云貴高原氣溫與降水空間分布特征及其影響因素

郭曉芳, 李旭東, 程東亞

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025)

氣溫、降水是氣候的兩個關鍵因子，對生產活動、農業開發、資源利用具有重要影響。隨著全球氣候變暖，極端天氣頻繁，氣溫與降水變化受到政府和學者的廣泛關注。研究氣溫與降水空間變化特征，可為區域生態環境治理、社會經濟可持續發展提供參考，也可為農業生產提供指導。

國內外學者基于不同尺度闡述各地區氣溫與降水特征、趨勢、格局。如K.Goubanova等[1]對地中海地區氣溫與降水的研究;Ye Yang等[2]對東亞季風區異常大尺度大氣環流模式與溫度和降水異常關系的研究;Jing Zheng等[3]對中國氣候帶溫度和降水極端值的時空趨勢研究;王懷軍等[4]對淮河流域極端氣溫和降水時空變化特征的研究;張萬誠等[5]對云南極端氣溫的研究;蔣友嚴等[6]對甘肅氣溫的研究。綜合來看，國內外研究對氣溫與降水的研究，主要探究其空間分布特征、氣象災害異常、大氣環流等方面。空間插值方法研究上，何鵬等[7]通過反距離權重法、普通克里金法對四川省多年平均氣溫觀測數據進行空間插值方法研究;閆星光等[8]以貴州豐水期月均降雨量為基礎，分析了地形因素和氣象因素與降水的相關性，并對克里金插值、徑向函數插值、局部多項式插值等方法進行了對比;徐翔等[9]利用反距離權重法、普通克里金法、薄板光順樣條插值等方法對康滇區復雜山地環境下氣候要素的空間插值方法比較研究。綜合以往研究來看，目前的文獻很好地揭示了不同地區氣溫或降水變化特征，可為區域資源利用提供一定的參考。

云貴高原是重要的山區高原，其地理環境復雜，氣溫與降水變化特殊，但目前較少有學者對其整體氣溫與降水特征進行研究。因此，本文基于1981—2010年云貴高原多年氣溫、降水平均數據，采用多種方法探究其空間分布特征，并進一步探究影響因素。期望研究結果可為云貴高原地質災害防治預測、農業生產、社會經濟發展提供指導，為相關研究提供有益的借鑒。

1 研究區概況

云貴高原是中國四大高原之一，位于中國西南部，主體包括云南省和貴州省，故本文的邊界采用云南和貴州的行政區邊界，其中剔除部分飛地，如貴州天柱縣的部分飛地(圖1)，區域總面積約57萬km2。該區域總體屬于亞熱帶季風氣候，部分地區與高原氣候區相似。云貴高原是眾多大江大河的流經地，如瀾滄江—湄公河、金沙江、怒江等均流經于此處。云貴高原山地較多，西北部為橫斷山區，毗鄰青藏高原，中部為烏蒙山區，中南部為哀牢山、無量山。區域內最高海拔6 456 m，最低海拔76 m，海拔相對高差大，同時也是世界上喀斯特地貌發育最典型地區之一。其山地眾多，導致地理環境差異顯著，氣溫與降水變化獨特。

圖1 云貴高原氣象站點及地形特征分布

2 數據與方法

2.1 數據來源

氣溫與降水數據來源于中國氣象網(https:∥data.cma.cn)，DEM數據下載于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，DEM數據分辨率為90 m，氣溫與降水數據為1981—2010年多年平均氣溫與降水數據。數據下載完成后，對各類數據進行空間匹配與異常值剔除，最終選取180個氣象站點作為本文研究對象，其中貴州境內76個，云南境內104個。參考以往研究[10]，需選取一部分站點作為檢驗站點。本文共選取了10個氣象檢驗站點，分布于云貴高原不同的位置，其占比約為5.56%。

2.2 研究方法

(1) 克里金插值。該方法利用半導函數計算系數，得到最優估計值，優勢在于考慮樣本空間隨機特征[11-12]。有普通克里金(OK)和泛克里金(KED)兩種方法，公式分別為[11-12]

