（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis的甘肃河东地区气温降水空间分布研究.pdf

兰州大学硕。i ：学位论文 基于g i s 的甘肃河东地区气温降水空间分布研究 摘要 作为重要的气候资源，气温和降水不仅是自然地域系统界限划分的主要参考 指标，而且也是反映地球表层系统水热状态的综合指数。本文主要利用气象站点 气候资料、d e m 数据和植被遥感资料，基于g i s 和地理空间的空间依赖理论，对 甘肃河东地区气温降水的空间分布进行了空间关联分析、空间回归分析和空间插 值研究，探讨了气温降水的空间分布特征。 论文将空间关联模型与g i s 相结合，对气温降水空间分布进行了空间自相关 分析。全局空间关联分析表明气温降水在区域整体上具有显著的空间依赖现象， 而局部空间关联分析进一步说明各个局部地区气温降水空间依赖的不同程度。结 果表明：河东地区年均气温和年降水量空间分布呈现不同的模式，存在显著的空 间集聚现象，四种类型的空间关联在空间分布上具有明显的规律性：空间自相关 分析可以揭示气温降水分布的空间结构和空间交互，能够有效地用于局部气候差 异特征研究：空间关联指数可作为表征气温降水空间分布特征的指标。 论文将线性回归模型分为传统非空问回归模型、传统准空间回归模型和空间 回归模型。在对这三类模型进行比较分析的基础上，建立了年均气温和年降水量 的传统多元回归模型和空间多元回归模型，并对模型估算的结果进行分析解释。 分析表明，对甘肃河东地区年降水量的预测而言，采用空间滞后回归模型可以明 显提高预测精度，而年均气温的预测则适合采用空间误差回归模型。此外，依据 年均气温分布特点，添加区域虚拟变量可以进一步改善回归模型。 从地理空问的特性出发，将空间插值模型分为空间自相关模型、空问异相关 模型以及空间自相关与异相关混合模型，并据此进行了河东地区年降水量空问插 值方法的比较分析。空间回归模型应用于年降水量插值，预测精度明显优于传统 回归模型；将采样密度高的植被指数n d v i 数据和高相关性的相对湿度数据作为 协变量引入降水的泛协克罩会插值模型，预测效果比泛克里金方法有明显提高： 梯度反距离平方法插值效果明显优于反距离平方法。然后，在河东地区气温的面 域化处理中，分别进行了基于气温直减率的海拔高度订正和考虑坡度坡向的太阳 辐射订正来进行气温的插值处理。晟后，除了站点精度检验之外，还对非站点地 区预测结果进行了植被生态学验证。 关键词：气温；降水：空问关联；空间回归；空间插值；地理信息系统 兰州大学硕1 ：学位论文 摹于g i s 的甘肃河东地区气温烨承空问分布研究 a b s t r a c t a sv e r yi m p o r t a n tc l i m a t i cr e s o u r c e s 。a i r - t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o nn o t o n l ya r et w om a i ni n d e x e sf o rt h ep u r p o s eo fd i v i d i n gr e g i o n a lp h y s i c a l g e o g r a p h i c a ls y s t e m ( r p g s ) 。b u ta l s oa r es y n t h e t i ci n d i c a t o r sr e f l e c t i n g w a t e r - h e a tc o n d i t i o no ft h ee a 曲s u r f a c es y s t e m m e t e o r o l o g i c a ls t a t i s t i cd a t a d a t e df o r19 7 1 2 0 0 0 。d e md a t aa n dn d v ii m a g ed a t aa r eu s e di nt h i ss t u d y b a s e do ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m a n dt h et h e o r yo f s p a t i a l d e p e n d e n c eo fg e o g r a p h i c a ls p a c e t h e p a p e ru s et h r e em a i nr e s e a r c h m e t h o d s i n c l u d i n gs p a t i a la s s o c i a t i o nm o d e ia n a l y s i s s p a t i a lr e g r e s s i o n m o d e ia n a l y s i sa n ds p a t i a l i n t e r p o l a t i o nr e s e a r c h 。