河北省年均降水量插值方法比较
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。 寻找基于不同实测站点数、 适合河北省年均降水量的插值方法。 探讨降水插值方
本研究的目的: 1 研究区概况
法选择的一般思路, 为其它区域降水插值提供参考。 河北省位于北纬 36 03 ~ 42 40 , 东经 113 27 ~ 119 50 之间 , 总面积 18 . 77 万 km , 占全国土地总面积 的 1 . 96 % , 其中高原面积 1. 60 万 k m , 占全省总面积的 8 . 5 % ; 山地面积 9 . 03万 km ( 包括丘陵和盆地 ) , 占全 省土地总面积的 48 . 1 % 左右; 平原面积 8 . 15万 k m , 占全省总面积的 43 . 4% 。河北气温南高北低 , 境内多年 最低平均气温 - 2 . 7 , 多年最高平均气温 15 。河北省年均降水量为 300~ 760mm 左右 , 燕山南麓地带降水 量在 700mm 左右 , 是河北的降水中心, 张家口坝上及阳蔚盆地年降水量在 400mm 以下, 是全省少雨中心。 2 研究方法 2 . 1 数据来源 降水数据来源于国家气象局和河北省气象局, 数据时间段为 1971~ 2000年 , 共涉及河北省及相临区域站 点 120个 , 其中国家基准站 37 个。 DEM 数据来源于美国地质调查局 ( USGS) EROS 数据中心的 HYDRO1k。 2 . 2 研究方法 降水插值模型利用 A rcGIS 9 . 0 提供的软件包 , 采用 IDW ( 反向距离加权法, 权重值分别为 1 、 2、 4, 记作 I DW 1 、 IDW 2 、 IDW 4) 、 Splin e(权重值为 1)、 Kridg in g( 选择 spherica 、 l circular 、 exponentia 、 l gaussian、lin ear 等半方 差模型 ) 、 T rend( 分别采用 1 次、 2次线性趋势面模型, 记作 T rend_1 、 T rend_2)等方法进行插值。统计模型为 降水与经度、 纬度、 海拔的多元线性回归。综合模型选取插值模型中较好的一种与回归模型建立线性回归进 行模拟。 插值站点数据选取方法为: 插值检验站点的选择方法较多 , 一般采用在实测站点中选取 30 % ~ 50 % 的站 点用于检验 , 其余站点用于插值。本文在 120 个站点数据中取 40个进行插值检验 , 其他站点中分别取 80 、 40、 20 个进行插值 ( 图 1)。 40 个检验站点的选择主要考虑站点分布的空间均匀性及站点在不同自然区的代表 性。 80 个插值站点代表可获取的较多的国家级、 省级台站数 , 40 个站点接近本区域 37 个国家台站数, 20 个 站点代表站点分布更稀疏的情况, 这样的选取方法可为能获取不同精度数据的插值提供参考。模型检验方法 采用平均绝对误差百分比 MAE、 平均相对误差百分比 MRE: MAE = P (x i ) - P ( xi ) / P (x i ) 100 100 ( 1) ( 2) MRE = [ P ( x i) - P ( x i) ] / P (x i) 式中, P ( x i) 为站点降水插值数据, P ( xi )为站点降水实测数据。 3 研究结果 3 . 1 不同插值站点数各插值方法的误差比较 采用软件默认的搜索站点数 12 进行插值, 插值误差检验结果显示: MAE 值表现出随插值站点数减少而 增大的规律。不同模型的插值精度总体表现为局部插值模型 I DW、 K ridg in g 、 Sp lin e 插值精度明显高于整体模 型 T rend。局部插 值模 型中 80 和 40 个插 值站 点的 Sp lin e 、I DW 4 插 值精 度较 高, 20 个 站点 的 Kridg in g _ exponentia 、 l I DW 2 插值精度较高。 Splin e 是通过 2 个样本点之间的曲线变形达到最佳拟合的插值效果 , 这种 http: / /www. eco log ica. cn
1
超
1
( 1. 河北省气象与生态环境实验室 , 石家庄
2. 河北师范大学资源与环境科学学院 , 河北省环境演变与生态建设实验室 , 石家庄
摘要 : 以河北省及临近区域 120个 气象观测站点 1971~ 2000 年均降 水量数 据为基 础 , 选 择其中 的 40 个 作为检 验站点 , 其余 站 点分别取 80 、 40、 20 个作为插值站点 , 采用局部插值、 整体插值、 多元线性 回归、 综 合模拟等 多种插值 模型讨 论了降 水空间插 值 问题 , 主要结论如下 : 插值站点 数、 模型类型、 模型 参数都 会影响 插值精 度。局部插 值模型 相对误 差最小 值出现 在 Spline 、I DW 模型中 , 其次为 K r idg ing 模型 , 而整体模型 T rend、 多元线性回归模型误差均较 大 , 但 综合了局 部插值 模型和 统计模 型的综合 模 型一定程度上能改善 插值精度及误差分布。河北省 80 和 40 个站 点的 最优插 值模 型为综 合模 型 , 20 个站 点的 最优 插值模 型 为 ID W 2。 关键词 : 河北省 ; 年均降水量 ; 插值
第 29 卷第 7 期 2009 年 7月
生 态 学 报 ACTA ECOLOG ICA SIN I CA
V o. l 29 , No . 7 Ju. l , 2009
河北省年均降水量插值方法比较
刘劲松 , 陈
1, 2
辉
1, 2, *
, 杨彬云 , 王
1
卫 ,相
050021 ;
2
云 ,赵
050016)
文章编号 : 1000-0933 ( 2009) 07-3493-08 中图分类号 : P951 文献标识码 : A
