气象空间插值技术的研究进展

研究资料
方法
•一、对气温、降水、风速采用距离方向加权平均法 进行空间插值，并对气温考虑地形的影响，依靠余 杭区部分自动站实现参数调整和验证，最终建立气 象要素序列。 •二、依靠空间插值方法，结合周边气象站的风向数 据，实现余杭区风频序列的重建。
结果分析
• 气温（平均气温）
40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361
气象空间插值技术的研究进展
③新方法的提出
• Hutchinsont针对气候要素插值的特点，基于经度、纬度 和海拔高度的线性相关关系，提出了薄板局部光滑样条插 值方法，经不断改进得到了广泛的应用，之后还发展了相 应的空间插值软件(ANUSPLIN)。这一方法之后成为空间插 值的主要方法之一，是一个突破。
其中hh是dem的平方，oa是经度*纬度。
然后求算误差 ERR=实测值-模拟值
案例：基于DEM的气温空间分布
气象空间插值技术的研究进展
②数学模型上的改进
• Wong等人将神经元网络、自组织方法、以及模糊 数学等三种方法同时应用到降水插值的模型之中， 取得了比较理想的插值效果。Daly 等人建立了 PRISM (parameter—elevation regressions on independent slopes model)插值模型。该模型可 对不同时间尺度的降水和温度进行插值分析。属 于多元回归法的一种。该模型适宜于地形起伏较 大的地区。
克里金插值由南非采矿工程师 D.G.克里格（D. G. Krige） 于1951年首次提出，故命名为 “克里金”法，后经法国著名 地理数学学家G. Matheron发 展深化。
气象空间插值技术的研究进展
• 近年来出现了大量的插值模型和改进算法，从发 展方向上看，大致可以分为三类：
• 一、数据上的改进，通过增加这些辅助信息以提高插值模 型的精度。 • 二、数学模型上的改进，即在同样的数据源上，改进新的 数学算法，以获取更优的插值模型，以提高插值精度。 • 三、根据特定区域的地形地貌特征而提出一种新的更适合 该研究区域的插值方法。
相关系数
平均绝对误差
平均相对误差绝对 值
径山镇 临平
1 1
0.29 0.30
0.04 0.02
结果分析
• 气温（最高气温）
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 20 39 58 77 96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 343 362
式中: T 为所要模拟的气温要素; λ为经度;φ为纬 度; h 为海拔高度;ε为误差项； f (λ,φ, h) 为大地形影响的模拟值； ε为小地形和随机误差影响的结果。 三维二次趋势面
f (λ ,φ , h) = a0 + a1λ + a2φ + a3 h + a4λ φ + a5φ h + a 6λ h + a 7λ λ + a 8φ φ + a 9 hh
NW WNW W WSW SW SSW S
NNE NE ENE E ESE SE SSE
0.10 0.05 0.00
谢谢大家！ 请批评指正！
难点：a0-a9的求取；
案例：基于DEM的气温空间分布
• SPSS软件实现
f (λ,φ, h) = 36.4+（-3.5*10^6）*hh+（-0.005）*oa
案例：基于DEM的气温空间分布
求算实测值与模拟值的误差
模拟值 f(λ ,φ ,h) = 36.4+（-3.5*10^6）*hh+（-0.005）*oa
一次多项式
二次多项式
三次多项式
– 一般地讲，N值越大，拟合精度越高。拟合精度C以下式 表示，通常C为60％～70％时，该多项式就能够揭示空间 趋势。
C 1
(z
zl ) 2 100% n 2 ( zl z )
l
n
克里金插值(Kriging)
气象空间插值技术的研究进展
王勇 南京信息工程大学 遥感学院 E-mail:wyong0210@
气象空间插值技术的研究进展
1、引言
2、气象空间插值技术的研究进展 3、基于插值方法的气候资料重建
引言
随着现代社会需求与农业生态学、气候学等学科的发展， 也迫切需要高时空分辨、空间栅格化的气象要素数据。 利用已知气象站点的观测数据对未知点进行插值预测是 20 世纪以来地理科学研究的一个热点。
相关系数
平均绝对误差
平均相对误差绝对 值
1
1
0.54
0.60
临平
