基于GIS的寧海縣降水分布細網格推算研究

申子彬++周溥佳++水旭瓊++郁懋楠++陳昌漢

摘 要：本文利用寧海縣國家一般氣象站及21個區域氣象站2007—2016年近10a的年均降水資料，結合各測站經緯度、海拔、坡度、坡向等地理要素，使用SPSS對年均降水做多元回歸分析，建立降水空間回歸模型；在多元回歸的基礎上，使用ArcGIS以寧海縣20m×20m DEM數據為基礎，對降水空間分布做細網格推算，結果表明推算模型與寧海縣域降水空間分布吻合度高，寧海縣年均降水總體西多東少，西部山區、茶山山脈為年均降水高值區，三門灣沿岸及長街年均降水相對較少。

關鍵詞：GIS；降水分布；多元回歸；細網格推算

中圖分類號：S161 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170933203

寧海縣地處浙江省東部沿海，象山港和三門灣之間，天臺山、四明山山脈交匯之處。縣域陸地總面積中，海拔500～1000m低山谷占10.1%，50～100m丘陵占61.5%，50m以下臺地、平地占28.4%，有“七山一水二分田”之說。依山傍海的區位以及復雜的地形因素成就了寧海寧波市雨極的稱號，寧海縣年均降水量位列寧波地區第1位，縣域內溪流縱橫，水資源豐富。以往針對寧海縣降水分布的研究不少，但局限于歷史上測站較少及資料單一，特別是寧海縣地形復雜，海陸差異大，歷史上單一國家站的降水對寧海縣降水分布代表性差，因此以往研究未能全面概述寧海縣降水空間分布特征。本文作者利用GIS技術對寧海縣國家一般站及縣域內21個區域氣象站2007—2016年近10a的最新年均降水資料進行細網格推算分析，總結寧海縣域降水空間分布特征，以期對縣內水資源開發利用、防災減災提供參考依據。

1 資料來源和處理

本研究采用了寧海縣域21個區域氣象站2007—2016年近10a的年均降水資料，為了避免年際變化對研究的影響，寧海國家一般站降水資料也取自2007—2016年；通過各測站日降水資料統計，得到各測站近10a年均降水量。

地理信息資料為國家地理信息中心提供的浙江省基礎地理背景數據，利用ArcGIS對浙江省地理背景數據進行格式轉換、拼接、裁剪及對柵格數據進行重采樣，提取20m×20m分辨率的寧海縣數字高程模型DEM及經緯度、海拔高度數據。利用DEM高程數據，計算坡度、坡向，公式如下：

（1）

公式（1）中θ為坡度，β為坡向，fx為南北方向高程變化率；fy為東西向高程變化率。

2 降水空間分布模型的建立

寧海縣依山傍海，海拔空間差異明顯，地形復雜，降水空間分布差異大，根據區域站近10a的觀測資料分析，年均降水量最大的留五扇站達2105.06mm，而年均降水最小的大殼島站僅1269.73mm，這與測站區位、地形因素密不可分；留五扇位于西部山區，且東側為喇叭口地形，有利于水汽抬升凝結，而大殼島位于三門灣中，周圍是海洋和灘涂，夏季對流云團自西向東移動，往往到沿海地區便減弱消散，導致大殼島降水遠遠少于西部山區測站。由此可見年均降水受經緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理因素影響明顯。本文所選取的22個氣象站地形各異，各層海拔高度均有代表站點，空間分布均勻，對寧海縣降水分布有較好的代表性。為客觀地反應寧海寧海縣范圍的降水分布情況，需要建立1個降水空間分布模型，以往的研究[1][2]證明所有氣候要素的空間分布都可表示為：

y=y×+yg=f（δ，λ，h，θ，β）+yg （2）

式中y為氣候要素（如降水、氣溫、積溫）；δ、λ、h、θ、β分別代表經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理因子，yg為擬合氣候要素方程的殘差部分，f為擬合函數。本文中由于坡向數據為0～360°數據，不能直接作為量化因子進入回歸計算，故做如下處理：高婷等人2014年基于NCEP風向數據中國夏季降水估算的研究[3]說明，坡向對降水的增量在于坡向與盛行風向的夾角，盛行風向與坡向相反時，坡向對降水的增量最明顯，根據寧海縣歷年風向數據統計，春夏主要降水季節，寧海縣盛行風向為東南風。故將風向平均分為8個方向，分別為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北，根據盛行風向與坡向夾角對降水增量關系，將東南量化為2，東、南為1，東北、西南為0，西、北為-1，西北為-2；并且將坡度低于2°的空間點坡向量化為0。

