中国陆地生态信息空间化技术研究(Ⅲ)——温度、降水等气候要素

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,在ArcGIS平台上对气温、降水、空气湿度等气候要素进行空间化,生成国家尺度的1km×1km栅格各种要素气候图180多幅。经检验,平均绝对误差,平均气温和平均最高、最低气温为0.5℃左右,极端最高气温为1℃左右,极端最低气温为1.5℃左右,平均风速为0.4m·min-1;而平均相对误差,≥0℃、5℃、10℃、15℃的积温和平均相对湿度多在5%以下,降水量和饱和差在10%左右;其空间化的精度基本上达到了实用要求。为生态学、地学、资源与环境等学科的发展提供了重要的基础数据与研究平台。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有关。一般规律是:西部地区大于东部地区,冬季大于夏季,离散的气候要素大于连续的气候要素,极端值大于平均值。     

中国陆地多年平均积温空间化研究

将海拔高度等反映区域特性的因子作为变量引入GIS空间化模型是提高气象数据估算精度的重要途径。根据聚类的思想,将研究区域进行聚类分区,使分区内积温分布特征一致性趋强。然后利用统计方法寻找各分区年积温随海拔变化的规律,以获得较高精度的估算结果。论文提出的基于分区DEM修正反距离空间化方法,与常用的空间化方法如克里格法、反距离平方法相比,解决了积温空间分布复杂性的问题,并一定程度上考虑了气象站点空间分布的稀疏性、不均匀性以及受海拔和区域差异等因素对积温分布的影响,具有较高的估算精度,适合于较大范围的年积温空间化。另外,由于气象台站分布在相对较低的区域,高海拔区域积温估算精度很低,利用此方法解决了高海拔区域积温估算的精度问题。     

1961～2015年贵州高原≥10℃积温时空变化特征

为揭示贵州高原≥10℃积温精细动态变化,以81个气象站点1961～2015年气温资料及地理信息数据为数据源,采用积温倾向率、累计距平、滑动T检验、小波分析、多元回归分析等统计方法,分析≥10℃的积温整体变化及周期变化,模拟各年代积温带空间变化。结果表明:(1) 1961～2015年≥10℃积温平均值为5 147. 22℃,1997年前后发生由冷到暖的突变,积温变化主周期约为3～5年,8年;(2) 1961～2015年、1961～1996年、1997～2015年≥10℃积温倾向率均值分别为49. 5℃/10a、-28. 1℃/10a、123. 5℃/10a,1961～1996年表现为降温趋势,1997～2015年表现为升温趋势,三个时间段积温倾向率均未通过显著性检验;(3)多元回归拟合≥10℃积温年代际空间分布,复相关系数均高于0. 92,积温空间分布呈现由西向东、由北向南升高的趋势;(4)不同年代际间积温带动态变化差异较大,1980s后约有60%以上区域表现为积温带Ⅱ升为积温带Ⅲ,积温带Ⅲ升为Ⅳ,1990s后降温区域消失。积温资源的增加对受高原气候限制的贵州高原有重要影响,对调整农业气候区划,确定作物种植区域以及最优化利用热量资源更具有针对性。     

气候变暖对西北干旱区农业气候资源的影响

在气候变暖背景下,西北干旱区气候资源变化如何影响农业是该区农业应对气候变化研究的前提与基础。论文根据西北干旱区1961—2007年77个气象站点均一化气温数据和日照时数数据,采用5 d滑动平均和线性倾向估计方法,分析了各农业气候指标的时间变化特征与区域差异。研究表明,霜冻日、暖日、生长期、无霜期、≥0℃与≥10℃活动积温的变化趋势显著且区域特色鲜明。暖日、生长期、无霜期变化呈显著上升趋势,其多年平均值空间分布主要表现为"南高北低"的特征,而霜冻日则相反;≥0℃、≥10℃的活动积温亦呈明显增加趋势(增长率分别为80℃.d/10 a、77℃.d/10 a),且可分为6个空间差异显著的活动积温特征区域。农业气候资源变化对西北干旱区农业生产影响利弊各兼。一方面,干旱区热量资源得以改善,作物生育期延长,天然植被气候生产力显著增加[增长率为15.6g/(m2.10 a)];另一方面,干旱区热害与冷害等极端气温事件增加,光照资源显著减少,水资源严重缺乏和分布不均,这造成了农业生产的不稳定性增加。     