t os t u d yt h es p a t i a i d i s t r i b u t i o no fa i r - t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o no fh e d o n gr e g i o nj 1 3g a n s u p r o v i n c e 。t od i s c u s st h e i rs p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e d s t i c s f i r s t 。s p a t i a la s s o c i a t i o nm o d e ia n dg i sa r ec o m b i n e dt op e r f o r ms p a t i a i a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i so ns p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa i r - t e m p e r a t u r ea n d p r e c i p i t a t i o n g i o b as p a t i a la s s o c i a t i o na n a l y s i ss h o w sl h a tb o t ho ft h e mh a v e o b v i o u ss p a t i a ld e p e n d e n c eo nt h ew h o l er e g i o n w h i l ei o c a fs p a t i a f a s s o c i a t i o na n a l y s i si n d i c a t e st h a tt ow h a te x t e n te a c ho ft h e me x i s t so n v a r i o u sl o c a lr e g i o n s t h er e s u i t ss h o wt h a t s p a t i a ld i s t r i b u t i o n so f a i r - t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o na r ec h a r a c t e r i z e db yt w od i f f e r e n ts p a t i a l p a t t e r n s ；t h e r ea r es i g n i f i c a n tp h e n o m e n ao fs p a t i a lc l u s t e r i n gf o rb o t hi nt h e s t u d ya r e a ：i o c a iv e r s i o no fm o r a n i i sp a r t i c u l a r l yu s e f u i i nt h a ti ta l l o w sf o rt h e d e c o m p o s i t i o no ft h ep a t t e r no fs p a t i a la s s o c i a t i o ni n t of o u rc a t e g o r i e s w h i c h h a v eo b v i o u sr e g u t a r i t yi nt e r m so fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n ；s p a t i a la u t o c o r r e l a t i o n a n a l y s i sc a nr e v e a fs p a t i a ls t r u c t u r e sa n ds p a t i a li n t e r a c t i o n so fe a c ho ft h e m a n dc a nb ee f f e c t i v e l ya p p l i e dt os t u d yi o c a ic l i m a t i cd i f i e f e n c e s ；s p a t i a l a s s o c i a t i o ni n d e xm o r a n sc a nb eu s e da sa ni n d i c a t o rr e f l e c t i n gs p a t i a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa i r - t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o n s e c o n d l y , i i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l sa r ec l a s s i f i e d a sc l a s s i ca s p a t i a l r e g r e