研究论文
笙！堂篁！塑沙漠与绿洲气象
２００７年８月ＤｅｓｅｒｔａｎｄＯａｓｉｓＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
基于ＲＳ和ＧＩＳ技术的新疆气温
空问插值方法探讨
仲嘉亮
（新疆环境监测总站，新疆乌鲁木齐８３００１１）
摘要：分析新疆９０个气象站点２００４年年均气温与经纬度、海拔高度的关系，之间具有较好的线形相关关系（ｒ２＝Ｏ．８９７）。通过“回归方程计算＋空间残差”的方法对全疆２００４年年均气温
数据进行插值。验证结果为：插值计算值与实测值间相关系数ｒ２＝０．９９４，平均误差１．５３％。插值结
果表明：利用“回归方程计算＋空间残差”的方法可以生成高精度、高空间分辨率新疆年平均网格
温度结果。
关键词：气温；空间插值；ＲＳ和ＧＩＳ；新疆
中图分类号：Ｐ４２３文献标识码：Ｂ文章编号：１００２—０７９９（２００７）０４—００３３—０３
ＭｅｔｈｏｄｏｆＳｐａｔｉａｌＩｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｆＡｉｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＢａｓｅｄｏｎＧＩＳａｎｄＲＳｉｎＸｉｎｊｉａｎｇ
ＺＨＯＮＧＪｉａ－ｌｉａｎｇ
，
（ＸｉｎｊｉａｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒＳｔａｔｉｏｎ，Ｕｒｕｍｑｉ８３００１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｏｆ９０ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
ｓｔａｔｉｏｎｓｉｎ２００４ａｎｄ，ｓｕｃｈａｓ，ｔｈｅｌａｔｉｔｕｄｅａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｅ，ｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｂｏｖｅｓｅａｌｅｖｅｌｉｎＸｉｎｊｉａｎｇ．Ｉｔ
ｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｗａｓａｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ（ｒ２＝０．８９７）．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｄａｔａａｌｌｏｖｅｒ
Ｘｉｎｊｉａｎｇｉｎ２００４ｗａｓｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆ”ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ＋ｓｐａｃｅ
ｒｅｓｉｄｕａｌｅｒｒｏｒ”．Ｔｈｅｖｅｒｉｆｉｅｄｒｅｓｕｌｔｉｓ：ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｖａｌｕｅ
ａｎｄａｃｔｕａｌｓｕｒｖｅｙｖａｌｕｅｉｓｒ２＝０．９９４．ａｖｅｒａｇｅｅｒｒｏｒｉｓ１．５３％．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ
ｂｙｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅ”ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ＋ｓｐａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｅｒｒｏｒ’’ｍｅｔｈｏｄｍａｙｐｒｏｄｕｃｅｔｈｅ
ａｎｎｕａｌｍｅａｎｇｒｉｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＸｉｎｊｉａｎｇｗｉｔｈｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｈｉｇｈｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｐａｔｉａｌｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ；ＲＳａｎｄＧＩＳ；Ｘｉｎｊｉａｎｇ
气温要素表征气候的热量指标，也是气候变化研究的最基本要素【１］。地表气温作为反映地球表层系统的热量状态的综合指标，被广泛的应用于全球变化研究的各个领域。然而，由于经济和人力的原因，气象观测站点的数量是极其有限的，且站点的空间
收稿日期：２００６—１０—２６；修回日期：２００７—０４—１０
作者简介：仲嘉亮（１９８０一），助理工程师，主要从事生态环境遥感监测与评价工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｌｉａｎｇ—ｚｈ＠１６３．ｔｏｍ分布也是不均衡的。利用有限的气象站点估算未知
点的温度数据，传统的空间插值方法虽然能够反映
气候要素在整个区域的变化趋势，但局部误差较大
且计算烦琐，工作量大，存在较大的误差［２１。在２０世
纪９０年代后期，ＲＳ和ＧＩＳ技术开始被用于气温的
定量评估分析，不仅提高了分辨率，而且大大减少了
工作量。本文采用基于ＤＥＭ，通过“回归方程计算＋
空间残差”的插值方法［３１对新疆维吾尔自治区９０个
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万方数据
研究论文
沙漠与绿洲气象ＤｅｓｅｒｔａｎｄＯａｓｉｓＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ第１卷第４期２００７年８月
气象站２００４年的年均气温资料进行空间插值，得到了全疆气温空间分布图。
１研究区概况
