离权重法和克里金插值法进行温度模拟,通过比较反距离权重法和克里金插值法的绝对误差和均方根误差,选择了最优插值方法;Ali Ghorbani等[7]借助均方根和SRMS标准,使用克里金地统计估计器和GIS接口对2009—2019年阿尔达比勒省气象数据进行空间插值,发现气温的空间变化大于降水的空间变化。刘峰民等[8]通过多种方法融合,对甘肃省平均降水量研究发现多元回归法是该地区插值研究效果较好的方法;杨艳昭等[9]在“一带一路”地区内基于GIS,通过对一系列气象站点的气温数据处理发现回归协同克里格插值方法精度最高;何等[10]将反距离权重法与克里格法应用于新疆日平均降水资料的空间插值分析中,发现这2种插值方法对于区域降水的空间分布分析各有利弊,克里格插值法较反距离权重法在总体分析中更优,而反距离权重法在局部地区分析中插值效果更为理想。

我国地势西高东低,呈现多级阶梯的特点,四川省位于青藏高原和中部平原过渡区,地跨青藏高原、横断山脉、云贵高原、秦巴山地、四川盆地等地貌单元,境内高原、山地、平原、河谷、丘陵、河流、湖泊交错,相对高差超过7 000 m,是世界上地形最复杂的区域之一[1]。不仅如此,在东亚季风的综合影响下,四川省的气候变化也比较复杂。笔者以四川省为研究区,通过对气象站点数据进行GIS空间插值,分析了1961—2021年四川省气温与降水的时空特征,认识并掌握了四川省气候变化的规律及特征,为人们科学规划、合理使用自然资源提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源该研究所使用的数据包括:①数字高程数据(DEM),采用ASTER GDEM提供的30 m分辨率数字高程数据,并利用ArcGIS软件将数据重分类成250 m×250 m分辨率。②气象资料,来源于中国气象数据网,包括1961—2020年四川省52个国际地面气象交换站的气温和降水资料。气象站点的空间位置如图1所示。

图1 四川省气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Sichuan Province

1.2 研究方法国际民航组织(ICAO)的资料显示,对流层干空气温度平均每升高100 m,温度大约降低0.98 ℃。如果空气中有水汽,由于水汽凝结时放热,则平均每升100 m,温度就降低约0.60 ℃[11]。因此根据四川省DEM高程模型数据(图2),结合四川省行政区划,将52个站点划分为四川盆地地区(雅安市、乐山市、成都市、绵阳市、自贡市、泸州市、德阳市、广元市、遂宁市、内江市、南充市、资阳市、宜宾市、达州市、广安市、巴中市、眉山市)、攀西山地地区(凉山彝族自治州、攀枝花市)和川西高原地区(阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州)进行分别讨论,如图2所示。

图2 四川省地貌分区Fig.2 Landform area divisions of Sichuan Province

1.2.1空间插值方法。空间数据插值方法很多,考虑多样性和代表性,该研究选择以下3种:2种归为确定性方法(IDW和Spline),1种归为地质统计法(OK)[12]。

(1)反距离权重法(IDW)。假定2个接近的采样点具有相似的属性,而其他采样点具有较少的相似属性。计算方法如下:

(1)

其中,λi是反距离权重,Z0是预测值,Zi是测量值。

(2)样条函数插值法(Spline)。Spline是基于插值区间被划分为小的子区间,每个子区间都用三阶多项式进行内插的原则。计算方法如下:

(2)

其中,a1、a2、a3为方程的系数,N为采样点的数量,λj为权重,R(γj)为用于修改插值结果的样条函数。

(3)普通克里金法(OK)。利用估计位置邻域中的数据估计一个区域中某一点的数值,而这个区域的变异图是已知的。计算公式如下:

(3)

其中,Z0是预测值,z(xi)是测量值,wi(x0)是反映样本与估计位置(x0)的结构“接近”程度的权重,z(x0)是采样点的数学期望值。

1.2.2交叉验证法。该研究采用交叉验证方法进行数据验证。将四川省52个气象站点分成项目子集和检查区子集(project和check)。check为插值数据,project为对插值结果的验证数据。对各插值模型结果进行分析,平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)越小,表明插值结果与真实值越接近,精度越高。MAE、RMSE的计算公式如下:

(4)

(5)

式中,n为数据检查区子集的站点数;Toi为第i个站点的气象站观测值,Tei为第i个站点插值模拟预测值。

通过计算相关系数(r)来比较插值模型的优劣性,r的绝对值为0～1。一般认为,当|r|越靠近1时,代表变量间的相关程度越大,也就是模型模拟得越准确;相反,当|r|靠近0时,则代表变量间的相关程度越小,即模型模拟的精度越低。r的计算公式如下:

(6)

2 四川省气温时空特征演变分析

2.1 插值方法选取将1961—2020年四川省52个气象站点分成2个数据子集,分别包含41个插值点和11个验证点。首先利用41个站点的逐年气温,计算得到年平均气温,再考虑垂直递减率的影响,将不同海拔的气温修正成海平面的气温,利用ArcGIS软件的插值分析工具,分别选择IDW、OK和Spline 3种方法对四川省1961—2020年的年平均气温数据进行插值。

表1为11个检验站点3种插值方法的MAE、RMSE和r的计算结果。对于该研究区而言,OK法的插值结果最好,其次是IDW法,Spline法的效果最差,因此选择OK法开展研究区内气温的插值分析。

表1 气温空间插值精度验证

2.2 插值结果分析由于插值结果所使用的气温数据是进行修正后的数据,因此需要将气温插值结果与DEM数据进行栅格计算,生成具有地形特征的气温数据,气温修正结果如图3～4所示。

图3 四川省不同年域年均气温修正结果Fig.3 Correction results of annual average temperature in different periods in Sichuan Province

从图4可以看出,四川省的气温空间分布大致呈现由东(南)向西北逐渐降低的趋势。东(南)地区为盆地,北部有秦岭的阻拦,冷空气无法到达,因此气温在15 ℃以上;西北地区多高原山地,海拔高差大,气候立体变化明显。中部山地部分地区的气温偏高,气温最高值超过30 ℃,眉山地区和沙鲁里山地区的气温由于地形原因呈现出偏低的特点。

图4 1961—2020年四川省年均气温修正结果Fig.4 Correction results of annual average temperature in Sichuan Province from 1961 to 2020

利用ArcGIS软件中的Zonal工具计算得出四川省各年代气温变化。如图5所示,1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2020年的年均气温分别为13.94、14.12、14.10、13.55、14.86和14.46 ℃。由此得出,20世纪60—80年代年均气温呈增长趋势但变化不明显,20世纪70年代的年均气温略高于80年代;20世纪90年代的气温则是60年年均气温最低值;2001—2010年气温明显上升,并且上升的速度更快;2011—2020年年均气温降低,但仍是近60年来年均气温第二高峰。从整体来说,近60年四川省年均气温呈上升趋势。

图5 1961—2020年四川省年平均气温变化Fig.5 Change of annual average temperature in Sichuan Province from 1961 to 2020

2.3 3类地貌区气温分布特征分析从图6和图7可以看出,3类地貌区气温在空间上差异较大。四川盆地地区中部变化比较稳定,边缘山地地区气温变化明显;攀西山地地区气温呈条带状分布;川西高原地区气温变化明显,且温差较大。3类地貌区的气温在时间上的变化与四川省整体基本一致,都呈现出上升趋势,川北高原地区的气温整体低于攀西山地和四川盆地地区。

图6 1961—2020年四川省3类地貌区年平均气温空间分布Fig.6 Spatial distribution of annual average temperature in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

图7 1961—2020年四川省3类地貌区年平均气温变化Fig.7 Change of annual average temperature in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

3 四川省降水时空特征演变分析

3.1 插值方法选取与气温插值方法选取一样,将1961—2020年四川省52个气象站点分成2个数据子集,分别包含41个插值点和11个验证点。首先利用41个站点的逐年降水数据,计算得到年平均降水,利用ArcGIS软件的插值分析工具,分别选择IDW、OK和Spline 3种方法对四川省近60年的降水量数据进行插值。