s s i o nm o d e l s ，c l a s s i cs e m i - s p a t i a lr e g r e s s i o n m o d e l sa n ds p a t i a i r e g r e s s i o nm o d e l s b a s e do nc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h r e ed i f f e r e n tm o d e l s ， t h ea u t h o rb u i l d sc l a s s i cm u l t i v a r i a b l e r e g r e s s i o n m o d e ia n ds p a t i a i m u l t i v a r i a b l er e g r e s s i o nm o d e if o ra n n u a lp r e c i p i t a t i o na n da n n u a lm e a n a i r - t e m p e r a t u r e 。a n da n a l y z e se s t i m a t i o n r e s u l t so ft h e s em o d e l s t h e r e s e a r c hi n d i c a t e st h a t s p a t i a li a gr e g r e s s i o nm o d e ii sa p p l i c a b l et ot h e p r e d i c t i o no fa n n u a ip r e c i p i t a t i o n w h i l es p a t i a le r r o rr e g r e s s i o nm o d e l | sb e t t e r f o rt h a to fa n n u a lm e a na i r t e m p e r a t u r et h a no t h e rl i n e a rm o d e l s 1 na d d i t i o n a c c o r d i n gt os p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa n n u a lm e a na i r - t e m p e r a t u r e r e g r e s s i o nm o d e l sc a nb ei m p r o v e db ya d d i n gr e g i o n a ld u m m yi n t e r p r e t a t i v e v a r i a b l e b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s e s 。t h ei a s ts e c t i o no ft h ep a p e rd i s c u s s e st h e n a t u r eo fg e o g r a p h i cs p a c e ，a n dt h e nc l a s s i f i e ss p a t i a li n t e r p o l a t i o nm o d e l sa s t h r e et y p e s n a m e l y , s p a t i a la u t o c o r r e l a t i o ni n t e r p o l a t i o nm o d e l s ，s p a t i a l 兰州大学碗j ：学位论文 基于g i s 的i 肃河东地区气温降水空问分布研究 h e t e r o c o r r e l a t i o n i n t e r p o l a t i o n m o d e l sa n d i n t e g r a t e d m o d e l so f a u t o c o r r e l a t i o na n dh e t e o c o r r e l a t i o n i nt e r m so ft h e c l a s s i f i c a t i o n c o m p a r a t i v ea n a l y s e sa r ec a r r i e do u to ns p a t i a ii n t e r p o l a t i o no fa n n u a i p r e c i p i t a t i o no fh e d o n gr e g i o n t h es p a t i a lr e g r e s s i o nm o d e li ss u p e r i o rt o c l a s s i cr e g r e s s i o nm o d e | i nt h a tl th a sh i g h e rp r e d i c t i o np r e c i s i o n c o m p a