新疆位于７３。２０７４１”～９６。２５’Ｅ，３４。１５７４９。１０’４５”Ｎ之间，面积１．６６ｘ１０６ｋ１３１２，地形呈山脉与盆地相间排列，盆地被高山环抱的特点，俗喻“三山夹两盆”。北为阿尔泰山，最高海拔４３７３ｍ，南为昆仑山，最高海拔８６１ｌｍ，天山横亘中部，最高海拔７４５５ｍ，把新疆分为南北两半，南部是塔里木盆地，北部是准噶尔盆地。新疆东部有吐鲁番盆地，最低点一１５４ｍ，是中国海拔最低的地方。新疆深居内陆，环列的高山阻挡了来自海洋的水汽，决定了新疆属于典型的温带大陆干旱』生气候，最主要的特征就是冬寒夏热，冬长春短。
２数据来源
２．１温度数据
２００４年新疆气温，数据内容为年均温度，各气象站点的经度、纬度和海拔高度，共涉及１０４个气象站点（见图１）。对数据进行准确性验证，剔除不连续或不可替代的错误数据后，在本文研究中实际使用了９０个站点的资料，其中用于插值模型的为７５个，用于检验模型的为１５个。
图１新疆气象站点分布图
２．２ＤＥＭ数据
新疆数字高程模型，空间分辨率ｌｋｍ。经严格的几何校正、配准、投影变换处理，选取的投影方式为：Ａｌｂｅｒｓ等积投影。投影主要参数，第一条纬线：３６．５。Ｎ；第二条纬线：４８。Ｎ；中央经线：８５。Ｅ；起始投影纬线：１００Ｎ。
３模型构建
一个地区的年均气温与该地区的经度、纬度和海拔高度具有较好的线性相关关系［４１。用全疆范围
内的气象站（７５个插值站点）年均气温数据为分析样本，以年均气温（ｔ）为因变量，以气象站的经度（戈）、纬度（ｙ）和海拔高度（ｚ）为自变量进行多元线性回归分析，得到各气象站年均气温与经纬度、海拔高度的线性关系式：
Ｔ＝７３．５—１．２１Ｘ一０．０８５Ｙ一０．００５３８Ｚ（ｆ＝０．８９７）。
通过上述模型插值站点的年均气温值与实际年均气温值的关系（见图２）。
１５
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一５
计算年平均气温
图２模型预测温度与实测温度的关系可以看出，全疆年均气温与经纬度和海拔高度具有较好的线性相关关系，相关系数ｒ２＝０．８９７。
４数据栅格化
４．１原理方法
年均气温与经纬度、海拔高度之间具有较好的线性相关关系，虽然这种关系的存在有它的内在机理，但就模型本身而言，是完全用统计的方法构建的。经纬度和海拔高度等宏观地理因子是影响年均气温的主要因素。此外，局部微观因子也影响年均气温，如地形、下垫面等。因此，回归方程的计算结果不可能与实测值完全一致，这种不一致在回归分析中表现为残差，残差可以认为是除经纬度和海拔高度以外的其他因素对年均气温影响的总和【３］。
对每个气象站而言，回归方程的计算结果与残差之和就等于其实际年均气温值。而在没有气象站的地区，除了根据经纬度和海拔高度计算出年均气温外，还必须利用有气象站地区的残差进行空间内插，然后与回归方程计算出的值相加得到该地区的计算值。本文即通过“回归方程计算＋空问残差”的方法进行年均气温数据插值的试验。
４．２数据栅格化
４．２．１模型计算
在形成全疆ＧＲＩＤ格式的经度、纬度数据层的基础上，利用ＤＥＭ数据，在ＡｒｃＧＩＳ软件下，运用构建的模型（１）逐个栅格地计算出全疆范围内的年均
万方数据
仲嘉亮：基于Ｒｓ和ＧＩＳ技术的新疆气温空间插值方法探讨气温值，形成结果数据层１。
４．２．２插值残差
各气象站年均气温的实测值与模型计算值之间必然存在一定的差别，它们之间的差为残差，残差计算方法如下：
年均残差＝实测年均气温值一模型计算年均气温值
计算所得各气象站上的残差需用空间内插的方法把扩展到整个空间，研究发现，对于与气温有关的插值，使用Ｋｒｉｇｉｎｇ插值效果比较理想［５】。因此，利用ＡｒｃＧＩＳ软件的地理统计分析模块（ＡｒｃＧＩＳＧｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｔ），通过Ｋｒｉｇｉｎｇ插值函数实现气象站年均气温残差的空间内插，形成结果数据层２（ＧＲＩＤ格式）。
４．２．３结果合成
将前面所获得的结果１和结果２两部分数据层相加，即得到全疆年均气温的栅格化数据。
５精度验证
根据用于验证的站点不能参与建模和参加计算的要求与均匀分布的原则圈，利用在全疆范围内选定的１５个检验气象站点的实际测年均气温与通过“回归方程计算＋空间残差”的插值方法计算所得的年均气温进行比较分析，验证插值方法的精确度。这里分别对直接用回归方程的计算结果和考虑空间残差两种情况进行验证，验证的指标包括计算值与实测值的相关系数和平均相对误差。验证结果见图３和表１。
验证结果显示，通过“回归方程计算＋空间残差”的年均气温数据插值方法的精度比直接用回归方程计算的结果的精度要高。
６结论
通过利用“回归方程计算＋空间残差”的方法对新疆２００４年年均气温进行插值，并对插值结果进行验证，验证显示：通过插值方法计算得到的年均气温与气象站实测年均气温之间的相关系数Ｐ＝Ｏ．９９４，计算值与实测值之间的平均相对误差为１．５３％，９３．３３％的气象站的相对误差在５％以内。说明该插值方法具有较高的精度，完全可用于大范围的年均气温数据栅格化。
刘新安等［６１曾指出，插值后所得的栅格气候值实质上是根据气候要素与地理因子的关系，由栅格的地理信息推算出来的数值。它只代表栅格面积上气候要素的平均值，与气象台站点上的要素值有本质
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计算年平均气温
ａ
计算年平均气温
ｂ
图３检验气象站点插值结果与实测年均
气温的关系
（ａ为不考虑残差；ｂ为考虑残差）
表１两种插值方法产生的相对误差的
分布及比较
插值方法＜５％５％一１０％１０％。１５％１５％。２０％＞２０％平均相对误差
直接计算３３．３３％２６．６７％１３．３３％２０．００％６．６７％４．９２％
计算＋残差９３．３３％６．６７％０００１．５３％
的区别。栅格的高程数据与气象站点上实际标高的
不同和ＤＥＭ数据的精确度等，都影响到气候要素
空间化的精度。
参考文献：
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