基于GIS的三峡库区生态环境综合评价Ⅱ.气候评价

基于三峡库区及周边地区1973-2002年34个气象站点的基本气象数据,计算出各气象站的多年平均气温、大于10℃积温、干燥度、年降水量和年降水变率等。对这些气候指标利用“回归分析+残差修正”的方法进行插值,生成100m×100m的栅格数据,然后利用层次分析法(AHP)建立三峡库区的气候综合评价模型,对三峡库区气候进行综合评价,共分为8个等级。结果表明:三峡库区水热资源丰富,年均温主要在12～19.12℃之间,大于10℃积温平均为4794.56℃,干燥度小于1,年降水量主要在1100～1500mm之间,年降水变率较小,主要在10%～15%之间。气候综合评价等级平均为5.3级,西南部、中部地区气候条件较东部地区好。东部地区气候评价等级最低,小于5级。中部地区气候南北差异较大,河流北岸气候等级在5级以上,气候条件较好;河流南岸相对较差,等级在4～6级之间。西南部地区气候条件最好,评价等级都在6级以上。     

基于格点数据的中国1961—2016年≥5 ℃、≥10 ℃有效积温时空演变

为了解气候变暖对农作物种植区域的影响,基于5日滑动平均、累积距平、MK检验、多元回归插值方法,选用格点数据对中国农业热量资源进行分析。结果表明：（1）≥5 ℃、≥10 ℃有效积温整体呈上升趋势,且≥5 ℃整体升幅更为显著,两者升幅均表现为南方地区最大,北方次之,青藏高原最小,秦巴山区积温呈现下降现象。（2）在空间分布上,≥5 ℃、≥10 ℃有效积温整体表现出自南向北随纬度更替变化的地带性分布和自东向西随海拔变化的阶梯状分布,东、中部地区受纬度影响明显,西部地区受海拔影响强于纬度。适宜喜凉作物种植的区域远大于喜温作物的适宜种植面积。（3）≥5 ℃、≥10 ℃有效积温均在1997年发生突变,突变后≥5 ℃、≥10 ℃各积温带界线呈现向北、向高海拔移动的趋势,积温整体升高。南方地区≥5 ℃、≥10 ℃积温增幅整体大于北方,青藏高原及高山山区增幅最小,秦岭地区积温增幅为负。（4）≥5 ℃、≥10 ℃有效积温初始日（结束日）整体呈提前（推迟）现象,且多数格点提前（推迟）日数在0~10 d以内,持续时间在突变后整体延长。青藏高原≥5 ℃、≥10 ℃积温初始日（结束日）提前（推迟）天数最大。     

农业气候资源变化对双季稻生产的可能影响分析

基于长江中游地区50 个气象台站自1960 年以来的历年地面气象观测资料,分1960-2009 及1960-1984、1985-2009 年3 个不同时间段,分温度生长期、早稻生长期、晚稻生长期分别分析了热量、光照、降水等农业的变化特征,并讨论对双季稻生产的可能影响。1960-2009年,该地区温度生长期平均气温、平均日最低气温、平均日最高气温的平均增速分别为0.08 ℃/10 a、0.09 ℃/10 a、0.07 ℃/10 a,≥10 ℃活动积温的平均增速为66.3 ℃/10 a,日照时数的平均减速为31.7 h/10 a,降水量的平均增速为3.7 mm/10 a。表现为温度上升、积温增加、温度生长期延长、日照时数减少、降水量微弱增加的变化特征。温度升高、积温增加可能导致发育速度加快、生育期缩短、病虫害加重,日照时数减少可能影响叶片光合及产量。早稻生长期的平均气温、≥10 ℃活动积温的增速分别为0.20 ℃/10 a、48.9 ℃/10 a,晚稻生长期分别为0.09 ℃/10 a、14.6 ℃/10 a,早稻和晚稻生长期间日照时数的下降速率分别为18.6 h/10 a、42.7 h/10 a,降水量的增加速率分别为1.9 mm/10 a、8.7 mm/10 a,表现为升温速率早稻大于晚稻,日照时数下降速率晚稻大于早稻,降水量增加速率晚稻大于早稻。早稻期间升温和积温增加明显可能有利于早稻提前播种、选用生育期稍长的品种、提高产量潜力和产量,晚稻期间升温不明显且日照时数下降则可能不利于群体光合和产量形成,影响其产量潜力和产量。区域中的江汉平原、洞庭湖平原等基础条件好的地区,其热量、日照、降水同步增加,其他地区则表现为热量、降水增加,但日照时数下降,要充分发挥其基础条件好与气候资源丰富且同步增加等优势,发展高效规模化生产,增强稻谷生产能力。     

