基于GIS的大興安嶺中段東南坡降水量空間插值分析

唐紅艷,牛寶亮

(內蒙古興安盟氣象局,內蒙古烏蘭浩特137400)

降水量作為水資源的重要組成部分,是動植物生長發育和人類社會生存、發展不可或缺的自然環境條件之一。進行無氣象觀測站地區降水量的推算,研究其空間分布特征和規律,對于科學合理利用水資源,發展高效農業、特色農業和農牧業產業結構調整都有很好的指導作用,因此受到決策管理部門、生產部門和氣候專家的廣泛關注。但終因氣象站點稀少,研究工作進展緩慢。早在20世紀60-70年代,國外學者就用月平均最低氣溫推算初、終霜日期[1],用海拔高度、坡向、離海岸距離推算無測站地區的降水量分布[2]。國內學者在推算無測站地區的氣象要素空間分布方面也做了大量研究[3-11],沈國權1984年考慮宏觀地形溫度效應的前提下推算丘陵山區的氣候要素,傅抱璞1988年、1992年利用地理因子又提出半經驗半理論回歸模擬方法推算無測站地區氣候要素的空間分布方法,并對福建省建陽地區月降水量進行了推算,取得了比較滿意的效果。近年來,GIS技術的廣泛應用,使得氣候要素推算結果[12-14]更加精細。

內蒙古興安盟地區氣象站點稀疏(氣象站之間最近距離100 km),現有的氣象觀測站資料難以滿足日益發展的農牧業生產需求。本文采用回歸分析方法建立了興安盟降水量空間分布模型,并在GIS平臺下推算出無測站地區降水量的空間分布,為更好的滿足農牧林業生產、工業基地布局等合理開發利用水資源提供科學依據。

1 研究區概況、資料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于內蒙古自治區東北部的興安盟(44°14′-47°39′N,119°28′-123°38′E),大部分地區地處大興安嶺中段東南坡,只有阿爾山市的少部分地區位于大興安嶺的西北坡。行政區域包括6個縣級單元,總土地面積598.06萬hm2,轄區內有8個氣象觀測站。東北-西南走向的大興安嶺貫穿境內西部,嶺西北地勢平緩,漸向蒙古高原過渡,嶺東南地勢相對陡峻,與松遼平原連接。地形由西北向東南階梯狀下降,依次為中山、低山、丘陵和平原,山地占興安盟總面積的60%,丘陵占21%,平原只占19%。該區屬于中溫帶大陸性季風氣候,由西北向東南對應植被依次為林地、草地及農田,屬于典型的農牧林交錯帶。

1.2 資料來源

地理信息資料來源于國家測繪局1∶25萬地理信息數據,包括興安盟行政邊界、經緯度、數字高程柵格數據(3″×3″)等地理信息資料;氣候資料來源于大興安嶺東南坡的興安盟8個站,內蒙古呼倫貝爾市的扎蘭屯、阿榮旗、莫力達瓦旗和博克圖4個站,通遼市的通遼、開魯、科左后旗、舍伯吐、巴雅爾吐胡碩和魯北6個站,吉林省白城市的白城、洮南、大安和通榆4個站,黑龍江省齊齊哈爾市的齊齊哈爾、泰來、甘南和龍江4個站共計26個觀測站資料,包括1971-2000年月、季、年降水量等共計18個標準氣候統計值以及各氣象觀測站的經度、緯度和海拔高度。

1.3 研究方法

1.3.1 地理信息資料的處理 應用1∶25萬地理信息數據,在地理信息系統Citystar 4.0平臺下,進行各層地理信息數據的導入、拼接、拓撲運算和投影、配準等圖層處理,最終生成興安盟地區的海拔高度、經度和緯度柵格圖層(3″×3″)。

1.3.2 降水量空間分布模型建立方法 影響氣候要素空間分布的主要因素有經度(λ)和緯度(φ)、宏觀地形和大地形因素(包括山體走向、總體高度和長度等)、局地海拔高度(z)和微觀地形因素(包括坡地方位、地形形態、植被、土壤)等[4]。在某個地區范圍內氣候要素y的空間分布函數可以表示如式(1)。

式中：F(λ,φ,z)— —某氣候要素y 受地理位置、宏觀地形和局地海拔高度影響的空間分布函數;Δym——微觀地形因素對該要素的影響訂正,一般可以近似地看作常數。若把 Δym包含到F(λ,φ,z)中,則(1)式可變為式(2)。

對于表征氣候要素的降水量,可以將式(2)的空間分布函數表示如式(3)。

若選取研究地區中心經度λ0、緯度φ0和高度h作為基準經、緯度和海拔高度,而將其他任意點的經、緯度表示為 λ=λ0+Δλ和 φ=φ0+Δφ,對屬于同一氣候區范圍不大的一個地區來說,Δλ和Δφ都比較小,可以將未知函數 ψh(λ,φ)和 f(z-h)用冪級數展開整理得式(4)。

式中：y*i——研究地區氣候要素的空間分布函數;x i——地理因子;ai——待定系數,用最小二乘法求得。

1.3.3 空間分布模型精度檢驗方法 用參與建模的23個站資料進行回代檢驗,用未參與建模的3個站資料進行模擬檢驗,通過回代和模擬檢驗平均相對誤差(δ)分析模型的推算精度。