Co mparison of interpolation m ethods on annualm ean precipitation in H ebei P rovince
LI U Jin -Song , CHEN H u i
基金项目 : 河北省气象与生态环境实验室开放基金资助项目 ( SY SKF0603) ; 河北省自然科学基金资助项目 ( D 2007000272) ; 国家自然科学基金资 助项目 ( 40871073) ; 国家 十一五 科技支撑计划重点资助项目 ( 2006BA B15B02) ; 河北省教育厅软科学资助项目 ( 2006206) 收稿日期 : 2008-08 -12 ; 修订日期 : 2009 -05-12
2 2 2 2
7期
刘劲松
等 : 河北省年均降水量插值 方法比较
3495
图 1 插值站点验证站点分布图 Fig. 1 D is tribut ion of cl i m ate stat ion s for interpolat ion and checkou t
[ 3~ 9]
。这些插值方法的优缺点已有文献论述, 但在不同区域、 不同的
时空尺度下 , 哪种插值方法更优 , 学术界没有一个统一认识, 但也有学者提出了集成统计方法和空间插值方法 优势的综合 内插 法、 大区 域 分解 成小 区域 分 别进 行插 值 的混 合 内插 法 等方 法 给降 水插 值 提出 了 新的 思路
Abstract : M ethod s , su ch as part in terpolation, who le in terpolation, mu ltip le - lin ear regress ion and integrative mod el were u sed to in terpo late th e precip itat ion b ased on th e annualm ean p recip itation from 120 clm i ate stat ions in H ebei prov in ce and its ad jacen t areas ( from 1971 to 2000) . R esu lts showed that num bers of interpolation clm i ate stat ions, type of in terpolation m odel and para m eters of model in fluen ced th e in terpolat ing p recis ion. T he s m allest m ean relative error (MRE ) app eared in Sp line or IDW mod els , fo llowed by K ridging mod els , and b igger for the error of who le model T rend and L inear R egression M od els . T he in tegrative mode,l su ch as part mod el and linear regress ion m ode, l cou ld m i p rove the in terpo lat ing precision and error d istribu t ion. In conclu sion, in tegrat ivem odel is the su itab le in terpolat ing m odel for 80 and 40 clm i ate stat ion s in H ebei p rovin ce , and I DW 2 is b est for 20 clm i ate stat ion s . K ey W ords : H eb ei P rovin ce ; annu alm ean precip itat ion; in terpo lat ion
* 通讯作者 C orrespond ing author . E-m ai: l chenhu i720127@ 163 . com
http: / /www. ecologica . cn
3494 法获得 , 因此需要用空间插值的方法来解决
[ 2]
生
态分逼近要素空间分布特征的函数方程。对于给定的区域与要素样本值 , 插值函 数可以有多种模型形式。各种模型的精度受其理论基础、 模型算法、 时空尺度效应、 样本数据属性等因素的综 合影响。目前各种类型插值模型共存 , 都有一定数量的应用实例 , 综合起来主要有空间插值法 ( 分为局部模 型和整体模型 )、 统计模型法和综合方法
1 , 2 1, 2, *
, YANG B in -Yun , WANG W e i, X I ANG Yun , ZHAO Chao
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1H ebei K ey L abora tory of M eteorology and E nvironmen tal, S hijiazhuang 050021 , C hina 2H ebei K ey Labora tory of Env ironm en ta l C hang e and E colog ica l Con stru ction, C ol lege of R esources and Env ironm en t Sc iences , H ebei N or ma l Un iversity, Sh ijiazhuang 050016, Ch ina A cta E co log ica Sinica , 2009 , 29 ( 7): 3493 ~ 3500 .