地理气候及湖盆形态对我国湖泊营养状态的影响

利用SPSS统计分析软件的相关性分析和曲线估计功能分析了我国145个湖泊富营养化指标与自然因素之间的关系.富营养化指标包括2008—2010年现场监测的总氮、总磷、高锰酸盐指数、透明度、叶绿素a(Chla)和营养状态综合指数(TLI),自然因素包括:2个湖盆形态指标(平均水深和面积)、3个湖泊地理位置指标(经度、纬度和海拔)和3个气候指标(年均温、年平均降水量和>0℃积温).相关性分析的结果表明,TLI指数与湖泊平均水深和海拔呈显著负相关(p<0.01),而与湖泊所在经度、>0℃积温呈显著正相关(p<0.01,p<0.05).Chla与湖泊平均水深呈显著负相关(p<0.05),与年均温和>0℃积温呈显著正相关(p<0.05).曲线估计的分析结果表明,TLI与湖泊平均水深和经度呈幂函数关系,与海拔和>0℃积温呈指数函数关系.研究结果还表明,贫营养湖泊位于高海拔(>1000m)和低经度(<105°)地区,并且湖泊的平均水深大于30m.年平均降水量低于1000mm,>0℃积温低于5400℃.     

基于GIS的北京市机动车污染数据库的开发和应用

利用 GIS技术建立机动车污染数据库 ,能动态、直观地反映机动车污染的时空分布规律 ,为机动车污染控制研究提供强有力的工具 .本研究以 ArcView为主要的 GIS开发工具 ,通过属性数据和空间数据的链接 ,实现了北京市机动车污染数据库的地图化表现、动态查询、基本空间分析等功能 ,从而为机动车污染数据库提供了技术支持 .利用该系统 ,可以对北京市机动车污染物的排放、浓度和分担率的空间分布规律进行 GIS实例分析 .     

20世纪90年代以来上海地区热量资源变化研究

全球气候变暖引起上海地区热量资源的变化。为了摸清20世纪90年代以来上海地区热量资源变化规律,论文根据1991至2003年上海地区11个站年气温、地温资料,在与前30年(1961至1990年)平均比较的基础上,统计分析1991年以来气温、地温、积温、界限温度及无霜期等体现热量资源特征气候值的变化情况,结果表明:1991至2003年,上海地区气温年平均升高0.9℃,5cm深度地温年平均升高0.5℃,≥3℃有效积温年平均升高219℃.d,≥10℃有效积温年平均升高77℃.d,稳定通过0℃、10℃持续期平均延长12.5d和5.7d及无霜期平均延长9.4d,热量资源增加。     

典型农林害虫分布与气候要素的关系

采用国家气象信息中心1971—2000年气候标准值年值数据集,运用Arc GIS 9.2软件和相关分析方法,初步分析了我国70种地理分布相对狭窄的典型农林害虫的分布格局与气候要素的关系.结果表明:在70种害虫中,有33种分布极狭窄,其他37种中有22种呈地域连续分布、15种呈间断分布.多数害虫适宜分布在多年平均气温10～20℃、年降水量400～1 600 mm、多年平均相对湿度60%～80%、年日照时数1 500～2 000 h范围.多数害虫适应多年平均气温变化幅度在20℃以下,适应极端气温变化幅度较宽;多数害虫适应年降水量变化幅度较大,适应多年平均相对湿度变化幅度较小;多数害虫适应年日照时数变化幅度较大.70种害虫丰富度与多年平均气温、多年平均最高和最低气温及极端最低气温相关性显著(P<0.05),丰富度随各气候要素总体上呈抛物线变化趋势.这表明70种分布相对狭窄的典型农林害虫地理分布格局与气候要素间存在一定的相关性,但影响不同害虫分布的气候因子不同.      

