在农业气候资源分析和农业气候区划中, 特别是基于GIS的第三次农业气候区划, 都需要将气候要素与地形等要素紧密结合起来, 因此将气候要素栅格化十分必要。随着GIS和计算机技术的发展, 自20世纪80年代起一些发达国家相继完成国土数值化, 在此基础上建立了不同空间分辨率的栅格气候数据库, 其应用研究也日趋活跃^[1]。美国、加拿大、欧洲等国家和地区的空间气象数据信息系统^[2], 基于ANUSP UN的澳大利亚、南非等国家的气象数据信息系统^[3], 此外, 在世界其他地方, 如印度卡纳塔克邦, 也建立了服务于各种研究目的的不同分辨率的栅格气象数据集。于贵瑞^[4]、任传友^[5]、廖顺宝^{[6, 7]}等也对气象数据空间化进行了研究, 廖顺宝等还对气温数据栅格化的方法进行了比较。栅格数据由于地域单元小, 属性明显, 位置隐含^[8-10], 数据规范, 精度较高, 数据结构有利于空间分析, 并且可以在计算机上自由查阅和调用等优点, 为气候资源的分析和气候区划带来很大便利。热量资源是影响作物生长、发育和产量形成的主要因素之一, 同时直接影响作物的生物化学反应。进行热量资源分析, 通常用稳定通过一定界限温度的积温、无霜冻期, 最冷月与最热月平均气温等指标来反映热量资源的多少。本文主要从年平均温度、最冷月份(1月)平均温度、最热月份(7月)平均温度、日均气温T_日≥0 ℃、T_日≥5 ℃、T_日≥ 10 ℃、T_日≥ 15 ℃的积温来研究热量资源的空间化。

气候资料来自1971 —2000年泰山区、岱岳区、肥城、东平、宁阳、新泰以及济南、莱芜、沂源、蒙阴、平邑、泗水、曲阜、兖州、汶上、梁山、阳谷、平阴、长清等19个气象站点的观测资料, 地理信息数据采用中华人民共和国国家测绘局编制的中国1：25万数据。

在空间化过程中主要是对无测站栅格点要素值的推算, 本文采用三维二次趋势面分析与空间插值相结合方法^[12], 采用1980年国家大地坐标系, 高斯-克吕格投影变换, 生成各图层的分辨率为3″× 3″。

泰安市热量资源, 不管是年平均温度、最冷月、最热月, 还是积温, 其分布趋势基本上是相似的, 即泰山顶部最低, 其次是泰山山脉和徂徕山附近较低, 牟汶河、柴汶河、大汶河两岸最高。总体趋势是从西南向东北方向递减。文中仅给出年平均气温、日均气温T_日≥0 ℃积温、1月份平均气温和7月份平均气温分布图, 其它要素的栅格气候图由于篇幅所限省略。

泰安市年平均温度与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.988, 如表 1, F检验值为130.37＞F_0.05, 标准差为0.28, 残差的绝对值在0.01 ℃~ 0.32 ℃之间, 相对误差在0.1 % ~ 2.1 %之间, 回归效果极为显著。其分布范围一般在6.9 ℃~ 13.7 ℃之间, 与海拔高度的关系最为密切, 每升高100m, 气温降低大约0.5 ℃, 如图 1(a)。

表 1 Table 1

表 1 热量要素与海拔高度、纬度和经度拟合方程的检验

表 1 热量要素与海拔高度、纬度和经度拟合方程的检验

图 1 泰安市年平均温度(a)、日均气温≥0 ℃积温(b)、1月份平均气温(c)和7月份平均气温(d)分布图(℃)

最冷月1月平均温度与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.968, F检验值为44.65＞F_0.05, 标准差为0.52, 残差的绝对值在0.01 ℃ ~ 0.43 ℃之间, 相对误差0.1 %~ 18.7 %, 回归效果显著。其分布范围一般在- 6.7 ℃~ - 1.2 ℃之间, 如图 1 (c)。最热月7月平均温度与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.987, F检验值为553.66＞F_0.05, 标准差为0.20, 残差的绝对值在0.01 ℃~ 0.28 ℃之间, 相对误差0 ~ 1.0 %, 回归效果极为显著。其分布范围一般在18.7 ℃ ~ 26.9 ℃之间, 如图 1 (d)。

泰安市日平均温度≥0 ℃积温与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.987, F检验值为112.85＞F_0.05, 标准差为63.79, 残差的绝对值在5.20 ℃ ~ 125.63 ℃之间, 回相对误差0.1 %~ 2.6 %, 归效果极为显著。其分布范围一般在2734 ℃~ 5067 ℃之间, 如图 1 (b)。日平均温度≥5 ℃积温与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.985, F检验值为98.04＞F_0.05, 标准差为58.02, 残差的绝对值在5.86 ℃ ~ 150.01 ℃之间, 相对误差0.2 %~ 3.1 %, 回归效果极为显著。其分布范围一般在2699 ℃~ 4991 ℃之间。日平均温度≥10 ℃积温与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.993, F检验值为233.04＞F_0.05, 标准差为86.95, 残差的绝对值在1.50 ℃ ~ 90.12 ℃之间, 相对误差0.0 ~ 2.0 %, 回归效果极为显著。其分布范围一般在2250 ℃ ~ 4682 ℃之间。日平均温度≥15 ℃积温与海拔高度、纬度、经度拟合方程的复相关系数为0.988, F检验值为125.78＞F_0.05, 标准差为130.33, 残差的绝对值在4.61 ℃ ~ 164.52 ℃之间, 相对误差0.3 %~ 4.2 %, 回归效果极为显著。其分布范围一般在1476 ℃~ 4154 ℃之间。

在CityStar4.0系统平台上, 采用三维二次趋势面模拟与空间插值相结合等方法, 对热量资源等气候要素进行空间化, 生成分辨率为3″×3″栅格图。经检验:年平均气温、最冷月平均气温和最热月平均气温平均绝对误差在0.5 ℃以内; 0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃以上的积温平均相对误差在5 %以下, 其精度基本上达到了实用要求。研究表明, 经过地理信息系统空间化后的栅格气候数据和气候图, 极大地拓宽了气候资料的应用领域, 也为其它学科的发展提供了重要的基础数据。