基于地形因素巫山縣夏半年降雨量空間模擬

周元瑞++林孝松++楊晗++崔夢瑞++何浪++王芳

摘要：為了對水資源進行合理管理，研究農業氣候資源和區域可持續發展，分析山洪災害危險性及有效預測和防治山洪災害，選取重慶市的巫山縣作為研究對象，利用巫山縣周邊21個氣象站點的4～9月多年月均降雨量數據，基于SPSS對相關要素進行了線性回歸模擬；利用線性回歸模型對巫山縣夏半年（4～9月）降雨量進行了空間綜合模擬，利用GIS的空間信息處理能力，分析研究了夏半年降雨量對山區縣域洪災的影響及在農業氣候資源和區域可持續發展方面的貢獻。研究結果表明：巫山縣夏半年降雨量分布由東和東南向西和西北、由高海拔向低海拔地區逐漸減少，夏半年降雨量的地區分布差異明顯，但整體上巫山縣夏半年降雨量相對較充沛。

關鍵詞：夏半年降雨量；空間模擬；線性回歸；巫山縣

中圖分類號：P426.62

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10017503

1 引言

由于水資源時空分布不均、地區分布差異大等原因，對人類的經濟、生活造成一定的影響，因此對降雨量的空間模擬與分析研究具有重要的意義[1]。彭曉芬等[2]（2010）利用反距離權重法、普通克里金法、樣條函數法和回歸模型法對云南省134個氣象站1993～2007年多年平均降雨量進行空間插值分析；肖鵬嵩等[3]（2013）利用17個典型氣象站點1957～2001年的降雨量資料，采用距平百分率、線性趨勢線、滑動平均、累積濾波器和Kendall秩次相關法等方法，分析了廣西平均降雨量變化趨勢；朱會義等[4]使用58個降雨量數據， 分析站點數量變化、時間尺度變化和采用插值方法所帶來的空間插值的不確定性， 建議引入獨立的相關變量，整合到現有插值方法中；蔡文華等[5]利用福建省68個臺站所處緯度、海拔高度、離海距和地形遮檔仰角等地理因子建立推算3～6月降雨量平均值的模式；祝青林[6]（2010）等綜合利用三維趨勢面、協同克里金、三維薄片樣條等對大連市降水觀測數據進行空間插值分析，認為光滑樣條曲線插值效果最優；B.Sevruk 等[7]在小流域降水分布研究中考慮風和地形的影響。

以重慶市巫山縣為研究范圍，利用巫山縣及周邊21個氣象站點4～9月多年平均降雨量數據，分別選取經度、緯度、高程等地形因素對巫山縣的夏半年降雨量進行空間模擬。同時根據巫山縣坡向設定相應的坡向系數對模擬得到的夏半年降雨量進行校正；然后鄰域匯總計算出各村夏半年降雨量平均值；最后對洪災危險性、水資源分布狀況進行相應分析與評價[8～11]。

2 研究區概況與數據來源

巫山縣位于重慶市東北部，三峽庫區腹心。東鄰湖北省巴東縣，西接奉節縣，南與湖北省建始縣毗連，北與巫溪縣及神農架林區接壤。幅員面積2958 km2，耕地面積40274 hm2。轄24個鄉鎮、2個街道（圖1），307個村和33個居委會，總人口63萬人。巫山縣地貌上呈深谷和中低山相間形態，地形起伏大，坡度大。

研究數據來源于中國氣象網（http：//data.cma.cn/）中國地面氣候資料月值數據集，共選取巫山縣及周邊近21個氣象站點1981～2010年4～9月累年月均降雨量以及各氣象站點高程、經緯度等。

3 研究方法及結果分析

3.1 建立多元線性回歸模型

基于獲取的基礎數據，利用SPSS進行線性回歸分析，得到重慶市巫山縣夏半年降雨量與高程、經度和緯度之間的回歸模型，如下所示：

式（1）中，y為夏半年降雨量，φ為緯度，λ為經度，h為高程；樣本數為21，λ，φ 單位為°，h 單位為m，F值58.683。

3.2 基于回歸模型模擬夏半年降雨量空間分布

將30 m×30 m巫山縣DEM數據轉化為矢量數據，獲取每個網格經緯度數值和高程值；利用上述回歸分析獲得模型計算出每個網格夏半年降雨量（mm），模擬結果如圖2所示。3.3 基于地形因素校正夏半年降雨量

