郭曉芳, 李旭東, 程東亞

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

氣溫、降水是氣候的兩個關(guān)鍵因子，對生產(chǎn)活動、農(nóng)業(yè)開發(fā)、資源利用具有重要影響。隨著全球氣候變暖，極端天氣頻繁，氣溫與降水變化受到政府和學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究氣溫與降水空間變化特征，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理、社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考，也可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

國內(nèi)外學(xué)者基于不同尺度闡述各地區(qū)氣溫與降水特征、趨勢、格局。如K.Goubanova等[1]對地中海地區(qū)氣溫與降水的研究;Ye Yang等[2]對東亞季風(fēng)區(qū)異常大尺度大氣環(huán)流模式與溫度和降水異常關(guān)系的研究;Jing Zheng等[3]對中國氣候帶溫度和降水極端值的時空趨勢研究;王懷軍等[4]對淮河流域極端氣溫和降水時空變化特征的研究;張萬誠等[5]對云南極端氣溫的研究;蔣友嚴(yán)等[6]對甘肅氣溫的研究。綜合來看，國內(nèi)外研究對氣溫與降水的研究，主要探究其空間分布特征、氣象災(zāi)害異常、大氣環(huán)流等方面?？臻g插值方法研究上，何鵬等[7]通過反距離權(quán)重法、普通克里金法對四川省多年平均氣溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值方法研究;閆星光等[8]以貴州豐水期月均降雨量為基礎(chǔ)，分析了地形因素和氣象因素與降水的相關(guān)性，并對克里金插值、徑向函數(shù)插值、局部多項(xiàng)式插值等方法進(jìn)行了對比;徐翔等[9]利用反距離權(quán)重法、普通克里金法、薄板光順樣條插值等方法對康滇區(qū)復(fù)雜山地環(huán)境下氣候要素的空間插值方法比較研究。綜合以往研究來看，目前的文獻(xiàn)很好地揭示了不同地區(qū)氣溫或降水變化特征，可為區(qū)域資源利用提供一定的參考。

云貴高原是重要的山區(qū)高原，其地理環(huán)境復(fù)雜，氣溫與降水變化特殊，但目前較少有學(xué)者對其整體氣溫與降水特征進(jìn)行研究。因此，本文基于1981—2010年云貴高原多年氣溫、降水平均數(shù)據(jù)，采用多種方法探究其空間分布特征，并進(jìn)一步探究影響因素。期望研究結(jié)果可為云貴高原地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供指導(dǎo)，為相關(guān)研究提供有益的借鑒。

1 研究區(qū)概況

云貴高原是中國四大高原之一，位于中國西南部，主體包括云南省和貴州省，故本文的邊界采用云南和貴州的行政區(qū)邊界，其中剔除部分飛地，如貴州天柱縣的部分飛地(圖1)，區(qū)域總面積約57萬km2。該區(qū)域總體屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，部分地區(qū)與高原氣候區(qū)相似。云貴高原是眾多大江大河的流經(jīng)地，如瀾滄江—湄公河、金沙江、怒江等均流經(jīng)于此處。云貴高原山地較多，西北部為橫斷山區(qū)，毗鄰青藏高原，中部為烏蒙山區(qū)，中南部為哀牢山、無量山。區(qū)域內(nèi)最高海拔6 456 m，最低海拔76 m，海拔相對高差大，同時也是世界上喀斯特地貌發(fā)育最典型地區(qū)之一。其山地眾多，導(dǎo)致地理環(huán)境差異顯著，氣溫與降水變化獨(dú)特。

圖1 云貴高原氣象站點(diǎn)及地形特征分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)(https:∥data.cma.cn)，DEM數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，DEM數(shù)據(jù)分辨率為90 m，氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)為1981—2010年多年平均氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下載完成后，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配與異常值剔除，最終選取180個氣象站點(diǎn)作為本文研究對象，其中貴州境內(nèi)76個，云南境內(nèi)104個。參考以往研究[10]，需選取一部分站點(diǎn)作為檢驗(yàn)站點(diǎn)。本文共選取了10個氣象檢驗(yàn)站點(diǎn)，分布于云貴高原不同的位置，其占比約為5.56%。

2.2 研究方法

(1) 克里金插值。該方法利用半導(dǎo)函數(shù)計算系數(shù)，得到最優(yōu)估計值，優(yōu)勢在于考慮樣本空間隨機(jī)特征[11-12]。有普通克里金(OK)和泛克里金(KED)兩種方法，公式分別為[11-12]

(1)

(2)

