中国流域降水数据的空间插值方法评估

摘要：降水量的空间分布信息在水资源管理、旱涝灾害 预 测 和 可 持 续 发 展 等 研 究 领 域 具 有 重 要 价 值。以 中 国
１９１５个气象站在 １９８１～２０１０年间的平均降水量观测 数 据 为 基 础，选 取 了 反 距 离 权 重 法 （ＩＤＷ）、径 向 基 函 数
法（ＲＢＦ）、全局多项式法（ＧＰＩ）、局部多项式法（ＬＰＩ）、普通克里金法（ＯｒｄｉｎａｒｙＫｒｉｇｉｎｇ）、简 单 克 里 金 法 （Ｓｉｍｐｌｅ
数法等 ；地 ［１１－１２］ 统 计 方 法 利 用 样 本 点 的 统 计 规 律，将 样本点间的空间自 相 关 性 定 量 化 分 析，从 而 在 未 知 区 域构建空间结构预 测 模 型，最 具 代 表 性 的 方 法 为 克 里 金插值法及 其 变 种 。 ［１３］ 上 述 空 间 插 值 方 法 各 具 优 缺 点，但目前关于这些 方 法 在 不 同 应 用 领 域 和 不 同 研 究 区域的适应性分析还有所欠缺。对于不同应用领域和 研究区域，同一降水 插 值 模 型 的 应 用 效 果 可 能 表 现 不 一 ，不 存 在 全 部 适 用 的 最 优 插 值 方 法 。 因 此 ，根 据 研 究 区域的气象站点分布情况和地形流域特征选择最优的 插值方法具有实际研究价值 。 ［１４］
第 ５０卷 第 ４期 ２０１９年 ４月
文 章 编 号 ：１００１－４１７９（２０１９）０４－０１００－０６
人Ｙ ａｎｇ民ｔｚ ｅ 长Ｒ ｉｖｅ江ｒ
Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．， ２０１９
中国流域降水数据的空间插值方法评估
陈 雅 婷，刘 奥 博
（北京师范大学 全球变化与地球系统科学研究院，北京 １００８７５）
中 图 法 分 类 号 ：ＴＶ１２５ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１－４１７９．２０１９．０４．０１８
区 域 降 水 数 据 对 生 态 评 价 、灾 害 风 险 管 理 、水 文 建 模、植 被 分 布 和 生 态 演 变 等 研 究 领 域 具 有 重 要 价 值 。 ［１－３］ 气象 站 通 过 长 期 观 测 积 累 了 大 量 的 降 水 数 据 ，但 这 些 数 据 仅 代 表 站 点 所 在 地 区 的 降 水 状 况 ，进 行 大范围降水研究时仍有所不足。对气象站的降水观测 数据进行空间插值处理是获得降水空间分布特征最直 接有效的方法，其精 度 和 分 辨 率 一 般 优 于 遥 感 反 演 和 模式模拟 。 ［４－６］ 空间插值效果受站点数量 和 分 布 的 影 响 ［７－８］，但由于技术和社会经济条件的限 制，观 测 站 点 的数量有限且空间 分 布 不 均 匀，地 形 复 杂 的 偏 远 地 区 观测数据难以获 取。 所 以 当 研 究 区 域 降 水 分 布 时，需 要对空间插值方法 进 行 评 估，选 择 合 适 的 插 值 方 法 将 有限的站点数据快 速、准 确 地 转 换 为 面 状 的 区 域 降 水 信息 。 ［９］ 在目前的研究 中，空 间 插 值 方 法 可 被 分 为 确 定性方法和 地 统 计 法 。 ［１０］ 确 定 性 方 法 是 基 于 已 知 点 的信息及其相似程 度，采 用 曲 面 对 样 本 空 间 分 布 进 行 拟合，常用方法包括 多 项 式 法、反 距 离 权 重 法、样 条 函
法最优，珠江流域采用径向基函数法最优。最后以流域 内 的 城 市 为 例 进 行 验 证，结 果 表 明 各 流 域 的 最 优 空 间
插值方法具备有效性和指导价值。
关 键 词 ：降 水 量 ；空 间 插 值 ；Ｋｒｉｇｉｎｇ插 值 法 ；长 江 流 域 ；黄 河 流 域 ；珠 江 流 域 ；中 国
收 稿 日 期 ：２０１８－０３－１４ 基 金 项 目 ：全 球 变 化 国 家 重 大 科 学 研 究 计 划 项 目 （２０１５ＣＢ９５３６０２）；中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （３１２２３１１０３） 作 者 简 介 ：陈 雅 婷 ，女 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 气 候 变 化 机 制 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｙｔ２０１６ｂｎｕ＠ ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
第 ４期
陈 雅 婷 ，等 ：中 国 流 域 降 水 数 据 的 空 间 插 值 方 法 评 估
１０１
的最优空间插值方法。
１ 数 据 和 方 法
１．１ 数 据 来 源
本 文 选 取 的 降 水 资 料 来 源 于 中 国 气 象 局，包 括 ２１６０个气象站点在 １９８１～２０１０年 间 逐 日 的 降 水 量 数 据 以 及 站 点 的 经 纬 度 、高 程 信 息 。 为 保 证 插 值 效 果 ，在 预处理阶段对站点 数 据 进 行 了 严 格 的 质 量 控 制，在 筛 选后共剩下 １９１５个 站 点 用 于 插 值，其 分 布 如 图 １所 示，中东部 密 集，而 西 北 部 较 为 稀 疏。 本 文 采 用 中 国 ５００ｍ×５００ｍ网 格 的 ＤＥＭ 数 据 进 行 流 域 划 分，最 终 生成我国水系河网 和 集 水 流 域，进 一 步 结 合 中 国 河 流 矢 量 图 ，划 分 出 黄 河 流 域 、长 江 流 域 和 珠 江 流 域 。
Ｋｒｉｇｉｎｇ）、泛克里金法（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＫｒｉｇｉｎｇ）以及经验贝叶斯 克 里 金 法 （ＥＢＫ）８种 空 间 内 插 方 法 进 行 评 估。 研 究
依据 ＤＥＭ 数 据 的 流 域 分 析 结 果，对 我 国 三 大 流 域 的 降 水 量 进 行 区 域 插 值，同 时 采 用 交 叉 验 证 方 法，对 中 国 范
我 国 幅 员 辽 阔，气 象 观 测 站 点 较 多 但 分 布 不 均。 本文以中国 ２１６０个 气 象 站 点 在 １９８１～２０１０年 间 的 降水观测数据为研 究 基 础，对 比 分 析 不 同 空 间 插 值 方 法的精度和适用性。为分析流域特征对最优降水空间 插值方法的影响，本文从中国的 ＤＥＭ 数据中提取地形 因 子 和 流 域 水 系 ，并 以 黄 河 流 域 、长 江 流 域 和 珠 江 流 域 为研究区域，探讨在 研 究 三 大 流 域 的 降 水 空 间 分 布 时
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围 整 体 插 值 精 度 以 及 分 区 后 三 大 流 域 的 插 值 精 度 分 别 进 行 了 验 证 。 结 果 表 明 ：对 全 国 范 围 内 采 用 经 验 贝 叶 斯
克 里 金 插 值 法 取 得 了 较 好 的 效 果 ；三 大 流 域 中 ，对 黄 河 流 域 采 用 泛 克 里 金 法 最 优 ，对 长 江 流 域 采 用 普 通 克 里 金