式中：y*i——回代或模擬值;y i——實測值。精度標準：|δ|≤5%為高精度,5%＜|δ|≤10%為中等精度,10%＜|δ|≤15%為低精度。

1.3.4 不同時間尺度模型推算結果的一致性檢驗方法 月、季、年不同時間尺度模型推算結果的一致性關系到所有模型的可靠性和推算結果的可用性。先用逐月降水模型推算結果統計出年、季降水量,再用年、季降水量模型計算出相應的降水量,通過對兩種方法相對誤差(δ)的對比分析,檢驗同一氣候要素不同時間尺度模型的一致性。

2 結果與分析

2.1 降水量空間分布模型的建立

根據(4)式,經過對不同冪級數展開式的反復試驗,一次冪級數展開式能夠較好的模擬興安盟降水量的空間分布,即

式中：a0,a1,a2,a3——待定系數;x1,x2,x3——經度、緯度和海拔高度。采用多元回歸統計方法,用其中23個站資料建立方程,用吉林省的洮南、黑龍江省的龍江和通遼市的魯北三個周邊站資料進行模擬檢驗。降水量空間分布模型見表1,同時將相關系數(R),顯著性檢驗(α),平均相對誤差(δ)列入表1。

表1 降水量空間分布模型、顯著性檢驗及回代檢驗結果

表1中序號1～18依次分別為年(1-12月)、春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-10月)、冬季(11月至翌年2月)、作物生長季(4-9月)和1-12月各月降水量空間分布模型。

2.2 降水量空間分布模型的檢驗

2.2.1 模型效果檢驗 由表1可見,建立的18個降水量空間分布模型全部通過了顯著性檢驗(P≤0.05),其中有 3個模型通過極顯著性檢驗(P≤0.01)。說明降水量空間分布模型推算效果較好,統計意義上可用來推算興安盟無氣象資料地區的降水量空間分布。

模型回代檢驗和模擬檢驗結果(表1)表明,有44%的模型回代檢驗和67%的模型模擬檢驗平均相對誤差在-5%～5%之間,只有1月和12月降水模型回代相對誤差超過10%,回代檢驗的最大誤差出現在所選樣本范圍的南北兩端地區,只有極少數出現在興安盟境內。說明建立的降水量空間分布模型推算精度能夠滿足興安盟地區不同用戶需求。

2.2.2 不同時間尺度模型一致性檢驗 檢驗結果(表2)表明,采用月降水量時間尺度模型回代和模擬的年、季降水量誤差(δ1),比采用年、季降水量模型回代和模擬的誤差(δ2)大,其差值(δ1-δ2)小于任何時間尺度模型本身的相對誤差,說明建立的月降水量模型和年、季降水量模型之間具有較好的一致性。

表2 不同時間尺度空間分布模型一致性檢驗結果mm

2.3 興安盟地區降水量空間分布特征

在GIS平臺下,將 3″×3″的地理信息柵格圖層代入降水量分布模型中,輸出興安盟地區3″×3″的降水量空間分布圖(18張),由于篇幅有限本文只分析年降水量的空間分布特征。

由于所建立模型均采用大興安嶺東南坡資料,因此本文只對大興安嶺東南坡興安盟地區降水量進行分析。圖1表明,興安盟地區年降水量自東南向西北逐漸遞增,大興安嶺西北坡降水量最多,而東南部的主要農區降水量最少。西北部的林牧農交錯帶年降水量為440～460 mm,包括扎賚特旗的西北部、科右前旗的西北部和阿爾山市;依次向東南的半農半牧區為420～440 mm,包括扎賚特旗的東南部、科右前旗的東南部、烏蘭浩特市、突泉縣和科右中旗西北部的少部分地區;農區降水量不足420 mm,包括突泉縣、科右中旗的大部分地區。受季風氣候影響,年降水量的73%～76%集中在夏季(250～370 mm),作物生長季(4-9月)降水量占年降水量的93%～94%,冬季降水量最少,僅占年降水量的1%～2%,阿爾山林區冬季降雪量接近30 mm,占年降水量的6%。