式中:P0為待估計值;wi為點(diǎn)i的已知值;pi為點(diǎn)i的權(quán)重;n為用于估算氣象站點(diǎn)數(shù)量。p(xi)為以r為半徑的領(lǐng)域內(nèi)在觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)xi處的觀測壓力值;λ為權(quán)重系數(shù);P(x0)表示無偏最佳估計值。

(2) 反距離權(quán)重法(IDW)。反距離權(quán)重是對已知點(diǎn)與待估點(diǎn)距離進(jìn)行加權(quán)平均的值，原理是兩點(diǎn)距離越大，差異越大，呈正相關(guān)[12-13]。公式見式(3):

(3)

式中:di為待估點(diǎn)到i點(diǎn)距離。p為指數(shù),一般是2。

(3) 趨勢面法(TREND)。趨勢面法是在多項(xiàng)式回歸分析后，得到適合地理要素空間分布規(guī)律，在曲面平滑程度的基礎(chǔ)上，計算待估點(diǎn)的屬性值[14]。公式見式(4):

(4)

式中:z(x,y)表示氣象站點(diǎn)估計值;n0為多項(xiàng)式階數(shù);ω為隨機(jī)誤差;ak為觀測點(diǎn)系數(shù);x,y為平面直角坐標(biāo)值。

(4) 樣條函數(shù)法(SPLINE)。樣條函數(shù)是利用多項(xiàng)式模擬樣本點(diǎn)產(chǎn)生平滑插值，優(yōu)勢能較好體現(xiàn)局部地區(qū)的真實(shí)性[14]。公式如下:

(5)

式中:Z是估計值;n表示樣本數(shù)量;β表線性方程系數(shù);di為待估點(diǎn)到i點(diǎn)距離;x,y表示平面直角坐標(biāo)值。

(5) 地理加權(quán)回歸。地理加權(quán)回歸模型中的參數(shù)是表示區(qū)域地理位置的函數(shù)，其主要優(yōu)勢為能夠?qū)⒖臻g權(quán)重矩陣運(yùn)用在線性回歸模型之中，并很好地展現(xiàn)結(jié)果的空間結(jié)構(gòu)分異[15-16]。公式為:

(6)

式中:βj(ui,vi)表示第i個區(qū)域上的第j個回歸參數(shù);xij為第i個樣本點(diǎn)的第m個解釋變量;ωi為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫空間分布特征

云貴高原氣溫總體分布南高北低，西北部(橫斷山)和中部(烏蒙山)氣溫較低，局部地區(qū)垂直下降明顯(圖2)。通過5種空間插值分析，云貴高原西北、烏蒙山區(qū)平均氣溫多低于14℃，受橫斷山、烏蒙山地形影響，氣溫隨著海拔的升高而降低。OK與KED在南部(北回歸線以南)平均氣溫在18℃以上，OK在開陽附近出現(xiàn)氣溫低值區(qū)，南部氣溫高主要是緯度低、太陽直射時間長影響。IDW和SPLINE插值結(jié)果表明，低溫與高溫中心并存，小范圍點(diǎn)狀分布。SPLINE氣溫在高原中部由永仁到勐海狹長延伸地帶，及云貴高原外圍邊緣(如隴山、馬光、富寧，貴州南部荔波—從江一帶)，均呈現(xiàn)氣溫高值區(qū)，而騰沖、洱源、牟定及貴州中部，出現(xiàn)氣溫低值區(qū)?？赡苁且韵略?氣溫在局部受水域環(huán)境影響，如洱海、滇池、撫仙湖等氣溫略低。瀾滄江、金沙江等河谷地帶，氣候狹管效應(yīng)明顯，相對干熱，氣溫明顯高于周邊。TREND反映平均氣溫由南向北帶狀遞減，體現(xiàn)溫度隨著緯度增加而降低。總體上看，高原南部區(qū)域氣溫均在18℃以上，即江城—思茅—瀾滄，處于北回歸線以南，氣溫高。

圖2 云貴高原氣溫空間插值分布

3.2 降水空間分布特征

云貴高原降水高低值中心分布不均，其南部、東部是降水的高值中心，中部主要是低值中心(圖3)。OK，KED和IDW，SPLINE降水低值區(qū)在云貴高原中部，OK和IDW在橫斷山東部出現(xiàn)降水低值區(qū)。IDW多次出現(xiàn)高低值降水中心，如貢山、龍陵、西盟等小范圍低值中心。TREND降水量由南向北減少，大部分地區(qū)降水在1 200 mm以下，尤其蘭坪—華平，彝良及仁懷—務(wù)川以北地區(qū)，降水在1 000 mm以下。SPLINE降水分布連續(xù)性變?nèi)?，云貴高原西部(貢山—騰沖—鎮(zhèn)康)出現(xiàn)降水高值，中部大范圍是降水低值中心，在華坪、武定出現(xiàn)高于周圍低值區(qū)降水。云貴高原該降水分布特征可能是以下原因?qū)е?(1) 哀牢山、無量山對南部季風(fēng)抬升阻礙，南部降水豐富;(2) 北回線附近，緯度低，植物蒸騰大;(3) 昆明準(zhǔn)靜止鋒對降水產(chǎn)生一定程度影響;(4) 地形復(fù)雜，易形成地區(qū)小氣候。云貴高原中部以烏蒙山向貴州東部偏南降水逐漸減少，降水變化較緩慢。貴州降水值整體偏低，云南除南部，西部邊緣地區(qū)出現(xiàn)降水高值，中部大范圍處于降水低值區(qū)，降水變化大。