在全球变化研究的推动下, 很多 反映生态系统演化规律的模型应运而 生, 如土壤 植 被-大气传输模型 SVAT, 区域植被生产力和碳循环的生态模型 CASE、 TEM、 FOREST、 BGC, 水文模型 S WAT、 S H E 等, 都是分布 式模型
[ 1]
, 空间降水信息是重要的输入变量, 但由于气候站点布设的局限性, 绝大多数空间位置上的数据无
。 寻找基于不同实测站点数、 适合河北省年均降水量的插值方法。 探讨降水插值方
本研究的目的: 1 研究区概况
法选择的一般思路, 为其它区域降水插值提供参考。 河北省位于北纬 36 03 ~ 42 40 , 东经 113 27 ~ 119 50 之间 , 总面积 18 . 77 万 km , 占全国土地总面积 的 1 . 96 % , 其中高原面积 1. 60 万 k m , 占全省总面积的 8 . 5 % ; 山地面积 9 . 03万 km ( 包括丘陵和盆地 ) , 占全 省土地总面积的 48 . 1 % 左右; 平原面积 8 . 15万 k m , 占全省总面积的 43 . 4% 。河北气温南高北低 , 境内多年 最低平均气温 - 2 . 7 , 多年最高平均气温 15 。河北省年均降水量为 300~ 760mm 左右 , 燕山南麓地带降水 量在 700mm 左右 , 是河北的降水中心, 张家口坝上及阳蔚盆地年降水量在 400mm 以下, 是全省少雨中心。 2 研究方法 2 . 1 数据来源 降水数据来源于国家气象局和河北省气象局, 数据时间段为 1971~ 2000年 , 共涉及河北省及相临区域站 点 120个 , 其中国家基准站 37 个。 DEM 数据来源于美国地质调查局 ( USGS) EROS 数据中心的 HYDRO1k。 2 . 2 研究方法 降水插值模型利用 A rcGIS 9 . 0 提供的软件包 , 采用 IDW ( 反向距离加权法, 权重值分别为 1 、 2、 4, 记作 I DW 1 、 IDW 2 、 IDW 4) 、 Splin e(权重值为 1)、 Kridg in g( 选择 spherica 、 l circular 、 exponentia 、 l gaussian、lin ear 等半方 差模型 ) 、 T rend( 分别采用 1 次、 2次线性趋势面模型, 记作 T rend_1 、 T rend_2)等方法进行插值。统计模型为 降水与经度、 纬度、 海拔的多元线性回归。综合模型选取插值模型中较好的一种与回归模型建立线性回归进 行模拟。 插值站点数据选取方法为: 插值检验站点的选择方法较多 , 一般采用在实测站点中选取 30 % ~ 50 % 的站 点用于检验 , 其余站点用于插值。本文在 120 个站点数据中取 40个进行插值检验 , 其他站点中分别取 80 、 40、 20 个进行插值 ( 图 1)。 40 个检验站点的选择主要考虑站点分布的空间均匀性及站点在不同自然区的代表 性。 80 个插值站点代表可获取的较多的国家级、 省级台站数 , 40 个站点接近本区域 37 个国家台站数, 20 个 站点代表站点分布更稀疏的情况, 这样的选取方法可为能获取不同精度数据的插值提供参考。模型检验方法 采用平均绝对误差百分比 MAE、 平均相对误差百分比 MRE: MAE = P (x i ) - P ( xi ) / P (x i ) 100 100 ( 1) ( 2) MRE = [ P ( x i) - P ( x i) ] / P (x i) 式中, P ( x i) 为站点降水插值数据, P ( xi )为站点降水实测数据。 3 研究结果 3 . 1 不同插值站点数各插值方法的误差比较 采用软件默认的搜索站点数 12 进行插值, 插值误差检验结果显示: MAE 值表现出随插值站点数减少而 增大的规律。不同模型的插值精度总体表现为局部插值模型 I DW、 K ridg in g 、 Sp lin e 插值精度明显高于整体模 型 T rend。局部插 值模 型中 80 和 40 个插 值站 点的 Sp lin e 、I DW 4 插 值精 度较 高, 20 个 站点 的 Kridg in g _ exponentia 、 l I DW 2 插值精度较高。 Splin e 是通过 2 个样本点之间的曲线变形达到最佳拟合的插值效果 , 这种 http: / /www. eco log ica. cn
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( 1. 河北省气象与生态环境实验室 , 石家庄
2. 河北师范大学资源与环境科学学院 , 河北省环境演变与生态建设实验室 , 石家庄
摘要 : 以河北省及临近区域 120个 气象观测站点 1971~ 2000 年均降 水量数 据为基 础 , 选 择其中 的 40 个 作为检 验站点 , 其余 站 点分别取 80 、 40、 20 个作为插值站点 , 采用局部插值、 整体插值、 多元线性 回归、 综 合模拟等 多种插值 模型讨 论了降 水空间插 值 问题 , 主要结论如下 : 插值站点 数、 模型类型、 模型 参数都 会影响 插值精 度。局部插 值模型 相对误 差最小 值出现 在 Spline 、I DW 模型中 , 其次为 K r idg ing 模型 , 而整体模型 T rend、 多元线性回归模型误差均较 大 , 但 综合了局 部插值 模型和 统计模 型的综合 模 型一定程度上能改善 插值精度及误差分布。河北省 80 和 40 个站 点的 最优插 值模 型为综 合模 型 , 20 个站 点的 最优 插值模 型 为 ID W 2。 关键词 : 河北省 ; 年均降水量 ; 插值
第 29 卷第 7 期 2009 年 7月
生 态 学 报 ACTA ECOLOG ICA SIN I CA
V o. l 29 , No . 7 Ju. l , 2009
河北省年均降水量插值方法比较
刘劲松 , 陈
1, 2
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, 杨彬云 , 王
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文章编号 : 1000-0933 ( 2009) 07-3493-08 中图分类号 : P951 文献标识码 : A