基于Landsat 8 OLI数据的树种类型分布提取

树种分布是林业调查工作中的关键环节,遥感影像中对树种信息的提取具有重要意义。论文以福建省长汀县为研究区,收集2016年3月美国陆地卫星影像(Landsat 8 OLI)数据,提出基于知识库的图像膨胀分类方法,结合不同树种类型分布点的影像像元灰度与影像不同波段的重新排列,对杉类、松类、竹类与阔叶树类4个类型提取分布信息,结合地面验证坐标点进行精度评价,同时与专家知识分类法比较。结果显示图像膨胀法结合了地物分布特征与光谱信息,在Landsat 8 OLI影像中是可行的,并提高了精度,整体精度为83.01%,Kappa系数为0.77,与专家知识分类法相比分别提高了8.25%、0.11。该研究为快速精确地使用Landsat 8 OLI影像提取树种分布信息具有一定参考。     

近25年雅鲁藏布江中游蒸发皿蒸发量及其影响因素的变化

采用气候倾向率方法,对西藏雅鲁藏布江(下称"雅江")中游1981~2005年14个气象站年、季小型蒸发皿蒸发量及其影响气候因子的变化趋势进行了分析。结果表明:近25年西藏雅江中游年蒸发皿蒸发量在流域绝大部分站点均呈现显著的减少趋势,平均减幅为109.92mm,以夏季减少趋势最明显。影响蒸发皿蒸发量的主要气候因子日照时数、平均风速呈现显著下降趋势,平均相对湿度、降水量表现为显著增加,平均气温显著升高,平均最低气温的升温速率(0.52℃/10a)明显比平均最高气温的升温速率(0.23℃/10a)大,导致气温日较差减少(-0.29℃/10a)。因此,雅江中游年日照时数和平均风速的显著下降,以及年平均相对湿度的明显增加可能是年蒸发皿蒸发量显著下降的主要原因,平均气温日较差的显著减小和降水量的增加在蒸发量减少趋势中的作用也不可忽视。     

北方农牧交错带农业气候资源空间特征分析

运用GIS与RS技术,选择日平均温度、生育期日平均温度、生育期积温、生育期降水、全年降水和生育期日照时数等指数,依据主要作物适宜条件构建模糊隶属函数,利用主成分分析法定量评判研究区农业气候资源适宜度。在此基础上,进一步指出农业气候资源各单项指数及综合指数的空间分异规律。结果表明:①相对热量和光照而言,水分是研究区农牧林业生产的主要限制因子,水分指数的分布大体呈现东北-西南走向;②研究区总气候资源指数和资源效能指数的计算表明,农业气候资源潜力小,光、热、水的配合效果差;两指数由东南向西北的分布次序均为由好到差;③研究区气候资源利用效率计算表明:大多数作物对农业气候资源利用的实际效率低。该指数由东南向西北的分布次序为较高、一般、较低和低4种类型。     

黄河流域内蒙古段1951—2012年气温、降水变化及其关系

黄河流域内蒙古段是内蒙古自治区重要的经济发展区,研究其气候因子变化对流域水资源、区域经济社会发展及生态环境保护有重要意义。论文利用研究区及其周边地区52个气象站点1951—2012年气温与降水量资料,采用回归分析、年代均值比较、5 a滑动、气候倾向率和Mann-Kendall检验等方法,对气温与降水变化及其关系进行了分析。结果表明：近62 a来,研究区域平均气温、平均最高和最低气温均呈明显上升趋势（0.283 ℃/10 a、0.235 ℃/10 a、 0.590 ℃/10 a）,尤以20世纪90年代增温最为明显,冬季增长速率最快,对气温升高贡献最大。3类气温分别在1988、1989、1982年发生了突变,平均气温、平均最高气温突变时间均晚于平均最低气温。多年降水量年际变化较大,总体呈下降趋势（-1.48 mm/10 a）,但下降幅度不明显。年降水量与平均气温、平均最高气温、平均最低气温在20世纪80—90年代相关性较好,均呈上升趋势,而其他时期则呈阶段反对称变化。从季节上看,春季降水量与3类气温年值相关性最好;夏季降水量与3类气温的年际变化趋势类似;秋季降水量与3类气温呈阶段反对称性变化;冬季降水量与3类气温在20世纪90年代到21世纪呈反对称变化,其他年代则呈现一致的变化趋势。     