圖3 云貴高原降水空間插值分布

3.3 插值精度對比分析

本文選取云貴高原10個氣象站點(diǎn)作空間插值檢驗(yàn)，氣溫與降水的插值精度，均采用絕對值平均百分誤差比較(圖4)，其降水是SPLINE>TREND>OK>KED>IDW，氣溫是SPLINE>TREND>IDW>KED>OK。降水SPLINE與IDW兩者之間的平均誤差總體較大，氣溫除SPLINE，TREND外，插值百分精度差距不明顯。降水、氣溫最小平均誤差值分別為13.04%，3.85%；最大值分別為18.91%，8.15%?？傮w上，氣溫OK，降水IDW插值精度高，效果好；相反氣溫、降水SPLINE插值誤差最大，對氣溫與降水空間分布存在局限。這可能受空間插值模型影響，氣象站點(diǎn)密度、海拔、區(qū)域分區(qū)擬合等綜合因素作用導(dǎo)致。故下文探究地形對氣溫、降水的影響。

圖4 云貴高原氣溫降水空間插值平均百分誤差

3.4 氣溫降水空間分布影響因素

3.4.1 氣溫、降水與影響因素相關(guān)分析 云貴高原氣溫及降水與經(jīng)度、緯度、海拔影響因素相關(guān)分析為負(fù)相關(guān)(表1)。氣溫與經(jīng)度、緯度、海拔的Pearson相關(guān)性分別為-0.161，-0.514，-0.565；降水與其相關(guān)性分別為-0.023，-0.272，-0.284。云貴高原氣溫與緯度、海拔極顯著相關(guān)，說明氣溫受緯度、海拔影響。降水與緯度、海拔也達(dá)到極顯著相關(guān)，說明云貴高原降水受海陸位置影響。經(jīng)度與降水、氣溫相關(guān)不顯著。

表1 云貴高原氣溫及降水影響因素相關(guān)分析

3.4.2 氣溫降水線性回歸分析 云貴高原氣溫、降水與緯度、經(jīng)度、海拔關(guān)系回歸方程表達(dá)式來看，其除經(jīng)度對降水的影響系數(shù)外均小于0，常數(shù)值偏大，云貴高原降水量與經(jīng)度、緯度、海拔的常數(shù)分別為913.276，2 398.216，1 312.592，降水區(qū)域差異大。R2數(shù)值在0～1之間，為正相關(guān)；調(diào)整R2是對模型中變量數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償效果，因此調(diào)整R2值小于R2值。氣溫、降水與經(jīng)度、緯度、海拔R2最大值0.320，最小值0.001，擬合結(jié)果效果較好(表2)。

表2 云貴高原年均氣溫及降水線性回歸方程

3.4.3 氣溫與降水空間分布影響因素 云貴高原氣溫、降水地理加權(quán)回歸參數(shù)(表3)，用緯度、經(jīng)度、海拔3個影響因素對氣溫降水影響。其中，Bandwidth是控制模型平滑程度，影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果最佳值，云貴高原氣溫降水Bandwidth均為132 481.62；Residual Squares是模型殘差平方和、Sigma是殘差估計標(biāo)準(zhǔn)差，均數(shù)值越小越好，表明指標(biāo)選取科學(xué)。Effective Number是模擬衡量值，均為32.40；AICc表示模型簡潔性和精確性，年均氣溫、降水AICc分別為340.40，2 451.08。R2數(shù)值在0～1，值是正相關(guān)。R2Adjusted是對模型中變量數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償效果，因此校正R2小于R2，高原氣溫、降水R2，R2Adjusted分別0.95，0.55，0.93，0.46，擬合結(jié)果基本滿足需要。

表3 地理加權(quán)回歸參數(shù)檢驗(yàn)

