王春麗 ，王澤明，金 磊 ，朱紅蕊

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.五常市氣象局，黑龍江 五常 150200；3.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

農(nóng)業(yè)氣候資源反映了一個地區(qū)氣候對其生產(chǎn)所提供的自然氣候條件和物質(zhì)能源發(fā)展的潛在能力[1]。GIS是一種多技術交叉的空間信息科學，它是在計算機軟、硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)[2]。中小尺度自動氣象站網(wǎng)的建設和時間觀測分辨率的提高，為實時監(jiān)測局地提供了精細觀測資料[3]，尤其是區(qū)域自動氣象站的業(yè)務化運行，更進一步的增加了觀測資料時空分辨率。

2 GIS技術在氣候區(qū)劃指標的應用

農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，其最大的優(yōu)點是，在缺乏足夠統(tǒng)計數(shù)據(jù)和原始的、規(guī)范的情況下，可以作出定量估價和得到文獻上還未反映的信息[4]。傳統(tǒng)的氣候區(qū)劃方法大多是根據(jù)研究區(qū)的氣象條件，對選取的區(qū)劃指標進行分級，從而得出區(qū)劃結構、進行災損風險評估[5-6]；或是通過對氣象資料等進行數(shù)理分析，得出相應的數(shù)學模型來進行氣候區(qū)劃[7-8]。利用GIS技術可以對區(qū)劃指標進行細網(wǎng)格化推算，得到不同背景下細網(wǎng)格點上的氣候要素值，從而使區(qū)劃結果更加精細準確[9-10]。當前氣象臺站是按縣域分布而設置的，約50 km×50 km一個臺站，僅用此資料進行氣候生態(tài)區(qū)劃其結果比較粗糙[11]。為使區(qū)劃結果達到精細化的目的，引進區(qū)域自動氣象站是必要的，區(qū)域自動氣象站一般是按鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域分布而設置的，一般間距在20～25 km左右一個臺站。

3 區(qū)域站資料數(shù)據(jù)的空間處理和分析

區(qū)域站引進對GIS技術在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中應用主要解決區(qū)域自動氣象站資料本身數(shù)據(jù)可用性的問題，現(xiàn)行區(qū)域自動氣象站，普遍觀測氣溫、降水氣象要素，各省根據(jù)需要還有其它比如風向、風速、氣壓、地溫等觀測要素，區(qū)域自動氣象站由于某些客觀或主觀因素，比如發(fā)生故障時，遠離市縣氣象臺站，不能及時修復，觀測記錄缺測(或有疑誤)的情況仍可能發(fā)生。因此可能造成部分數(shù)據(jù)丟失，給資料統(tǒng)計帶來了眾多不確定性。在出現(xiàn)資料不正常或缺測時應采取合理的統(tǒng)計處理方法，以保持資料序列完整及統(tǒng)計結果符合實際[12]。

3.1 氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度及降水的的不正常記錄處理

在自動觀測定時數(shù)據(jù)中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度某一定時數(shù)據(jù)缺測時，用前、后兩定時數(shù)據(jù)內(nèi)插求得，按正常數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

在自動觀測定時數(shù)據(jù)中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度若連續(xù)兩個或以上定時數(shù)據(jù)缺測時或小時降水資料缺測時，依據(jù)現(xiàn)有的常規(guī)氣象站和區(qū)域自動氣象站的資料進行訂正，插補延長。其訂正方法因要素的特征不同分別采用相關回歸和隨山體高度變化規(guī)律內(nèi)插而得[13]。氣溫的相關回歸方程均通過0.01信度的顯著性檢驗。在此基礎上，進行空間統(tǒng)計分析，建立分區(qū)（在分區(qū)的時候若目標區(qū)范圍小，氣候、地理特征差異不大，也可不劃分區(qū)）氣候要素與經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理信息數(shù)據(jù)的關系模型。依據(jù)氣象-地理信息關系模型，將實有自動氣象站資料內(nèi)插到本站上，一般采用距離加權平均法進行內(nèi)插[14]，計算公式為：

式中：Tk為網(wǎng)格點鄰近第k個氣象臺站的氣候要素值；dk-2是網(wǎng)絡點到鄰近第k個氣象臺站距離的平方倒數(shù)值，即距離權重；n為網(wǎng)格點鄰近氣象站的個數(shù)，一般取3～5個。從公式可知，網(wǎng)格點與某個氣象臺站的相互位置越接近，其數(shù)據(jù)的相似性越強，是符合天氣氣候規(guī)律的。這種距離內(nèi)插也就考慮了經(jīng)緯度對氣候要素的影響。