降水主要受宏觀地理因素、海拔高度和大型坡地方位的影響，為了較準確地描述和分析巫山縣夏半年降雨量的空間分布特征，需要對回歸模擬出的夏半年降雨量進行校正。山脈的迎風坡和背風坡降水有明顯差異，山地的迎風坡地形對降水的影響程度決定于地面坡向、氣流方向以及地表高程的變化。選用由坡向引申出的坡向系數對模擬得到的夏半年降雨量進行校正，即夏半年降雨量y（t）=夏半年降雨量y（0）×坡向系數。

坡向系數主要根據夏半年東南季風和西南風對重慶巫山縣的影響來進行相應定義，具體值分別為平地（1.00）、北（0.95）、東北（0.95）、東（1.05）、東南（1.15）、南（1.15）、西南（1.05）、西（0.90）、西北（0.90），在此基礎上利用GIS基于DEM得到巫山縣坡向圖（圖3），提取屬性進行相應賦值；將矢量坡向數據與矢量DEM相交分析；在相交圖層屬性表中模擬出校正夏半年降雨量（圖4）。

從圖4可以看出，巫山縣夏半年降雨量高值多集中在東南和西南部，其中部和北部大多數地區的降雨量較少，隨著高程的增加，降雨量也有所增加，所以北部高海拔地區降雨為高充沛區域。從兩幅圖分析得出校正后夏半年降雨量范圍比未校正的范圍大，即未校正的夏半年降雨范圍在600～860 mm，校正后的夏半年降雨范圍在430～1090 mm。

3.4 結果評價分析

將校正后的數據以村為單位進行鄰域平均匯總，即得到巫山縣各個村夏半年降雨量的平均值（圖5），從圖5中得知匯總平均降雨量在500～940 mm之間。利用GIS自然斷點法將夏半年降雨量分為貧瘠（<650mm）、較充沛（650～760 mm）和充沛（>760mm）3級，統計得到各級所占面積分別為20%、40%和40%。

從水資源方面來看，巫山縣夏半年降雨范圍為430～1090 mm，其降雨空間分布范圍由東、東南向西、西北呈逐漸減少的趨勢，在一定高度范圍內由低海拔區向高海拔區逐漸增加，所以其北部的局部地區降雨量較大，例如最靠近北邊的當陽鄉、官陽鎮、平河鄉降雨為高充沛，其分布區域差異明顯。巫山縣南部的紅椿鄉、篤坪鄉、廟宇鎮、曲尺鄉、巫峽鎮、龍井鎮、建平鄉等一帶的降雨量處于充沛狀態，其年累計4～9月均降水量超過700 mm，而中部大昌鎮、龍溪鎮、福田鎮、雙龍鎮的部分村落其降雨量相對處于貧瘠狀態，其降水量小于600 mm。還有部分鄉鎮降雨量較充沛，其降雨量范圍在650～790 mm，例如東北部的竹賢鄉和騾坪鎮、東南部的三溪鄉、西南部的銅鼓鎮等。

從災害預警方面來看，洪災致災因子中降雨量是最直接導致洪災發生的因素，因為洪災多發生在夏半年，從巫山縣歷年發生洪災時間來看普遍存在這樣的規律，因此研究模擬夏半年降雨量顯的極為重要，巫山縣夏半年降雨量充沛的東南部和西南部發生洪災危險性較大，北部地區降水較少的區域洪災發生的概率相對較小，但是局部村莊降雨量超過650 mm也具有一定的危險性。

4 結語

（1）基于巫山縣及周邊 21個氣象臺站多年實測數據，利用 SPSS 軟件建立巫山縣夏半年降雨量與經度、緯度和高程之間的回歸模型；利用ArcGIS 軟件創建了巫山縣范圍內 30 m×30 m 的格網系統，并基于ArcGIS 技術獲取了每個網格單元的平均高程及經緯度坐標值；利用格網系統及模擬的回歸方程完成了巫山縣夏半年降雨量空間模擬，同時得到其空間模擬分布圖。

（2）基于地形因素坡向對初次模擬的降雨量進行坡向校正，利用ArcGIS軟件得到巫山縣夏半年平均降雨量校正分布圖，并以行政村為單元將降雨資源進行匯總平均，得出巫山縣夏半年降雨量綜合模擬數據。

（3）基于巫山縣夏半年降雨量綜合模擬結果圖，對其縣域內的降雨資源空間分布狀況及洪災預警方面進行了相關分析。

參考文獻：

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