(1)

(2)

式中:P0為待估計值;wi為點i的已知值;pi為點i的權重;n為用于估算氣象站點數量。p(xi)為以r為半徑的領域內在觀測數據點xi處的觀測壓力值;λ為權重系數;P(x0)表示無偏最佳估計值。

(2) 反距離權重法(IDW)。反距離權重是對已知點與待估點距離進行加權平均的值，原理是兩點距離越大，差異越大，呈正相關[12-13]。公式見式(3):

(3)

式中:di為待估點到i點距離。p為指數,一般是2。

(3) 趨勢面法(TREND)。趨勢面法是在多項式回歸分析后，得到適合地理要素空間分布規律，在曲面平滑程度的基礎上，計算待估點的屬性值[14]。公式見式(4):

(4)

式中:z(x,y)表示氣象站點估計值;n0為多項式階數;ω為隨機誤差;ak為觀測點系數;x,y為平面直角坐標值。

(4) 樣條函數法(SPLINE)。樣條函數是利用多項式模擬樣本點產生平滑插值，優勢能較好體現局部地區的真實性[14]。公式如下:

(5)

式中:Z是估計值;n表示樣本數量;β表線性方程系數;di為待估點到i點距離;x,y表示平面直角坐標值。

(5) 地理加權回歸。地理加權回歸模型中的參數是表示區域地理位置的函數，其主要優勢為能夠將空間權重矩陣運用在線性回歸模型之中，并很好地展現結果的空間結構分異[15-16]。公式為:

(6)

式中:βj(ui,vi)表示第i個區域上的第j個回歸參數;xij為第i個樣本點的第m個解釋變量;ωi為隨機誤差項。

3 結果與分析

3.1 氣溫空間分布特征

云貴高原氣溫總體分布南高北低，西北部(橫斷山)和中部(烏蒙山)氣溫較低，局部地區垂直下降明顯(圖2)。通過5種空間插值分析，云貴高原西北、烏蒙山區平均氣溫多低于14℃，受橫斷山、烏蒙山地形影響，氣溫隨著海拔的升高而降低。OK與KED在南部(北回歸線以南)平均氣溫在18℃以上，OK在開陽附近出現氣溫低值區，南部氣溫高主要是緯度低、太陽直射時間長影響。IDW和SPLINE插值結果表明，低溫與高溫中心并存，小范圍點狀分布。SPLINE氣溫在高原中部由永仁到勐海狹長延伸地帶，及云貴高原外圍邊緣(如隴山、馬光、富寧，貴州南部荔波—從江一帶)，均呈現氣溫高值區，而騰沖、洱源、牟定及貴州中部，出現氣溫低值區。可能是以下原因:氣溫在局部受水域環境影響，如洱海、滇池、撫仙湖等氣溫略低。瀾滄江、金沙江等河谷地帶，氣候狹管效應明顯，相對干熱，氣溫明顯高于周邊。TREND反映平均氣溫由南向北帶狀遞減，體現溫度隨著緯度增加而降低。總體上看，高原南部區域氣溫均在18℃以上，即江城—思茅—瀾滄，處于北回歸線以南，氣溫高。

圖2 云貴高原氣溫空間插值分布

3.2 降水空間分布特征

云貴高原降水高低值中心分布不均，其南部、東部是降水的高值中心，中部主要是低值中心(圖3)。OK，KED和IDW，SPLINE降水低值區在云貴高原中部，OK和IDW在橫斷山東部出現降水低值區。IDW多次出現高低值降水中心，如貢山、龍陵、西盟等小范圍低值中心。TREND降水量由南向北減少，大部分地區降水在1 200 mm以下，尤其蘭坪—華平，彝良及仁懷—務川以北地區，降水在1 000 mm以下。SPLINE降水分布連續性變弱，云貴高原西部(貢山—騰沖—鎮康)出現降水高值，中部大范圍是降水低值中心，在華坪、武定出現高于周圍低值區降水。云貴高原該降水分布特征可能是以下原因導致;(1) 哀牢山、無量山對南部季風抬升阻礙，南部降水豐富;(2) 北回線附近，緯度低，植物蒸騰大;(3) 昆明準靜止鋒對降水產生一定程度影響;(4) 地形復雜，易形成地區小氣候。云貴高原中部以烏蒙山向貴州東部偏南降水逐漸減少，降水變化較緩慢。貴州降水值整體偏低，云南除南部，西部邊緣地區出現降水高值，中部大范圍處于降水低值區，降水變化大。