r e d w i t hu n i v e r s a ik r i g i n gm o d e l t h ep r e d i c t i o nr e s u l t sc a nb ei m p r o v e do b v i o u s l y b ya d d i n gn d v lr sd a t aa n dt e l a t i o nh u m i d i t yd a t aa st w oc o v a r i a b l e st o u n i v e r s a ic o k r i g i n gm o d e l g i d sm o d e i i sb e t t e rt h a nl d wm o d e ia c c o r d i n gt o i n t e r p o l a t i o np r e c i s i o n ，n e x t ，i nt h ep r o c e s so fs p a t i a li n t e r p o l a t i o no f a i r - t e m p e r a t u r eo fh e d o n gr e g i o n ，t h ea u t h o rc a r r i e so u ta l t i t u d e c o r r e c t i o n b a s e do nm e a na i r - t e m p e r a t u r el a p s er a t ea n dr a d i a t i o n c o r r e c t i o n b yw h i c h s a t i s f a c t o r yp r e d i c t i o nr e s u l t s ，l a s t l y , p r e c i s i o nt e s t sa r ep e r f o r m e df o rt h e s e s i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：a i r - t e m p e r a t u r e ；p r e c i p i t a t i o n ；s p a t i a la s s o c i a t i o n ；s p a t i a i r e g r e s s i o n ；s p a t i a li n t e r p o l a t i o n ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) 原创性声明 7 3 2 1 2 乏 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多! ) 连 日期：碰谬 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅：本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：未斗j j ! 牟导师签名：男磊善绎一日期：五型必 兰州大学研究生学位论文 第一章绪论 第1 节论文选题的意义 1 1 社会经济意义 气温和降水是国民经济建设中必须考虑的重要环境参数。它们与农业生产关 系密切，是农作物生长、发育和产量形成所必须的两个气候因子。一个地区作物 种类的分布、品种的选择、种植制度的形成与演化，以及各种农事活动，都在很 大程度上决定于当地热量和水分的多寡与变化状况。除了农业，其它经济建设、 商贸活动、人们同常生活都无不与气温和降水密切相关。掌握气温和降水的分布 特征、变化规律，对人类生产、生活都有非常重要的意义( 李栋梁，刘德祥，2 0 0 0 ) 。 甘肃河东地区的生态环境系统十分脆弱。在西部开发的形势下，该地区的可 持续发展问题倍受关注。对区域自然环境要素的深刻理解是进行区域可持续发展 的前提。在寻求区域生态价值和经济价值的平衡问题中，定量的自然资源分析评 价对于理解与把握区域经济发展的规模、方向和发展可能性具有参考价值，是进 行生态环境重建和实践可持续发展的基础。 1 2 科学研究意义 1 2 1 重要的参数指标 气温和降水作为重要的气候资源，不仅是自然地域系统界限划分的主要参考 指标，而且也是反映地球表层系统水热状态的综合指数。它们是地球表层上的物 理、生物和化学过程的主要影响因素之一，也是生态系统过程模型、水文模拟模 型、生物物理模型和景观生态建模研究中的必要参数。特别是随着遥感与地理信 息系统的发展，其它基础研究数据的时空精度大大提高；然而降水气温数据目前 很难由遥感直接获取，需要利用站点观测数据和插值方法在g i s 环境下生成，而 插值精度又是影响这些模型结果的重要原因。此外，气温和降水也是气候变化及 其引起的诸多环境问题的重要检测指标。随着生态学和地球科学研究尺度的扩 展，对于气温降水的空间分布规律及其变化的研究也日趋重要。 1 2 2 区域气候研究 甘肃河东地区处于东部季风区、西北干旱区和青藏高原高寒区三大自然区的 兰州人学研究生学位论文 交汇过渡地带，独特的地理位置、气候和地形地貌特征使得气温降水具有复杂的 空间结构特征。