基于RS和GIS的晴空下瞬时气温空间化方法研究

第一章前言

1.1研究目的及意义

通常，我们将单个气象观测站点附近1.5m-2m高度左右的大气温度作为近地表气温，但目前近地表气温资料的收集在观测的范围上受到很大限制，如观测站点的密度不是很高，尤其在广大人烟稀少的地区，气象观测站点密度就更加稀疏，甚至根本没有气象观测站点，即使是有气象观测站，然而在不同地形和不同景观的条件下，一个气象观测站点监测的数据能够代表的范围也有很大的区别，因此，想要精确地研究特定位置的气温水平空间分布状况及其内部结构特征等都具有一定的困难。随着GIS和计算机技术的不断发展，以及人们在研究工作中对空间高质量空间数据的要求，空间数据插值应用越来越广，受到人们的高度重视。但在各种插值方法中，并没有适宜任意插值对象的最佳插值方法，而且在有些地区，即使通过空间插值方法，也无法获得高精度的气温空间分布。遥感技术具有宏观性与同步性的优点，可以获得地表温度的空间分布，而且已有研究表明，地表温度与近地表气温之间具有高度的相关关系，但是其反演出的近地表气温精度较低。综合以上分析，需要寻求新的方法和途径来获取高空间与时间分辨率的近地表气温分布。

江苏省是全国人多地少的省份之一，但一直走在全国改革开放发展历程中的前列，选取该地区开展晴空下近地表瞬时气温空间化的研究，具有典型代表性和重要实践意义。这不仅有助于正确认识江苏省城市化发展进程中引发的整体和局地气候条件，而且有助于指导该区域今后的可持续发展，合理利用现有的气候资源，尤其是沿海滩涂资源，使种植业和养殖业有一个大的发展，获得最大的经济效益，减缓气温影响因子变化对城市环境的不良影响，使得城市化向人与自然更加和谐的方向发展，同时对于其它地区的健康发展也具有一定的借鉴作用。

1.2国内外研究现状及问题

1.2.1基于GIS的气温空间化研究

目前，国内外学者在考虑空间关联性的基础上，利用GIS传统空间分析技术，对气温分布的空间模式进行了较好地探测和分析。彭彬等结合DEM数据，利用江苏省67个气象台站2003年的逐日气温资料计算逐月平均气温和年平均气温，分别采用反距离权重法、张力样条插值法、普通克里格插值法和协同克里格插值法进行插值，并分析了四种方法的适用性。蔡福等釆用空间化气候值，利用年际距平空间插值法生成1951-2001中国年空间分辨率为10m的年、季平均气温空间化数据。宋艳华等利用空间统计分析方法对中国1950年-1999年50年的年平均和季平均气温格点数据进行空间自相关分析，发现中国气温分布存在明显的空间集聚现象。张丹等以浙江省及周边74个气象站1961-2000年常规气温观测资料为基础，利用月平均气温物理经验统计模型，完成了浙江省空间分辨率100m的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温空间分布的制图，分析了拟合气温的局地分布规律，并从多个角度对拟合结果进行了验证。金军等采用泰森多边形法、反距离加权法、梯度距离平方反比法、样条函数法、趋势面法、普通克里金法等六种空间插值方法对全国187个气象站49年的年平均气温和年平均降雨量进行空间插值研究。交叉验证结果表明，对于全国年平均气温插值，梯度距离平方反比法的插值精度优于其它5种插值方法。刘新安等利用国家气象局722个气象台站1971-2000年的气象资料，采用三维二次趋势面分析与空间插值相结合等方法。研究表明，空间化误差的时空分布与测点密度、气候要素本身特性等因素关于。

在考虑地形海拔等各种条件的基础上，国内学者也较好的研究了气温的空间分布。蔡迪花等采用甘肃河东及周边82个气象站点1971-2004年的月平均气温数据，提出了一种基于DEM的且无论是在精度还是插值效果上均优于其他传统插值方法的多元线性回归空间插值方法（。张海静等采用青海省50个气象站点30年气候整编资料，分别应用克里金插值法和统计分析软件建立最低气温与地形的多元线性回归模型、多维二次趋势面模型，对青海省无测站地区500m*500m栅格单元的1、4、7、10月最低气温值进行了推算，制作了青海省最低气温的栅格图，结果表明：1、4、10月份多元线性回归模法和多维次趋势面模型法要优于克里格插值法，而7月份应用克里格法插值效果较好。金志凤等选取浙江省72个气象站点1971-2008年的年平均气温作为数据源，比较了逆距离权重法、普通克里金、样条法和多元回归法等四种空间插值方法，结果表明多元回归法的误差均小于其他三种插值方法，插值效果最好，验证站点的年平均气温模拟最接近实际值。