圖3 云貴高原降水空間插值分布

3.3 插值精度對比分析

本文選取云貴高原10個氣象站點作空間插值檢驗，氣溫與降水的插值精度，均采用絕對值平均百分誤差比較(圖4)，其降水是SPLINE>TREND>OK>KED>IDW，氣溫是SPLINE>TREND>IDW>KED>OK。降水SPLINE與IDW兩者之間的平均誤差總體較大，氣溫除SPLINE，TREND外，插值百分精度差距不明顯。降水、氣溫最小平均誤差值分別為13.04%，3.85%；最大值分別為18.91%，8.15%。總體上，氣溫OK，降水IDW插值精度高，效果好；相反氣溫、降水SPLINE插值誤差最大，對氣溫與降水空間分布存在局限。這可能受空間插值模型影響，氣象站點密度、海拔、區域分區擬合等綜合因素作用導致。故下文探究地形對氣溫、降水的影響。

圖4 云貴高原氣溫降水空間插值平均百分誤差

3.4 氣溫降水空間分布影響因素

3.4.1 氣溫、降水與影響因素相關分析 云貴高原氣溫及降水與經度、緯度、海拔影響因素相關分析為負相關(表1)。氣溫與經度、緯度、海拔的Pearson相關性分別為-0.161，-0.514，-0.565；降水與其相關性分別為-0.023，-0.272，-0.284。云貴高原氣溫與緯度、海拔極顯著相關，說明氣溫受緯度、海拔影響。降水與緯度、海拔也達到極顯著相關，說明云貴高原降水受海陸位置影響。經度與降水、氣溫相關不顯著。

表1 云貴高原氣溫及降水影響因素相關分析

3.4.2 氣溫降水線性回歸分析 云貴高原氣溫、降水與緯度、經度、海拔關系回歸方程表達式來看，其除經度對降水的影響系數外均小于0，常數值偏大，云貴高原降水量與經度、緯度、海拔的常數分別為913.276，2 398.216，1 312.592，降水區域差異大。R2數值在0～1之間，為正相關；調整R2是對模型中變量數進行補償效果，因此調整R2值小于R2值。氣溫、降水與經度、緯度、海拔R2最大值0.320，最小值0.001，擬合結果效果較好(表2)。

表2 云貴高原年均氣溫及降水線性回歸方程

3.4.3 氣溫與降水空間分布影響因素 云貴高原氣溫、降水地理加權回歸參數(表3)，用緯度、經度、海拔3個影響因素對氣溫降水影響。其中，Bandwidth是控制模型平滑程度，影響數據處理結果最佳值，云貴高原氣溫降水Bandwidth均為132 481.62；Residual Squares是模型殘差平方和、Sigma是殘差估計標準差，均數值越小越好，表明指標選取科學。Effective Number是模擬衡量值，均為32.40；AICc表示模型簡潔性和精確性，年均氣溫、降水AICc分別為340.40，2 451.08。R2數值在0～1，值是正相關。R2Adjusted是對模型中變量數進行補償效果，因此校正R2小于R2，高原氣溫、降水R2，R2Adjusted分別0.95，0.55，0.93，0.46，擬合結果基本滿足需要。

