湖北省复杂地形影响下降水精细化分布特征研究(2)
1.3.2 Arcgis 空间数据分析 包括空间数据的采集与组织、空间数据的转换与处理、栅格数据的空间分析、地形因子提取、空间数据插值等。
1.3.3 反距离权重插值 反距离权重插值(Inverse distance to a power)[12]是一种圆滑的加权平均插值法,它的权系数是随着离确定网格点距离的增加而下降,这个过程是运用方次参数进行控制。距确定数据点距离较近的点有一个较高的权重份额,属于较大的方次,距确定数据点距离较远的点权重份额分配比较均匀,属于较小的方次。当进行插值计算时,栅格数据内每个网格点的值都需要计算,根据从该网格点到观测点之间的距离赋予该数据点权值和方次,其与距离大小呈反比。表达方程式如下所示。
式中,Z0是点 0 的估计值;Zi是已知点i的z;di是已知点i与点0 之间的距离;k是距离的幂,显著影响内插的结果;s为在估算中用到的已知点的数目。
1.3.4 多元线性回归 方法较为简单,具体参见统计类书籍。
1.3.5 误差检验方法 评估建立的降水模型效果,采用下列指标作为效果指标。
1)平均绝对百分比误差(MAPE)。
式中,xij表示某个点的模型模拟值;xi表示该点的实测值。
2)相关系数及显著性检验。对所建降水模型的模拟值与站点实测值,需计算两者相关系数。
式中,xki表示某个点的模型模拟值表示建立模型模拟值样本的平均值;xli表示该点的实测值表示实测样本的平均值。
2 降水模型建立与特征分析
2.1 降水模型建立
将湖北省研究区域划分为8 个不同地区,分区建立降水模型。以Ⅰ区为例,Ⅰ区共用到203 个区域自动站2016—2018 年降水日值观测资料,通过Arcgis 提取203 个站点的地理信息,本研究提取经度、纬度、高度、坡度、坡向5 个因子。尝试利用SPSS软件,采用多元线性回归等方法,将多个变量因子进行筛选,建立3 年平均降水与地形因子间的模型。
Ⅰ区降水模型如下:
r=+0.2h+0.9p+0.01a-23 927.9
式中,r为年降水量(mm);x为经度(°);y为纬度(°);h为高度(m);p为坡度(°);a为坡向。
从建立的模型来看,降水与高度、坡度、坡向呈正相关关系,地形高度每增加100 m,降水量增加20 mm/年。将建立的降水模型带入地形资料,得到Ⅰ区降水的空间分布(图4)。
图4 模拟的Ⅰ区降水空间分布
运用相同方法,分别建立各区降水模型,如表1所示。
将建立的各区降水模型带入地形资料,得到各区降水的空间分布,再利用ArcGis 合并功能,将各区降水进行合并处理,最终得到考虑复杂地形影响的分辨率为1 km 的湖北省降水空间分布(图5)。
表1 各区域建立的降水模型区域ⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ所用观测站数量230 225 332 278 177 285 275降水模型r=-+0.1h+0.01p+0.01a+12 034.8 r=+0.2h+ 658.3 r=+0.3h+12.3p+0.2a-4 480.8 r=-+0.2h++7 449.0 r=-++35 241.8 r=+0.2h+1.1p+0.03a+12 351.8 r=+ 162.7
图5 湖北省模拟年平均降水分布
2.2 降水模型精度检验
为验证各区所建降水模型的准确性,将8 个区域各气象站点实际降水与模型模拟值进行对比。将各区域气象站点地理信息带入建立的降水模型,得到各站点降水模拟值,计算模拟值与实际值的平均绝对百分比误差(MAPE)及进行相关性分析和显著性检验。从检验结果(表2)来看,各区域站点降水实测值与模拟值的相关系数均通过0.01 的显著性检验,相关系数在0.360~0.692,除Ⅴ区外,其他区域相关系数均在0.5 以上。误差方面,MAPE在7.95%~12.67%。Ⅴ区的降水实测与模拟的相关系数最低,平均绝对百分比误差也为最大,可能是由于该区域位于湖北省西北部,南部受高大的神农架阻挡,降水条件不仅受地形、地貌等地理要素影响,同时受到整体下垫面作用和局地小气候等多因素的制约,相互作用和影响较为复杂,故计算的误差较大。整体统计,模拟的全省降水准确率为89.5%。
同时,将全省2 005 个区域站近3 年平均降水量进行插值,与模拟的降水分布进行对比。由图6 可以看到,模拟值与实际降水分布趋势一致,说明建立的降水模型能较好地反映实际降水情况。
表2 各区域所建模型的准确率分析注:**表示通过置信水平为0.01 的显著性检验MAPE//%10.77 7.95 10.41 8.60 12.67 11.30 10.14 10.57区域ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ样本数203 230 225 332 278 177 285 275相关系数0.522**0.530**0.623**0.502**0.360**0.676**0.692**0.571**
文章来源:《测绘地理信息》 网址: http://www.chdlxx.cn/qikandaodu/2021/0722/642.html
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