山区农业气候资源空间分布的推算方法及小地形的气候效应

本文提出了山区农业气候资源(温度、湿度、降水、风速等)空间分布的推算方法。为适应计算机技术在山地气候研究中的开发应用,作者使推算模式函数化,便于用计算机绘制山区小网格农业气候资源空间分布图。文中也提供了上述多项农业气候资源的小地形效应值。本文提出的推算方法在福建省沙溪流域实际应用的结果表明,能有效地揭示山区农业气候资源空间分布的宏观与微观变化,效果是令人满意的,精度也是高的。     

高原内陆河流域气候水文突变与生态演变规律——以内蒙古锡林河和巴拉格尔河流域为例

以内蒙古锡林河和巴拉格尔河流域为研究对象,利用数理统计、Mann-Kendall突变检验、气候倾向法、克里金空间插值等方法,综合遥感信息解译,辨析近55a不同高原内陆河流域气温-降水-径流突变与生态演变规律,结果表明：锡林河流域干旱程度较巴拉格尔河流域剧烈,气温总体偏高,降水量、径流深偏枯,降水、径流天数偏少,且径流系数偏低;锡林河流域气温增温趋势较显著,气温突变较早,两地增温速率均大于0.2℃/10a;在年尺度,两地径流系数、降水量、径流量的突变时间、顺序、驱动因素和突变前后变化量存在较大差异;在季节尺度,两地降水空间分布差异较大;两地NDVI最大值与冬季降水分布特征趋同,均分布于上游河谷区.     

中国陆地生态系统土壤异养呼吸变异的影响因素

土壤异养呼吸是生态系统碳平衡估算中的关键因子之一.通过文献调研,收集了中国陆地生态系统中土壤异养呼吸的观测数据,同时收集整理了试验地点气候资料(年总降水量和年平均气温)和环境因子(如树木生长年龄)指标.结果表明,异养呼吸与土壤呼吸的关系可用幂函数方程描述,异养呼吸随土壤呼吸的增大而增大,该幂函数方程可解释异养呼吸73%(R2=0.730,P<0.001)的变异.异养呼吸与年总降水量以及年平均气温的关系均可用一元线性方程描述.异养呼吸占土壤呼吸的比例与年总降水量、年平均气温的关系均可用对数回归方程描述,异养呼吸占土壤呼吸的比例随年总降水量的增大和年平均气温的升高而减小.异养呼吸占土壤呼吸的比例随树龄的增大而增大,两者之间的关系可用幂函数方程描述.进一步的结果表明,经验模型模拟得到的异养呼吸模拟值与实际样地观测结果之间呈显著的线性回归关系,采用的经验统计模型可较好地模拟异养呼吸的变异.     

中国西北地区1961—2009年极端高温事件的演变特征

利用中国西北地区135个测站1961—2009年历年逐日地面最高气温和NCEP/NCAR资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall、子波分析、合成分析等方法,分析了近49 a西北地区高温事件的演变特征。结果表明:西北地区极端高温的高值区在新疆大部分地区、河西走廊西部、甘肃中北部、陇东南、宁夏北部和陕西,这些地方的高温阈值在30 ℃以上;区域年极端高温频率以1.8 d/10 a的速率显著增多,1970年代中期高温日数发生由少至多的转型,1994年有突变,高温频数有显著的3~5 a周期,目前仍处于高温频发阶段;极端最高气温介于22.5~47.8 ℃之间,最大值出现在吐鲁番盆地。4—10月皆可出现高温,但主要出现在6—8月,其中7月最多。6月高温频率增加最显著,其他月份增加不明显;高温越强,持续日数越长,高温频发的时段也是高温最强的时段。气候变暖导致极端高温事件增多,强度增强。从大气环流合成分析表明,乌山脊、巴尔喀什湖低槽和蒙古脊中高层位置稳定,大气为准正压状态,西北地区在蒙古高脊控制下,有利于形成大范围持续性高温天气。