表3 地理加權回歸參數檢驗

海拔對云貴高原氣溫影響系數小于0，呈負相關。在空間分布上，高原中部以烏蒙山為界線，海拔對氣溫影響在貴州和云南差異明顯，云南海拔對氣溫的影響高于貴州。隨海拔升高，氣溫呈現下降趨勢。海拔每上升1 000 m，氣溫下降范圍在6.2～3.3℃。隨海拔每升高1 000 m，高原西部云南地區海拔對氣溫影響系數相對較高，達到6℃以上，滇西南海拔對氣溫影響最小，氣溫下降約3.3℃。海拔對云貴高原降水影響系數均有正負，空間影響分布趨勢不一致。高原南部海拔對降水影響系數為0.39，海拔每上升1 000 m，降水量增加390 mm。另外，在烏蒙山區海拔對降水的影響相對強烈，為負影響區。反之，在橫斷山高海拔區，降水減少620 mm。

圖5 云貴高原海拔對氣溫、降水空間影響分布

4 討論與結論

4.1 討 論

云貴高原氣溫與降水空間分布是多因素綜合的結果。高原東部貴州地區海拔對氣溫影響整體偏小，氣溫變化處于最高和最低之間，氣溫變化幅度不顯著，而黔西南、東南氣溫變化相對較大。由于高原云南西部屬于橫斷山區延伸地帶，地形起伏大。貴州較云南地形起伏較小，而下墊面黔西南石漠化分布廣，黔東南、西南森林資源豐富，對氣溫有調節作用。隨海拔升高，地形阻擋條件下，一定程度上會增加降水。當海拔上升到一定高度，空氣中水汽稀少，導致降水少。云南南部降水可能受海陸位置影響，距印度洋、太平洋近，加上海拔升高阻擋，海拔對降水影響大。高原東部貴州區域，受烏蒙山阻擋，位于東南季風迎風坡，降水豐富。但隨著海拔越高，到山脈頂部降水減少。高原西部偏北部是橫斷山脈，隨著山脈海拔高，降水減少。橫斷山區、烏蒙山對來自印度洋、太平洋水汽阻礙抬升。云貴高原冬季由于昆明準靜止鋒影響，持續時間長，在貴州一側會形成降水，另一側則降水少。另外，本文測度海拔對氣溫降水的影響中，經度影響并不明顯，無法進行地理加權回歸。而海拔對氣溫與降水的影響空間趨勢并不完全一致。海拔對氣溫影響最為強烈的地區位于瀾滄江—湄公河河谷兩側，這可能是區域峽谷地形的影響。海拔對降水的影響中，烏蒙山和云南橫斷山為負效應，可能是區域海拔較高，水汽無法深入導致。與此同時，這些地區也在一定程度上屬于山地的背風坡，水汽較少，氣候相對干熱。利用多種插值方法測度云貴高原氣溫與降水空間分布特征，可為區域資源利用和經濟發展提供參考。但云貴高原是山區，本文雖然采用多種方法探究，但也具有一定的局限性。

4.2 結 論

(1) 云貴高原氣溫空間分布總體南高北低，烏蒙山和云南西北部的橫斷山區氣溫相對較低。云貴高原氣溫分布總體隨緯度增加而遞減，西北部、中部氣溫較低。總體上南部(大致位于北回歸線以南)平均氣溫在18℃以上，西北、東北部平均氣溫低于14℃，氣溫差異顯著。

(2) 云貴高原降水空間分布總體在云南南部較多，云南東北和貴州西北降水相對較少，降水在局部地區受地形影響明顯。云貴高原降水量在空間上由中部向外圍逐漸增加，其中南部、東部降水豐富，中部相對偏少。

(3) 云貴高原氣溫與降水分布的各種插值平均百分比誤差中，誤差依次為SPLINE>TREND>OK>KED>IDW(降水)，SPLINE>TREND>IDW>KED>OK(氣溫)；氣溫OK，降水IDW插值精度高，效果好；相反氣溫、降水SPLINE插值誤差最大，氣溫除SPLINE，TREND外，插值百分誤差差距不明顯。

(4) 云貴高原海拔每上升1 000 m，氣溫下降范圍在6.2～3.3℃，哀牢山(無量山)-橫斷山沿線海拔對氣溫的影響程度較高，但海拔對降水的影響相對復雜。海拔對云貴高原降水影響系數均有正負，其影響系數范圍在-0.62～0.39，空間影響分布趨勢不一致。