淺談GIS在農業氣候區劃中的應用

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

農業氣候資源反映了一個地區氣候對其生產所提供的自然氣候條件和物質能源發展的潛在能力[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，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統[2]。中小尺度自動氣象站網的建設和時間觀測分辨率的提高，為實時監測局地提供了精細觀測資料[3]，尤其是區域自動氣象站的業務化運行，更進一步的增加了觀測資料時空分辨率。

2 GIS技術在氣候區劃指標的應用

農業氣候區劃，其最大的優點是，在缺乏足夠統計數據和原始的、規范的情況下，可以作出定量估價和得到文獻上還未反映的信息[4]。傳統的氣候區劃方法大多是根據研究區的氣象條件，對選取的區劃指標進行分級，從而得出區劃結構、進行災損風險評估[5-6]；或是通過對氣象資料等進行數理分析，得出相應的數學模型來進行氣候區劃[7-8]。利用GIS技術可以對區劃指標進行細網格化推算，得到不同背景下細網格點上的氣候要素值，從而使區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區劃其結果比較粗糙[11]。為使區劃結果達到精細化的目的，引進區域自動氣象站是必要的，區域自動氣象站一般是按鄉鎮區域分布而設置的，一般間距在20～25 km左右一個臺站。

3 區域站資料數據的空間處理和分析

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

在自動觀測定時數據中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度某一定時數據缺測時，用前、后兩定時數據內插求得，按正常數據統計。

在自動觀測定時數據中，氣溫、氣壓、相對濕度、地溫及土壤各層溫度若連續兩個或以上定時數據缺測時或小時降水資料缺測時，依據現有的常規氣象站和區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律內插而得[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，進行空間統計分析，建立分區（在分區的時候若目標區范圍小，氣候、地理特征差異不大，也可不劃分區）氣候要素與經緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理信息數據的關系模型。依據氣象-地理信息關系模型，將實有自動氣象站資料內插到本站上，一般采用距離加權平均法進行內插[14]，計算公式為：

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

所有要素處理后，按正常記錄統計。

3.2 風向、風速不正常記錄的統計

由于風受影響的因素較多，根據地形、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《地面氣象觀測規范》[12]中對風記錄缺測統計的要求：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”等規定進行處理。

3.3 日、旬、月平均值的統計

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而得；為保持與現有氣象臺站數據統一，方便氣候區劃，資料須進行橫行統計做 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、月的日數而得。

⑶日、旬、月平均值，所取小數位與相應要素記錄的規定位數相同（平均云量取一位小數），計算時規定小數位后的小數四舍五入。

⑷氣溫項每年還應該分別統計≥0℃、≥10℃積溫總量值。

4 GIS系統的空間數據庫的建立

通過調研考察，了解當地的農業的歷史、現狀以及農業結構化調整規劃，針對迫切解決的問題，確定區劃對象，制定區劃方案，根據農業氣象數據（包括災情、產量等）和地理因子（包括海拔高度和坡度等），結合氣候條件，運用統計學等方法尋找農業氣候區劃指標。

4.1 常規指標數據庫的建立

根據農業氣候區劃指標建立常規數據庫，包括涉及的常規氣象資料和相關的農業氣象資料為歷史數據資料。相關農業氣象資料包括災情、產量、作物各個生長期的極限氣象條件等。

4.2 配套的GIS空間數據庫的建立

建立區劃目標區內的地理信息系統數據庫，包括矢量和柵格數據庫。矢量數據主要有行政邊界、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。柵格數據主要是DEM（高程）數據，生成的經緯度數據也是柵格數據。以黑龍江省為例，氣象一般使用的地理信息數據庫為1：50 000地理背景數據的電子地圖，土地資源信息、土地利用信息來源于中國科學院資源環境科學數據中心提供的1：100 000的土地利用現狀圖數據[11]。肖秀珠等[15-16]對福建省長汀縣的烤煙進行區劃時，結合100m×100m網格點上的地理信息資料繪出區劃圖，利用原有國家級氣象臺站資料，可精確到村一級。

5 網格氣候數據的推算

依據現有國家級氣象臺站和區域自動氣象站歷史數據，結合1 km×1 km網格點上的緯度、經度、海拔高度、坡度、坡向等地理數據，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℃積溫的千米網格柵格圖。推算公式如下[17-19]：

式中：X和Xi為網格與氣象站點的X軸坐標值；Y和Yi為網格點與氣象站點的Y軸坐標值；E和Ei為網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；di為網格點到第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域氣象站）的總量，為用于插值的氣象站點數目；Zi為氣象站點氣象要素值；Z為網格點的氣象要素值。

6 小結

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

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