圖1 興安盟年降水量空間分布

由于夏季盛行東南風,其他季節均盛行西北風,受東北-西南走向的大興安嶺山脈影響,降水量隨地理因子的變化特征為：(1)冬、春季節以及1-4月、6-7月、10-12月經度的影響大于緯度的影響,年、秋季、作物生長季以及5月、8-9月緯度的影響大于經度的影響,夏季經、緯度的影響接近;海拔高度的影響則夏季最大(14.3 mm/100 m),春秋季最小(2.2 mm/100 m)。(2)在同緯度和高度下,年、夏季、作物生長季以及5-8月降水量隨經度的增加而遞減,即由西向東逐漸減少,遞減率最大的是夏季為35.7 mm/1°E,最小的是 5 月為 0.06 mm/1°E,其他時段遞減率為3.4～33.6 mm/1°E;春季、秋季、冬季以及1-4月和9-12月降水量則隨經度的增加而遞增,即由西向東逐漸增加,遞增率最大的是冬季為4.4 mm/1°E,最小的是2月為0.4 mm/1°E,其他時段遞增率為0.6 ～3.4 mm/1°E。(3)在同經度和高度下,年 、夏季、秋季、作物生長季以及4月和6-9月降水量隨緯度的增加而遞增,即由南向北逐漸增加,遞增率最大的是作物生長季為41.0 mm/1°N,最小的是4月為0.6 mm/1°N,其他時段遞增率為 4.5 ～37.6 mm/1°N;冬季 、春季、以及1-3月 、5月和10-12月降水量則隨緯度的增加而逐漸遞減,遞減率最大的是冬季為1.7 mm/1°N,最小的是 1 月為 0.3 mm/1°N,其他時段遞減率為0.4～1.1 mm/1°N 。4)在同緯度和同經度下,春季、秋季、冬季、以及1-5月和9-12月降水量隨海拔高度的增加而遞增,遞增率最大的是冬季為3.4 mm/100 m,遞增率最小的是5月為0.4 mm/100 m,其他時段遞增率為0.7～2.2 mm/100 m;年、夏季、作物生長季和6-8月降水量則隨海拔高度的增加而遞減,遞減率最大的是夏季為14.3 mm/100 m,遞減率最小的是6月和8月為1.8 mm/100 m,其他時段遞減率為6.4～12.4 mm/100 m。

3 結論與討論

大興安嶺中段東南坡降水量推算結果表明,內蒙古興安盟地區年降水量由東南向西北逐漸遞增,大興安嶺西北坡降水量最多,而東南部的農區降水量最少。嶺東南林牧農交錯帶年降水量為440～460 mm,半農半牧區為420～440 mm,農區降水量不足420 mm。受季風氣候影響,年降水量的73%～76%集中在夏季(250～370 mm),作物生長季(4-9月)降水量占年降水量的93%～94%,冬季降水量最少,僅占年降水量的1%～2%,阿爾山林區冬季降雪量接近30 mm,占年降水量的6%。

受盛行西北風向和大興安嶺山脈遮擋影響,興安盟地區年降水量空間分布受緯度影響最明顯,其次是經度,海拔高度的影響比較小。地理因子對不同季節、不同月份降水量的影響程度因季節而有所差異。年降水量隨緯度的增加而遞增,遞增率為 37.6 mm/1°N;隨經度的增加而遞減,遞減率為24.7 mm/1°E;隨海拔高度的增加而遞減,遞減率為6.4 mm/100 m。

大興安嶺西北坡與東南坡地形差異較大,應用同一模型推算降水量可能造成嶺西北坡的推算結果誤差偏大。隨著自動氣象站點的增加,今后可以為嶺西北坡單獨建立降水量空間分布模型。另外,降水量局地性比較強,受下墊面性質以及坡度、坡向影響顯著,對于降水量宜采用普通克里金法進行空間插值效果可能更加理想[14]。

[1] C.A.薩鮑日妮科娃.小氣候與地方小氣候[M].江廣恒譯.北京：科學出版社,1963：45-83.

[2] 正務章.崎阜縣地方しニぉしぅゐ日最高氣溫/日最地氣溫の地理分布の推定方法[J].研究時報,1976,26(8)：371-337.

[3] 沈國權.考慮宏觀地形的小網格溫度場分析方法及應用[J].氣象,1984,10(4)：2-27.

[4] 傅抱璞.山地氣候要素空間分布的模擬[J].氣象學報,1988,46(3)：319-326.

[5] 傅抱璞.地形和海拔高度對降水的影響[J].地理學報,1992,47(4)：302-314.

[6] 盧其堯,傅抱璞,虞靜明.山區農業氣候資源空間分布的推算方法及小地形的氣候效應[J].自然資源學報,1988,3(2)：101-112.

[7] 翁篤鳴.山地溫度狀況的分析和推算(一)[J].氣象,1985,(3)：34-38.

[8] 歐陽宗繼,趙新平,趙有中,等.山區局地氣候的小網格研究方法[J].農業工程學報,1996,12(3)：144-148.

[9] 內蒙古自治區改造中低產田的綜合農業氣象工程研究課題組.內蒙古東部丘陵山區水熱資源的推算和分析[J].內蒙古氣象,1996(4)：11-14.

[10] 穆興民,陳國良.黃土高原降水與地理因素的空間結構趨勢分析[J].干旱區地理,1993,16(2)：71-76.

[11] 穆興民,徐學選,陳國良.黃土高原降雨量的地理地帶性研究[J].水土保持通報,1992,12(4)：27-32.

[12] 錢錦霞,張建新,王果靜,等.基于Citystar地理信息系統的農業氣候資源格點推算[J].中國農業氣象,2003,24(1)：47-50.

[13] 吳文玉,馬曉群.基于GIS的安徽省氣溫數據柵格化方法研究[J].中國農學通報,2009,25(2)：263-267.

[14] 孟慶香,劉國彬,楊勤科.基于GIS的黃土高原氣象要素空間插值方法[J].水土保持研究,2010,17(1)：10-14.