表2为11个检验站点3种插值方法的MAE、RMSE和r的计算结果。对于该研究区而言,IDW法的插值结果最好,其次是OK法,Spline法的效果最差,因此选择IDW法开展研究区内降水的插值分析。

表2 降水量空间插值精度验证

3.2 插值结果分析从图8可以看出,四川省降水量在空间上呈现由东向西逐渐减少的特点,并且降水量空间差异很大,年降水量最多的区域高达1 400 mm以上,而年降水量最少的区域却不足600 mm。四川盆地中北部降水量减少主要是因为该区域盆地地形下降,气流在进入时随之沉降所形成的下降气流,表现为局部高压,降水减少。川西高原地区的少雨气候是由于青藏高原边缘高大山体阻挡暖湿气流进入。而华西雨屏带作为四川盆地和青藏高原的过渡带,平均相对高差超过2 000 m,有的甚至达到5 000 m,受这一影响,暖湿气流到此后,在迎风坡发生了大量降水过程。

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

结合图9可以看出,60年间四川省的年降水量随时间没有明显规律,均是呈现从东向西降水逐渐减少的特点,并且华西雨屏带一直是四川省降水最丰富的地区,且降水还有所增长。

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

从图10可以看出,20世纪60年代、80年代和2011—2020年的降水量较多,而20世纪70年代、90年代和2001—2010年的降水量较少,四川省年降水量在840～940 mm,整体上的变化起伏不大。

图10 1961—2020年四川省年降水量变化Fig.10 Change of annual precipitation in Sichuan Province from 1961 to 2020

3.3 3类地貌区降水分布特征分析从图11和图12可以看出,四川省3类地貌区的降水在空间方面差异较大,其降水分布规律各不相同。四川盆地地区是四川省主要降水集中区,并呈现从两翼向中间减少的特点;攀西山地地区降水受横断山脉等地形的影响,呈现自东向西逐渐减少的特点;川西高原地区降水整体较少,呈现自东南向西北逐渐递减的特点,普遍降水低于1 000 mm。3类地貌区的降水在时间上没有明显规律。3类地貌区的降水在不同年份有所波动,但整体变化不大,始终是四川盆地>攀西山地>川西高原。

图11 1961—2020年四川省3类地貌区年降水量空间分布Fig.11 Spatial distribution of annual precipitation in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

图12 1961—2020年四川省3类地貌区年降水量变化Fig.12 Change of annual precipitation in three types of landform areas in Sichuan Province from 1961 to 2020

4 结论

该研究选用1961—2020年四川省52个气象站点的年值数据,基于GIS空间分析方法,开展了研究区气温、降水站点数据空间插值及时空演变特征分析。结论如下:

(1)基于GIS空间插值方法中的IDW法、OK法、Spline法对研究区内气温、降水站点数据进行空间插值,通过交叉验证法和相关系数对插值结果综合比较可知,IDW法较适用于降水数据的插值,OK法较适用于气温数据的插值。

(2)1961—2020年四川省气温由东南向西北逐渐降低,总体呈升高趋势;降水量由东向西逐渐减少,随时间波动较大。局部地区气候特点有所不同,四川省中部山地部分地区的气温较高,眉山地区和沙鲁里山地区的气温较低。20世纪90年代温度有所下降,20世纪90年代以来温度显著增加;华西雨屏带降水较多,20世纪60年代、80年代和2011—2020年的降水偏多,而20世纪70年代、90年代和2001—2010年的降水偏少。

(3)3类地貌区的气温和降水在空间上特点各不相同,在时间上气温呈现上升的趋势,降水变化规律不明显。气温方面,四川盆地地区中部地区变化较小,边缘山地地区气温变化明显;攀西山地地区气温呈条带状分布;川西高原地区气温变化明显;整体随时间变化呈现上升趋势。降水方面,四川盆地地区降水最丰富,呈现从两翼向中间减少的特点;攀西山地地区呈现自东向西逐渐减少的特点;川西高原地区降水整体较少,呈现自东南向西北逐渐递减的特点;随时间无明显变化规律,始终是四川盆地>攀西山地>川西高原。