海拔對云貴高原氣溫影響系數(shù)小于0，呈負(fù)相關(guān)。在空間分布上，高原中部以烏蒙山為界線，海拔對氣溫影響在貴州和云南差異明顯，云南海拔對氣溫的影響高于貴州。隨海拔升高，氣溫呈現(xiàn)下降趨勢。海拔每上升1 000 m，氣溫下降范圍在6.2～3.3℃。隨海拔每升高1 000 m，高原西部云南地區(qū)海拔對氣溫影響系數(shù)相對較高，達(dá)到6℃以上，滇西南海拔對氣溫影響最小，氣溫下降約3.3℃。海拔對云貴高原降水影響系數(shù)均有正負(fù)，空間影響分布趨勢不一致。高原南部海拔對降水影響系數(shù)為0.39，海拔每上升1 000 m，降水量增加390 mm。另外，在烏蒙山區(qū)海拔對降水的影響相對強(qiáng)烈，為負(fù)影響區(qū)。反之，在橫斷山高海拔區(qū)，降水減少620 mm。

圖5 云貴高原海拔對氣溫、降水空間影響分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

云貴高原氣溫與降水空間分布是多因素綜合的結(jié)果。高原東部貴州地區(qū)海拔對氣溫影響整體偏小，氣溫變化處于最高和最低之間，氣溫變化幅度不顯著，而黔西南、東南氣溫變化相對較大。由于高原云南西部屬于橫斷山區(qū)延伸地帶，地形起伏大。貴州較云南地形起伏較小，而下墊面黔西南石漠化分布廣，黔東南、西南森林資源豐富，對氣溫有調(diào)節(jié)作用。隨海拔升高，地形阻擋條件下，一定程度上會增加降水。當(dāng)海拔上升到一定高度，空氣中水汽稀少，導(dǎo)致降水少。云南南部降水可能受海陸位置影響，距印度洋、太平洋近，加上海拔升高阻擋，海拔對降水影響大。高原東部貴州區(qū)域，受烏蒙山阻擋，位于東南季風(fēng)迎風(fēng)坡，降水豐富。但隨著海拔越高，到山脈頂部降水減少。高原西部偏北部是橫斷山脈，隨著山脈海拔高，降水減少。橫斷山區(qū)、烏蒙山對來自印度洋、太平洋水汽阻礙抬升。云貴高原冬季由于昆明準(zhǔn)靜止鋒影響，持續(xù)時間長，在貴州一側(cè)會形成降水，另一側(cè)則降水少。另外，本文測度海拔對氣溫降水的影響中，經(jīng)度影響并不明顯，無法進(jìn)行地理加權(quán)回歸。而海拔對氣溫與降水的影響空間趨勢并不完全一致。海拔對氣溫影響最為強(qiáng)烈的地區(qū)位于瀾滄江—湄公河河谷兩側(cè)，這可能是區(qū)域峽谷地形的影響。海拔對降水的影響中，烏蒙山和云南橫斷山為負(fù)效應(yīng)，可能是區(qū)域海拔較高，水汽無法深入導(dǎo)致。與此同時，這些地區(qū)也在一定程度上屬于山地的背風(fēng)坡，水汽較少，氣候相對干熱。利用多種插值方法測度云貴高原氣溫與降水空間分布特征，可為區(qū)域資源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。但云貴高原是山區(qū)，本文雖然采用多種方法探究，但也具有一定的局限性。

4.2 結(jié) 論

(1) 云貴高原氣溫空間分布總體南高北低，烏蒙山和云南西北部的橫斷山區(qū)氣溫相對較低。云貴高原氣溫分布總體隨緯度增加而遞減，西北部、中部氣溫較低。總體上南部(大致位于北回歸線以南)平均氣溫在18℃以上，西北、東北部平均氣溫低于14℃，氣溫差異顯著。

(2) 云貴高原降水空間分布總體在云南南部較多，云南東北和貴州西北降水相對較少，降水在局部地區(qū)受地形影響明顯。云貴高原降水量在空間上由中部向外圍逐漸增加，其中南部、東部降水豐富，中部相對偏少。

(3) 云貴高原氣溫與降水分布的各種插值平均百分比誤差中，誤差依次為SPLINE>TREND>OK>KED>IDW(降水)，SPLINE>TREND>IDW>KED>OK(氣溫)；氣溫OK，降水IDW插值精度高，效果好；相反氣溫、降水SPLINE插值誤差最大，氣溫除SPLINE，TREND外，插值百分誤差差距不明顯。

(4) 云貴高原海拔每上升1 000 m，氣溫下降范圍在6.2～3.3℃，哀牢山(無量山)-橫斷山沿線海拔對氣溫的影響程度較高，但海拔對降水的影響相對復(fù)雜。海拔對云貴高原降水影響系數(shù)均有正負(fù)，其影響系數(shù)范圍在-0.62～0.39，空間影響分布趨勢不一致。