所有要素處理后，按正常記錄統(tǒng)計。

3.2 風向、風速不正常記錄的統(tǒng)計

由于風受影響的因素較多，根據(jù)地形、地貌具有很大的隨機性，因此當風有缺測的時候，按照中國氣象局的《地面氣象觀測規(guī)范》[12]中對風記錄缺測統(tǒng)計的要求：風速記錄缺測但有風向時，則風向亦按缺測處理；有風速而無風向時，則風速照記，風向記“一”等規(guī)定進行處理。

3.3 日、旬、月平均值的統(tǒng)計

⑴氣壓、氣溫、相對濕度、風速、地溫等項的日平均值為該日相應要素各定時值之和除以定時次數(shù)而得；為保持與現(xiàn)有氣象臺站數(shù)據(jù)統(tǒng)一，方便氣候區(qū)劃，資料須進行橫行統(tǒng)計做 02、08、14、20 時 4 次日平均。

⑵ 氣壓、氣溫、相對濕度、風速、地溫等項的日平均，每旬應作旬平均，月終應作月平均。旬、月平均值，均用縱行統(tǒng)計，即日平均的旬、月平均值，分別為該日平均的旬、月合計值除以該旬、月的日數(shù)而得。

⑶日、旬、月平均值，所取小數(shù)位與相應要素記錄的規(guī)定位數(shù)相同（平均云量取一位小數(shù)），計算時規(guī)定小數(shù)位后的小數(shù)四舍五入。

⑷氣溫項每年還應該分別統(tǒng)計≥0℃、≥10℃積溫總量值。

4 GIS系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫的建立

通過調(diào)研考察，了解當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)的歷史、現(xiàn)狀以及農(nóng)業(yè)結構化調(diào)整規(guī)劃，針對迫切解決的問題，確定區(qū)劃對象，制定區(qū)劃方案，根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)（包括災情、產(chǎn)量等）和地理因子（包括海拔高度和坡度等），結合氣候條件，運用統(tǒng)計學等方法尋找農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標。

4.1 常規(guī)指標數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標建立常規(guī)數(shù)據(jù)庫，包括涉及的常規(guī)氣象資料和相關的農(nóng)業(yè)氣象資料為歷史數(shù)據(jù)資料。相關農(nóng)業(yè)氣象資料包括災情、產(chǎn)量、作物各個生長期的極限氣象條件等。

4.2 配套的GIS空間數(shù)據(jù)庫的建立

建立區(qū)劃目標區(qū)內(nèi)的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，包括矢量和柵格數(shù)據(jù)庫。矢量數(shù)據(jù)主要有行政邊界、山脈、水系、道路、村屯等信息，有條件的還可以將作物面積標注上。柵格數(shù)據(jù)主要是DEM（高程）數(shù)據(jù)，生成的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)也是柵格數(shù)據(jù)。以黑龍江省為例，氣象一般使用的地理信息數(shù)據(jù)庫為1：50 000地理背景數(shù)據(jù)的電子地圖，土地資源信息、土地利用信息來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供的1：100 000的土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)[11]。肖秀珠等[15-16]對福建省長汀縣的烤煙進行區(qū)劃時，結合100m×100m網(wǎng)格點上的地理信息資料繪出區(qū)劃圖，利用原有國家級氣象臺站資料，可精確到村一級。

5 網(wǎng)格氣候數(shù)據(jù)的推算

依據(jù)現(xiàn)有國家級氣象臺站和區(qū)域自動氣象站歷史數(shù)據(jù)，結合1 km×1 km網(wǎng)格點上的緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向等地理數(shù)據(jù)，應用梯度距離平方反比法推算生成月平均氣溫、月平均空氣濕度、年降水量、≥0℃積溫、≥10℃積溫的千米網(wǎng)格柵格圖。推算公式如下[17-19]：

式中：X和Xi為網(wǎng)格與氣象站點的X軸坐標值；Y和Yi為網(wǎng)格點與氣象站點的Y軸坐標值；E和Ei為網(wǎng)格點與氣象站點的海拔高度；CX、CY和Ce為站點氣象要素值與X、Y和海拔高度的多元回歸系數(shù)；di為網(wǎng)格點到第i站點的大圓半徑距離；n為氣象站（包括國家級氣象站和區(qū)域氣象站）的總量，為用于插值的氣象站點數(shù)目；Zi為氣象站點氣象要素值；Z為網(wǎng)格點的氣象要素值。

6 小結

區(qū)域自動站的引進，對觀測資料的分析處理，可增加時空站點的密度，對網(wǎng)格氣候數(shù)據(jù)的推算結論信度進一步增強，由此而產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)據(jù)更加貼近實際數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的氣候區(qū)劃也就更精確，利用價值大大提高。

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