对该地区气温降水空间分布规律的研究，有助于深刻认识区域气 候的空间特征及其对全球变化的响应。 1 2 3 方法研究难点和热点 1 2 3 1 空间插值 准确的气温降水空间分布数据理论上可由高密度站网采集，但由于需要大量 人力、资金投入而缺乏可行性。绝大多数野外观测方法无法对地理空间中所有点 进行观测，但是可以获得一定数量的样本，这些样本反映了地理变量空间分布的 全部或部分特征，据此可预测其它未观测位置地理现象的特征。 根据已知气象站点数据对未知点进行插值预测是上世纪以来地理学研究的 个热点。在许多重要的国际会议中，气象要素插值已被作为专门的议程来进行 探讨和研究( 封志明，2 0 0 4 ) 。空间插值方法是多种多样的，不同方法的结果也 存在差异。没有绝对最优的空间内插方法，只有特定条件下的最优方法( 李新， 1 9 9 9 ) 。因此，如何根据数据与区域的特征选择最优的方法一直是地学研究的一 个难题，是没有得到很好解决的基本理论和技术问题之一。 1 2 3 2 用空间统计分析加强g i s 的空间分析，服务于空间数据挖掘 随着对地观测技术的进步，数掘的生产速度加快，人们正日益被海量的遥感 数据所淹没，许多数据一开始就被束之高阁，未能得到有效地利用和管理，造成 数据浪费，成为当今科学界急待解决的问题。同时，g i s 与空间分析模型的各种 结合成为g i s 领域研究的热点。 由于地理空间的独特特性使得空间统计分析比传统统计学方法更加适用于 对地理空间变量的研究；目前g i s 虽然具有强大的可视化和交互功能，但它在空 间分析，特别是空间统计分析方面的能力还比较有限，限n t g i s 数据库的知识 发现和g i s 在分析决策上的应用。由此，空问统计分析与g i s 的结合成为必然，它 使得我们可以更深入地探索、分析、处理和解释地理特征间的相互关系及空间模 式，可以更有效地提取隐藏在空间数据库中有意义的信息模式。 第2 节国内外研究综述 影响气温降水的因素很多，主要有经度( 主要考虑距海远近) 、纬度( 主要 兰州人学研究生学位论文 考虑太阳辐射) 、气候背景条件、海拔高度、地形条件( 坡度、坡向、地形遮蔽 等) 、盛行风向、山系空间格局和下挚面性质( 土壤植被状况等) 等。然而，与 气温相比，降水受地形和地表覆盖的影响相对较大，其空间变异也相对复杂，而 且地形对降水的影响根难确切估计。因而，对降水的空间化处理相对有难度。 2 1 降水空间分布 2 1 1 国外研究现状 s p r e e n ( 1 9 4 2 ) 对美国科罗拉多州西部地区1 2 2 月( 雨季) 平均降水量与海 拔高度、坡度、坡向、开阔度4 要素之间关系的模拟，结果表明该地区降水量差 异中约有8 8 是由于以上4 要素共同引起的。r o d d a ( 1 9 6 2 ) 提出降水p 与海拔 高度h 、丌阔度e 之间线性关系为p = a + b h + c e ( 其中a 、b 、c 为经验系数) 。 b s e v r u k 等( 1 9 9 8 ) 在小山前流域降水分布研究中考虑了风和地形对降水分布的 影响。u g e r m a n n ( 2 0 0 0 ) 通过雷达反射数据分析了山区降水的空间连续性后， 根据降水观测数据建立了精度较高的降水分布模式，问题是模式在时间尺度上存 在矛盾，对于平均统计意义上的降水分布意义不大。g w o l t l i n g 等( 2 0 0 0 ) 利用 主成分分析方法分析了地形特征对降水分布影响的重要性，通过d e m 建立了降 水空问分布模式。i k t s a n i s ( 2 0 0 1 ) 丌发了一套直观显示降水分布的程序，在该 程序中使用了一些常用的空问插值方法，如s p l i n e 、i d w 和k r i g i n g 方法等。 2 1 2 国内研究现状 翁笃鸣( 1 9 8 5 ) 将降水与海拔高度、坡度之间的关系考虑为线性正切模式： p = a + b h + c t 2 a ( q 为坡度) 。傅抱璞( 1 9 8 3 ) 提出山地中任意高度为h 点的年 降水量应是在标准高度上由宏观地形因子所决定的降水量加上由于局地海拔高 度不同所产生的降水量。基于傅抱璞的研究，蒋忠信( 1 9 8 9 ) 提出山地降水分布 高斯模式及其计算方法，喻洁等( 1 9 9 6 ) 提出三参数高斯模式及其非线性回归计 算方法，并将其应用于中国部分山地降水中，结果表明中国部分山地年降水垂直 分布阀线更接近三参数高斯曲线。邹松宾( 2 0 0 2 ) 将降水的空间分布研究方法分 为传统降水空间插补工具算法、考虑地理空间位置和地形特征的降水统计模型、 因子分解综合方法三种，并采用相关分析、回归分析和插值分析对甘肃中部黄土 高原地区降水气温的空间分布模式进行了研究；认为，该地区降水气温具有自东 南向西北递减的整体趋势，采用c i r c l e 模型的克里金插值方法具有较好效果。赵 兰州大学研究生学位论文 传燕( 2 0 0 3 ) 在甘肃省祖厉河流域潜在生态条件的模拟研究中采用反距离权重、 样条函数、趋势面、传统统计回归等多种空间插值方法对流域降水分布进行分析， 选择趋势面模型作为内插模型，随后为了对海拔高度加以考虑，随采用回归模型 对趋势面模型进行调节；认为调节后的模型精度高于单一的内插模型。 