Co mparison of interpolation m ethods on annualm ean precipitation in H ebei P rovince
LI U Jin -Song , CHEN H u i
基金项目 : 河北省气象与生态环境实验室开放基金资助项目 ( SY SKF0603) ; 河北省自然科学基金资助项目 ( D 2007000272) ; 国家自然科学基金资 助项目 ( 40871073) ; 国家 十一五 科技支撑计划重点资助项目 ( 2006BA B15B02) ; 河北省教育厅软科学资助项目 ( 2006206) 收稿日期 : 2008-08 -12 ; 修订日期 : 2009 -05-12
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刘劲松
等 : 河北省年均降水量插值 方法比较
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图 1 插值站点验证站点分布图 Fig. 1 D is tribut ion of cl i m ate stat ion s for interpolat ion and checkou t
[ 3~ 9]
。这些插值方法的优缺点已有文献论述, 但在不同区域、 不同的
时空尺度下 , 哪种插值方法更优 , 学术界没有一个统一认识, 但也有学者提出了集成统计方法和空间插值方法 优势的综合 内插 法、 大区 域 分解 成小 区域 分 别进 行插 值 的混 合 内插 法 等方 法 给降 水插 值 提出 了 新的 思路
Abstract : M ethod s , su ch as part in terpolation, who le in terpolation, mu ltip le - lin ear regress ion and integrative mod el were u sed to in terpo late th e precip itat ion b ased on th e annualm ean p recip itation from 120 clm i ate stat ions in H ebei prov in ce and its ad jacen t areas ( from 1971 to 2000) . R esu lts showed that num bers of interpolation clm i ate stat ions, type of in terpolation m odel and para m eters of model in fluen ced th e in terpolat ing p recis ion. T he s m allest m ean relative error (MRE ) app eared in Sp line or IDW mod els , fo llowed by K ridging mod els , and b igger for the error of who le model T rend and L inear R egression M od els . T he in tegrative mode,l su ch as part mod el and linear regress ion m ode, l cou ld m i p rove the in terpo lat ing precision and error d istribu t ion. In conclu sion, in tegrat ivem odel is the su itab le in terpolat ing m odel for 80 and 40 clm i ate stat ion s in H ebei p rovin ce , and I DW 2 is b est for 20 clm i ate stat ion s . K ey W ords : H eb ei P rovin ce ; annu alm ean precip itat ion; in terpo lat ion
* 通讯作者 C orrespond ing author . E-m ai: l chenhu i720127@ 163 . com
http: / /www. ecologica . cn
3494 法获得 , 因此需要用空间插值的方法来解决
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态分逼近要素空间分布特征的函数方程。对于给定的区域与要素样本值 , 插值函 数可以有多种模型形式。各种模型的精度受其理论基础、 模型算法、 时空尺度效应、 样本数据属性等因素的综 合影响。目前各种类型插值模型共存 , 都有一定数量的应用实例 , 综合起来主要有空间插值法 ( 分为局部模 型和整体模型 )、 统计模型法和综合方法
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1H ebei K ey L abora tory of M eteorology and E nvironmen tal, S hijiazhuang 050021 , C hina 2H ebei K ey Labora tory of Env ironm en ta l C hang e and E colog ica l Con stru ction, C ol lege of R esources and Env ironm en t Sc iences , H ebei N or ma l Un iversity, Sh ijiazhuang 050016, Ch ina A cta E co log ica Sinica , 2009 , 29 ( 7): 3493 ~ 3500 .
在全球变化研究的推动下, 很多 反映生态系统演化规律的模型应运而 生, 如土壤 植 被-大气传输模型 SVAT, 区域植被生产力和碳循环的生态模型 CASE、 TEM、 FOREST、 BGC, 水文模型 S WAT、 S H E 等, 都是分布 式模型
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, 空间降水信息是重要的输入变量, 但由于气候站点布设的局限性, 绝大多数空间位置上的数据无