第二章研究区和数据

本章主要介绍了研究区域概况及研究所用的数据。研究区域以江苏省为研究对象，由于气温空间化方法是通过ENVI与ArcGIS的集成来实现的，需要进行数据转换与处理，主要的数据包括：2021年5月1日和12月28日10点30分的气象站点数据以及同一时刻的卫星遥感数据。

2.1研究区概况

论文研究选择江苏省作为研究区，研究区自然地理背景与社会经济情况简介如下：

2.1.1自然地理背景

本文研究区江苏省，地处美丽富饶的长江三角洲，包含13个省辖市，下辖105个县（市、区），地理坐标范围为东经116°18'-121°57'、北纬30°45'-35°20'，面积约为10.26万m2。江苏省跨江滨海，地形以平原为主，地势低平，河湖众多，平原、水面所占比例之大，在全国居首位。江苏省是全国地势最低的一个省区，绝大部分地区在海50拔米以下，低山丘陵集中在北部和西南部，占全省总面积的14.3%。由于其东临黄海，深受海洋的影响，地处中讳度，腹地又受洪泽湖、太湖以及丘陵山地的影响，这使得江苏有着特有的季风性气候特征，淮河以北是温带季风性气候，夏天高温多雨，冬季寒冷干燥。淮河以南是亚热带季风性气候，夏天高温多雨，冬季低温少雨。

2.1.2社会经济概况

江苏作为中国经济发达地区之一，城市社会经济发展已取得了相当成就。特点是民营经济较为强悍，而且在接受外资（特别是新加坡、台湾两地）方面处于优势地位。南京及苏锡常是江苏省社会经济发展较发达地区，起着辖射源的作用，南京作为江苏省的政治、经济、文化中心，社会经济发展状况高跟榜首，均有相应的综合性大学作为科技支撑和动力。苏锡常亦是江苏的经济命脉，苏锡两地的IT业对于国内的IT产业产生着重要的地位！每天的税收收入都在亿元之上，为国家的经济建设发挥了重要的作用。苏州被誉为是改革幵放外商投资之典范城市，市内亦有中国新加坡工业园区和国家髙新区。近年来江苏城市社会经济发展不平衡性趋小，传统意义上的苏南、苏中、苏北地域划界业已模糊，传统说法上为苏中地区的扬州、镇江、南通，其社会经济发展与常州地区的差距正渐次縮小。同样，苏北、苏中地域差别也并非遥不可及，宿迁市作为一个新建城市，其发展仍具潜力。

2.2研究所用数据

考虑到研究的需求及数据的可获取性，本文选取采用的数据包括两部分，即2021年5月1日上午10点30分和12月28日10点30分的气象站点数据以及同一时刻的卫星遥感数据。数据介绍和相关预处理如下：

2.2.1气象站点数据

本文的气象站点数据来自于江苏省68个城市基本气象站，它提供了每隔十分钟的气温、相对湿度、气压、露点以及瞬时风速数据等。论文研究选择2021年5月1日和12月28日两个时间的气象站点数据，用于建模和分析模型的适用性。在ARCGIS中，根据站点经绵度位置，生成点状矢量图层，可将其与研究区行政区划矢量图和几何校正后的遥感影像进行叠加分析。其中在68个站点中，随机选取47个站点用于建模，预留21个站点数据用于模型结果检验，建模与检验站点的空间分布如图2.1所示。

第三章晴空下瞬时气温空间化方法..............13

3.1普通克里金插值方法........13

3.2温度植被指数（TVX）方法............15

3.3基于遥感的地表能量平衡模型方法.........16

第四章江苏省晴空下瞬时气温空间模拟结果分析..........20

4.1普通克里金插值方法.............20

4.1.1瞬时气温的描述性统计分析.............20

第五章晴空下瞬时气温空间模拟方法适用性对比分析..........36

5.1三种方法在江苏省不同时刻的适用性对比分析............36

第五章晴空下瞬时气温空间模拟方法适用性对比分析

本章利用江苏省2021年5月1日和12月28日上午10点30分的气象站点数据以及同一时刻的卫星遥感数据，比较了普通克里金插值方法，温度植被指数方法（TVX）和地表能量平衡模型用于瞬时气温反演的精度，讨论和分析了这三种方法的适用性和可移植性。