2 2 气温空间分布 2 2 1 国外研究现状 w i l l m o t t 等( 1 9 9 0 ) 提出气候辅助的年平均温度反距离权重插值方法( c a i ) ， 并利用高分辨率气候站点( 1 7 9 8 6 个站点) 多年平均数据生成了全球0 5 。xo 5 4 年平均温度数据集，同时在考虑海拔高度和插值搜索距离对温度的影响的基础 上，提出了年平均温度的智能插值方法。n a l d e r 等( 1 9 9 8 ) 考虑温度随经度、 纬度和海拔高度的梯度变化提出了梯度距离平方反比法。h u t c h i n s o n ( 1 9 9 1 ) 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，并发展了相应的空间插值软件a n u s p l i n 。p r i c e 等 ( 2 0 0 0 ) 等针对多年平均月温度，以加拿大东部和西部两个地区为例，对基于 d e m 的g i d s 和a n u s p l i n 两种插值方法进行了比较研究，得出了a n i j s p l i n 法略 好于g i d s 方法的结论。p a u lvb o l s t a d 等( 1 9 9 8 ) 在阿巴拉契亚山区的气温分布 研究工作中比较了区域直减率、区域回归和k r i g i n g 气温预测方法，在此基础上 估计了局部地形对区域直减率和回归预测方法的影响。k a t s u a k ik o i k e 等( 2 0 0 1 ) 应用基于多层神经网络的k r i g i n g 方法分析评价了气温分布的空间内插精度。 2 2 2 国内研究现状 国内从2 0 世纪7 0 年代中期开始，一些学者相继提出一些推算气温的方法。傅 抱璞( 1 9 8 4 ) 根据宏观地理温差、小地形订正温差、气温直减率、推算点的海拔 高度以及对照点的海拔高度和气温，计算山区推算点的气温。翁笃呜等从小气候 观点考虑，起伏地形中温度状况的形成是由本身地形条件来决定的。提出对小地 形温差的推算方法，将小地形引起的气温差分解为太阳辐射条件差异引起的气温 差、夜间冷空气的沉积引起的气温差和入侵冷空气( 平流) 在沟地滞留引起的气 温差，在确定小地形气温差后，再结合地理因子、宏观地形因素对山区气温的影 响可以推算山区气温。卢其尧( 1 9 8 8 ) 根据福建省沙溪流域气象站、气象哨的温 度资料，使用该方法推算山区年、月平均气温，并提供了相应的小地形温度订正 4 兰州大学研究生学位论文 值。陈万隆( 1 9 8 0 ) 利用山区已有测站的资料，采用三角形面积加权估算法来推 算山区月平均气温。李新( 1 9 9 9 ) 在其博士论文中采用了考虑高程影响的k r i g i n g 综合气温分布模型分析了青藏高原气温分布模式。刘勇( 2 0 0 0 ) 在进行河西走廊 自然资源环境的研究中，通过逐月逐年的气候资料分析了气温降水的地理要素统 计规律，并在此基础上进行了气温降水的地形因子影响的地学综合分析。林忠辉 等( 2 0 0 2 ) 在没有考虑插值搜索距离的前提下，利用1 9 5 1 1 9 8 0 年多年旬平均温 度，对n a l d e r 等的g i d s 方法与反距离平方法、克里金方法对中国大陆进行了比较 实验研究，得出g i d s 方法精度远远高于其它两种方法的结论。目前。在全球范 围内有多个研究组织专门从事全球温度数据空间化的研究工作( s l o n o s k y a ， 2 0 0 1 ) 。 第3 节研究区概况 圈i 1甘肃河东地区行政区划崮 甘肃省河东地区介于北纬3 2 5 。n 一3 7 7 。n ，东经1 0 0 7 。e 1 0 8 8 。e 之 间，行政区划上包括兰州、白银、定西、天水、庆阳、平凉、陇南、临夏和甘南 等9 个地市或州( 见图1 - 1 ) 。本区处于东部季风区、西北干旱区和青藏高原高寒 区三大自然区的交汇过渡地带，自然景观和社会经济发展均具有显著的地域差 异：气候类型多样，气候的纬向地带性明显，东西方向干湿度差异显著，山区和 兰州丈学研究生学位论文 高原有明显的垂直带分布影响本区的气候系统具有复杂的空间分布特征：本区 由甘肃中部黄土高原与丘陵、陇南山地和甘南高山与山原三大地形地貌区组成， 总面积约1 7 8 万k m 2 ：区内海拔高程变化相对较大( 6 0 0 4 8 0 0 m ) ，地形影响明 显。这种独特的地理位置、气候和地形地貌特征的复合影响使得本区气象要素具 有复杂的空间特征。 3 1 地形地貌 根据大地构造单元可将甘肃河东地区划分为3 个一级地貌区：陇南山地区、 甘南高山与山原区、甘肃中部黄土高原与丘陵区。同时，综合考虑地质构造和地 貌形态，又可将这3 个一级地貌区细划为9 个二级地貌区( 表1 1 ) 。 表1 i 甘肃河东地区地貌区划 一级地貌区二级地貌区 陇南山地 甘南高山与山原 南秦岭山地：微成盆地：北秦岭山地 积4 汕高山；洮江山原；西倾山高山 甘肃中部黄十高原与匠陵陇尔黄七高原：六盘山中山：陇西黄土高原与丘陵 陇南山地地貌区内多山岭，主为中山，西部多高山，东部逐渐过度为中山低 山；以微成内陆断陷笳地为界，北部为北秦岭山地，南部为南秦岭山地。