將經過量化處理的坡向數據與其他地理因素作為自變量，各站降水量作為因變量，使用SPSS進行多元回歸計算，得到以下方程：

y=-616.753×δ+222.466×λ+0.204×h+8.226×θ+10.599×β+70036.167 （3）

式（3）中y為年均降水量；δ、λ、h、θ、β分別為經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向量化；該模型復相關系數為0.9，F檢驗值13.675，模型通過了0.01的信度檢驗。模型中各項因子的系數表達了寧海縣降水分布的特征，經度系數為-616.753，表明了寧海縣降水西多東少；緯度系數為222.466，表明縣域內降水北多南少；海拔高度與坡度的系數分別為0.204、8.226，表明了降水隨海拔高度、坡度增大而增大；經過量化后的坡向系數為10.599，證明東南坡對年均降水有增加效果，西北坡有減少效果，也證明了本文的坡向量化方法較為合理。

3 應用ArcGIS對降水進行細網格推算

根據上述得到的回歸模型式（3），結合寧海縣20m×20m 網格點上的δ、λ、h、θ、β（量化處理）等地理信息數據，推算出每個網格點上的降水值。將22個氣象站點的δ、λ、h、θ、β地理信息數據代入回歸模型，得到每個站點的推算值，與實際值做差值，得到yg殘差，利用ArcGIS對殘差yg做反距離加權插值分析，內插到20m×20m網格上，獲得殘差yg柵格圖，將此殘差柵格圖與細網格推算降水圖疊加，得到訂正后的降水細網格推算分布圖（圖1）。

為對比細網格推算與反距離加權插值降水分布特征差異，利用ArcGIS將22個站點降水資料通過反距離加權插值得到圖2（未經過細網格推算，僅做等值線插值分析）。

圖1 細網格推算降水分布圖

圖2 反距離加權插值降水分布圖

對比圖1與圖2，細網格推算圖與反距離加權插值圖在寧海縣整體雨量分布上表現一致，西部山區與東部茶山一帶為降水高值區，三門灣沿岸及長街一帶為降水低值區。細網格推算較好地反應了地形對降水分布的影響，模擬的結果細致精確，每20m格距上都有一個模擬數據呈現，避免了由于站點布設少而造成等值線圖出現大小圓圈等現象。推算模型中涵蓋了經緯度、海拔高度、坡度、坡向，精確有效地反映出寧海縣復雜地形差異下降水分布的特征，精細化程度高，可靠性強，這是簡單的等值線插值法無法比擬的。

4 結論

針對寧海縣依山傍海的區位以及復雜的地形因素，降水空間分布差異大，已有的氣象站點無法全面細致地反應寧海縣降水空間分布等情況，本文使用SPSS及ArcGIS引入經緯度、海拔、坡度、坡向等地理因素，對降水建立多元回歸模型以及細網格推算研究，得到如下結論：寧海縣域內，年均降水大致呈現西多東少態勢，且海拔、坡度越大，年均降水量越大，東南坡對降水有增加效應，西北坡有減少效應；經過訂正后的降水細網格推算分布圖與反距離加權插值圖在寧海縣整體雨量分布上表現一致。經過對比分析，細網格推算模型模擬結果細致精確，可靠性強，其優勢是簡單的等值線插值法無法比擬的；本文將年均降水分布與地理信息結合，推算非觀測點數據，方法可行，且精確可靠。精細化網格推算法也可以應用于其他農業資源氣候因子，為今后進一步深化研究工作提供了參考和科學依據。

參考文獻

[1]程遠.氣候變化背景下基于GIS的黑龍江省農業氣候資源分析[D].長春：東北農業大學，2012.

[2]楊榮光.基于GIS技術的泰安市農業氣候資源精細化區劃研究[D].濟南：山東農業大學，2010.

[3]高婷，曾燕，何永健，邱新法.基于NCEP風向數據的中國夏季降水估算研究[J].氣象科學，2014（5）：473-482.

作者簡介：申子彬（1992-），男，湖南邵東，本科，助理工程師，綜合氣象業務崗，研究方向：天氣預報與農業氣象。endprint