结果分析
• 月平均风速
相关系数 径山镇 临平 0.97 NaN 平均绝对误差 2.46 平均相对误差 0.19
结果分析
月风频
• 风频:某一风向的次数 占总的观测统计次数的 百分比。 • 风频玫瑰图是一个地区 风向频率的统计图。
N
0.15 NNW
气象空间插值技术的研究进展
• 最近邻点法又叫泰森多边形方法。它采用一种极端的边界内 插方法—只用最近的单个点进行区域插值（区域赋值）。
反距离加权法
• 反距离加权法最早由 Shepard 提出(1982)提出的，并逐 步得到发展。每个采样对插值结果的影响随距离增加而减 弱，亦即距目标点近的样点有较大的权重。
案例：基于DEM的气温空间分布
• 采用的方法：三维二次趋势面+ 样条插值法
采用趋势面分析、逐步回归、 宏观地理因子模拟与小地形 订正等方法,建立气象要素空 间分布的数学模型。
这种方法将气候要素值分解 为两个部分：趋势部分和偏 差部分。
案例：基于DEM的气温空间分布
• T= f (λ,φ, h) +ε
气象空间插值技术的研究进展
①增加相关的辅助地理信息
• 早在1984 年，Eleanor 等人运用多元回归法对气温和降 水的空间分布进行插值时，就考虑到了地形变量对气温和 降水的影响。Marquinez 等人则利用多元回归方法和GIS 技术，分析了降水和一系列地形变量的关系，并指出最好 的插值模型是将五个影响降水的地形变量(高程、坡度、 坡向、离海岸线的距离和离相对西边的距离)作为影响因 子来考虑。将更多的可能会影响到插值分析结果的因素考 虑进去，是插值方法发展的一个主要趋势和突破点。

气象站点定位观测获取的只 是局部、离散、有限的空间 点数据，要想得到区域尺度 上的有关气象数据，通常利 用空间插值的方法，以期来 获得连续有序的空间数据。
我国常规气象站点分布图
空间插值
1 2 3 4 5 6 7 8 9 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 0 9
7 6 5 4 3
0 7
6
5
通过填补样本点之间的数据空白， 将空间上离散的测量数据转换为 连续的曲面数据，以获取区域上 任何一点变量的属性值。
4
3
2
1
0 0
已知数据 函数关系式
2 1 0 0
未知数据
1 2 3 4 5 6 7 8 9
气象空间插值技术的研究进展
• 传统的空间插值方法有反距离加权法、泰森多边形法、多 项式回归法、克里金法等 • 这些插值方法均是建立在存在空间自相关或在空间上平滑 连续的假设之上，并未考虑相关因素的影响，插值精度不 高，插值模型的物理意义也不明确。
气象空间插值技术的研究进展
• ANUSPLlN使用方法如下：
• (1)安装ANUSPLIN (2)根据要求写批处理命令文件 (3)在ARCGIS 中将输出表面ASCII文件转换成grid格式文件，进行可视化操作。
气象空间插值技术的研究进展
基于插值方法的气候资料重建
研究内容
科学重建余杭区西部山区（以现径山镇 区域站代表站）和东部平原（以现临平区域 站为代表站）2010年逐日或逐月气候资料序 列。 重建要素
•气温--逐日最高气温、最低气温和平均气温； •气压--逐日平均本站气压； •平均相对湿度--逐日相对湿度； •风--月平均风速、月风频
研究区域
研究资料
• 余杭区周边建站历史较长的气象站数据（杭州主城区、临 安、富阳、德清、安吉、海宁、桐乡等气象站）和余杭区 区域自动气象站数据。 • 气象站数据：日平均气温、日最高气温、日最低气温、四 时次风速、四时次风向 • 自动气象站数据：气温（平均、最高、最低）、风速、风 向
相关系数
平均绝对误差
平均相对误差绝对 值
径山镇
临平
1
1
0.75
0.63
0.04
0.04
结果分析
• 气温（最低气温）
35 30 25 20 15 10 径山镇 5 0 -5 -10 1 20 39 58 77 96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 343 362
Power = 2, search =h = 230
Power = 2, search = 600
Power = 4, search = 600
多项式回归
通常把实际的地理曲面分解为趋势面和剩余面两部分， 前者反应地理要素的宏观分布规律，属于确定性因素作 用的结果；而后者则对应于微观区域，被认为是随机因 素影响的结果。 – 多项式趋势面随着N值的不同，其形态也不同。