5.1三种方法在江苏省不同时刻的适用性对比分析

5.1.1 5月1日不同气温空间分布模拟方法的结果对比

利用21个验证站点的实测气温，比较普通克里金插值方法、温度植被指数方法和地表能量平衡模型用于江苏省5月1日上午10点30分的气温空间分布模拟的精度，结果见表5.1。

从表5.1中可以看出，普通克里金插值方法的平均绝对误差和均方根误差分别为0.47摄氏度和0.62摄氏度，均为三种方法中的最小值。普通克里金插值方法最小的原因是由于研究区域较小，气象站点分布均匀，而且站点高度差异不明显，而在地形起伏比较大的地区，其精度会发生明显的下降。温度植被指数方法只利用了地表温度和植被指数，输入参数较少，而且假定饱和植被冠层温度等于气温，其反演的精度相对较低，MAE和EMAE分别为2.49摄氏度和3.32摄氏度。

第六章结论与展望

近地表瞬时气温是空气在1.5m-2m高度附近的某一时刻温度，是许多陆面过程模型中十分重要的输入参数之一，如模式中感热通量和潜热通量的计算，这是均值气温和最值气温所不能替代的。了解气温的高低以及时空分布状况，无疑对气候区划和生产结构的合理安排是有意义的。江苏是全国人多地少的省份之一，怎样合理利用现有的气候资源，来获取最大的经济效益，就要求我们不但要比较和分析不同的空间模拟方法的精度，还要分析各种气温空间模拟方法的适用性。本文利用遥感数据，在GIS技术的支持下，采用了三种空间模拟方法，获取江苏省晴空下近地表瞬时气温，并进行了精度比较和适用性分析。

6.1结论

本文利用2021年5月1日上午的江苏省气象站点气温数据，结合MODIS地表温度产品和地表反射率产品等，基于RS和GIS技术，通过普通克里金插值方法、温度植被指数方法和地表能量平衡模型反演近地表气温，并进行气温空间分布模拟精度的比较研究。最后结合2021年12月28日上午10点30分的各项数据，对三种模型的适用性进行了比较分析。结果如下：

（1）利用建模时刻，即2021年5月1日上午10点30分的数据验证结果表明：①在普通克里金插值方法中，描述性统计分析得出此时研究区的近地表气温属于弱变异性。根据决定系数最大和残差最小的原则，最后确定的拟合模型为球状模型，块金系数为25.1%，近地表瞬时气温在一定的范围内存在中等的空间相关性。最后根据精度验证方法的两种检验指标，对模拟的结果进行验证，结果显示，平均绝对误差和均方根误差分别为0.47°C和0.62°C。

（2）通过对2021年5月1日和12月28日两个时刻的数据验证结果对比可得，地表能量平衡模型的精度变化最小，MAE和RMAE只相差0.19°C和0.20摄氏度。本文在此基础上，讨论了这三种方法在不同的数据来源和下塾面状况下具有的不同的适用性，普通克里金插值方法需要利用气象站点的实测数据，对气象站点的数量和分布都有很大的依赖性，TVX方法则可以在没有或只有少量气象观测站点的地区使用，若研究区内气象站点较少或没有，且研究区植被覆盖程度较低时，则可考虑地表能量平衡模型用于气温的反演，模型物理意义清晰明显，具有较好的移植性与普适性。

6.2论文特色与创新

（1）论文重点围绕瞬时近地表气温的空间化方法幵展研究，类似研究幵展的相对较少。前人的研究方法在时间尺度上主要是进行日、月、年的气温均值或最值的获取而关于瞬时气温空间分布模拟的研究则很少。

（2）本文在发展近地表瞬时气温水平空间分布的遥感定量反演模型的基础上，将物理意义明显的地表能量平衡模型应用于瞬时气温的反演中，并探讨了它的适用性和可移植性，可以为以后的研究提供一定的参考。

参考文献（略）