甘南高 山与山原地貌区地势高峻，地面切割微弱，南北两侧为海拔4 0 0 0 m 以上的高山， 中部地貌特征呈山原形态，区内地势总的特点为西部高东部低。甘肃中部黄土高 原与丘陵地貌区包括陇东黄土高原、六盘山中山以及陇西黄土高原与丘陵三个部 分，除石质山地外，其余大部分地区均为第四纪黄土所覆盖，形成黄土地貌景观。 3 2 气候 甘肃河东地区从南到北可分为北亚热带和温带，温带再细分为暖温带和冷温 带。甘南高原由于海拔高、面积大、气候寒冷，另列为高原气候区。研究区可分 为以下5 个气候区( 李栋梁刘德祥，2 0 0 0 ) 。 陇南南部河谷北亚热带湿润区包括武都、文县的大部分和康县南部的小部分 河谷地带。境内山高谷深，气候温湿，林木葱茏，年平均气温大于1 4 c ，最热 的7 月份平均气温2 5 左右，最冷的1 月份平均气温3 c 左右。年降水量 4 5 0 7 0 0 m m ，其中夏季占5 5 。无霜期平均在2 8 0 天以上。陇南北部暖温带湿润 区是北秦岭山地，包括陇南地区的北部和甘南州舟曲县的东南部。本区年平均气 温8 1 2 ，最热的7 月份平均气温2 0 2 5 。c ，最冷的1 月份平均气温0 3 ，年 6 兰州火学研究生学位论文 降水量5 5 0 8 5 0 m m ，无霜期2 2 0 2 4 0 天。陇中南部冷温带半湿润区包括平凉地区 和天水市的全部，定诬地区大部分( 定西县城以南) 、临夏州除永靖县以外的地 区和庆阳地区南部，属于陇东和陇西黄土高原，年平均气温6 一i o 。c ，年降水量 5 0 0 6 5 0 r a m 。陇中北部冷温带半干旱区包括兰州、白银两市的全部和临夏、定西、 庆阳三地的北部，通称陇中黄土干旱区；年均气温6 - 9 c ，年降水量2 0 0 5 0 0 r a m ， 无霜期为1 6 0 1 8 0 天，降水量由南向北迅速减少，而且降水变率大。甘南高寒湿 润区包括甘南州的大部分，海拔多在3 0 0 0 m 以上，年平均气温1 - 6 c ，7 月份平 均气温1 0 一1 8 ，1 月份平均气温- 6 - 一1 2 。年降水量5 5 0 8 0 0 r a m 。 3 3 土壤 与气候分布相适应，河东地区土壤的分布表现出一定的地带性特征。陇南山 地为黄褐土黄棕壤区。河谷翁地低平地主要是草甸黄褐土和水稻土，秦岭南坡中 山地区则为山地棕壤和山地草甸土。陇东黄土高原、陇西黄土高原中部南部以及 北秦岭东部为粘化黑垆土、山地褐色土、山地棕壤、山地灌木草甸土区。陇西黄 土高原中北部则属于荒漠草原灰钙土分布区。甘南高原上分布着高山草甸土。 3 4 植被 河东地区自然植被的水平分布自东南向西北呈现出森林到荒漠草原的自然 景观。植被的水平分布大致可分为5 个自然植被带。陇南南部白龙江流域的武都、 文县、康县一带以亚热带树种为主，组成常绿阀叶或落叶阔叶混交林带。渭河、 西汉水分水岭( 北秦岭) 以南的陇南北部发育着落叶阔叶林带，植被类型以落叶 阔叶林和针阔叶混交林为主。森林草原带主要分布在l 描夏、康乐、渭源、平凉、 庆阳、华池一带以南，是暖温带落叶林向草原过度的地带。草原带主要分布在森 林草原带以北，兰州、靖远、环县一线以南地区，以温性草原为主，在兴隆山和 马衔山等l l j 区分们，有阔叶林、针叶林、常绿灌丛及高山草甸。荒漠草原带分布在 乌鞘岭一线以南地区，植被主要以几种针茅为建群种组成的荒漠草原群落。 第4 节研究目标s n m 作流程 4 1 研究目标 基于气象站点的点数据，分别将空间关联模型和空问回归模型与g i s 兰州人学i ! j 究生学位论文 相结合，分析甘肃河东地区降水气温的空l 日j 关联模式，建立适合研究 区的降水气温空间回归模型。 利用气象站点气候资料、d e m 数据和植被遥感资料，从地理空间的特 性出发，在对空间插值模型进行分类比较的基础上，对年降水量的空 间插值方法进行比较分析，对插值模型进行优化处理，模拟年降水量 的空i h j 分布特征。 考虑海拔高度、微地形( 坡度、坡向和地形遮蔽等) 对年均气温的影 响，进行研究区年均气温空间插值方法的优化研究，力求精细地模拟 年均气温的空问分布特征。 4 2 论文的工作流程 根据以上目标，沦文的总体工作流程如下图所示。 植被遥感资料 气象站点瓷料 d e i v i 数据 生长季节多年 平均n d v i 与北部沙漠 缘的g 巨离 与东南海岸 的距离 站点经度 站点纬度 站点高程 年均相对湿度 年降水量 年均气温 海拔高度 太阳辐射 降水气温的空 阃关联模式 降水气温的空 间回归模型 年降水量的空 间分布 年均气温的空 间分布 幽1 2 论文的总体i ：作流程 兰州大学研究生学位论文 1 1 工作环境 第二章所用数据与研究方法 第1 节工作环境和所用数据说明 1 1 1 硬件环境 ( 1 ) i b mn e t v i s t ai n t e lp e n t i u m l i i8 0 0m h zc p u ，1 2 8 m 内存，硬盘2 0 g ，联想 7 4 英寸显示器； ( 2 ) s g i n t3 2 0 图形工作站，i n t e l p e m i u m l l i4 5 0 m h z c p u ，5 1 2 m 内存，1 7 g 硬盘，s g i 图形加速卡，2 1 英寸显示器； ( 3 ) c o n t e xf s c 6 0 10a 0 幅彩色扫描仪： ( 4 ) c a n n o nl b p 3 2 6 0 激光打印机； 1 1 2 软件环境 ( 1 ) 操作系统：m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s2 0 0 0 ： ( 2 ) 编辑与统计分析软件：m i c r o s o f t 0 衔c e 2 0 0 0 、s p s s l l 0 ( 3 ) 专业软件：e s r i 的a r c g i s 9 0 、a r c v i e wg i s 3 2 和e r d a s 8 7 ； ( 4 ) 编程语言：m i c r o s o f t 公司的c 撑程序设计语言； 1 2 所用数据说明 表2 - 1本论文采用的投影类型和参数 参数 属性值 投影类型 投影单何 投影椭球体 第一标准纬线 第二标准纬线 中央经线 原点纬度 假尔 假j 匕 a l b e r s 投影 米 克拉索大斯基椭球体 3 4 。n 3 6 0 n 1 0 5 0 e 3 2 0 n 5 0 0 0 0 0 米 0 米 本论文所有数据均采用a l b e r s 投影，投影参数见表2 1 。甘肃河东地区 6 5 个气象站点及其外围地区3 0 个气象站点1 9 7 1 2 0 0 0 年3 0 年平均的降水、气 温、湿度等资料及各站点的经纬度和海拔高度等，主要来源于甘肃省气象局2 0 0 2 9 兰州大学研究生学位论文 年编写的甘肃省3 0 年气候整编资料和甘肃河东地区外围省区的气候整编资料， 其中6 0 个站点有3 0 年平均资料，其它站点有至少1 5 年的气候资料，气象站点 的分布见图2 1 。将这9 5 个气象站点作为点事件在a r c g i s 中转化为c o v e r a g e 格式的点图层，其属性信息保存在点图层的属性表中。甘肃河东地区行政区划 数据、d e m 数据和部分气象站点的实测年太阳总辐射数据等来源于西部环境教育 部网上合作研究中心数据库，d e m 分辨率为9 0 m ( 原图比例尺为l ：2 5 万) 。甘 肃河东地区1 9 8 2 年到2 0 0 0 年1 9 年的生长季节( 5 月到9 月) 年均植被指数n d v i 数据来源于国家资源与环境共享数据库，分辨率为8 0 0 0 m 。另外，论文中所有有 关经度纬度变量的分析均采用经过统一投影后的平面直角坐标。 3 8 汽、 a 堪0 白银、v 丧阳 兰峨 3 6j、，l f 攫辩寄瓣 秀、争u 。 3 4、舜 。、 ：雹嗡- 一 i 。嘞 i l k 一湖：膏土 之、 ：一 o 3 2 田 06 02 02 4 03 6 0 公里 气象站点 ，v 地区界线 幽2 1甘肃河尔及其周边地区气象站点分布图 第2 节空间分布研究的理论基础 空间分靠的研究涉及的内容非常广泛，本文仅讨论基于空间自相关的空间分 布。但实际- 二空问自相关是空间分布分析和空间插值分析等的基础。 2 1 地理空间的一般特性空间依赖和空间异质 各种自然地理要素均分布于地理空问中而具有位置属性，位置引起了两类空 间效应，即空间依赖和空间异质( a n l i s e nl ，1 9 9 2 ) 。它们是地理空间的一般特 兰州大学研究生学位论文 性，反映了地理要素的空间分布规律。前者也称为空间相关或空间关联，是空间 相互作用的结果。它包括地理要素的空问自相关、空问异相关与空间秩相关三个 方面。空间自相关，指地理要素自身在空间分布上的相关，直接遵循t o b i e r 地 理学第一定律( w a l d ot o b l e r ，1 9 7 9 ) ，根据这一定律，“任何事物都和其它事物 相联系，距离近的事物的相关程度要比距离远的事物高”。空间异相关是不同地 理要素在空间分布上的相关：而空间秩相关可看成空间异相关的一种特例，指地 理要素问在空间分布上表现为序列相关( 周国法，1 9 9 8 ) 。作为地理学基础理论 之一的、道库恰耶夫的地带性学说，就反映了地理空间的这些相关性规律。后者 也称为空问变异，表达了地理空间的非均匀性。 实际上，早在2 0 0 0 多年前中国古代思想家就产生了这种空问依赖的思想。“近 朱者赤，近墨者黑”和“物以类聚，人以群分”两句成语便是这一思想的精辟概 括。例如，具有相似特征、职业和背景的人群通常会住在相同的街区，形成一种 具有明显特征的街区文化，而这种文化反过来又影响该街区的人群，使得该人群 带有共性的文化特征：一个地区的经济是很相似的：自然资源、野生动植物和气 候要素的变化是随空间渐变的；一个城市内部的犯罪高发区附近通常被其它犯罪 高发区所环绕，或者一个贫困县可能邻接着其它贫困县。事实上，相似事物在空 日j 上集聚的性质是非常基本的。几乎所有的空间数据都具有空间依赖。 2 2 空间依赖的两面性 空i 、日j 依赖具有两面性。一方面，它的存在是空间插值研究的理论基础，缺乏 这种相关性，便没有空间插值。另一方面它的存在违反了大多数传统统计分