東北地區降水量空間分布研究

蔡學博

(康平縣自然資源保護與行政執法中心，遼寧 康平 110500)

降水量是維系自然生態環境友好發展的基礎要素之一，對于保持土地生產能力、促進植被生長、平衡水資源供需具有重要意義，同時作為地球生態系統中特殊的能量流動與轉換紐帶，降水量空間分布影響著景觀生態演變、經濟社會進步。受全球氣候變化、水循環過程干擾影響，全球乃至局部的降水量極具空間差異性。研究其分布格局，可深入理解氣候系統耗散過程與不同環境因素耦合關系，并為農業氣候資源高效利用、生態過程建模提供數據參考依據[1]。

1 研究區域

本研究中東北地區不僅包含黑龍江、吉林、遼寧省域，還指內蒙古自治區中東部局部地區，經緯度跨度介于E115°33'35″-134°58'28，38°N43'15″-53°33'35″，面積達133.441萬km2，占全國陸地領土面積的13.89%。由于位于亞歐大陸東岸中高緯度，受副熱帶高壓帶與副極地低壓帶的季風環流影響與海陸位置效應，形成溫帶季風、溫帶大陸性氣候，全年四季分明、雨熱同期、冬季漫長，積溫從南向北減少，依次分屬中溫帶、寒溫帶，年平均氣溫在-1.3℃-10.5℃之間，降水量為250-1000m，跨列濕潤區至干旱區。東北地區地形分異特征明顯，西側大興安嶺、與東側的長白山地呈平行狀南北縱列，北部的小興安嶺呈西北東西連亙，區域東短為三江平原，中南部為松嫩平原和遼河平原，高程介于0-2638m。東北地區地形圖如圖1所示。

圖1 東北地區地形圖

2 數據與方法

2.1 數據資料

文章所用的降水量柵格資料來自中國科學數據中心。該數據是由Wang等人2000-2012年753個地面氣象觀測站的降水量日值觀測資料，結合30m分辨率的DEM數據，采用氣象資料專業插值技術Anusplin處理得到的，其空間分辨率為1km，數據格式為柵格tif。該數據能夠反映21世紀以來東北地區平均降水量背景特征。

2.2 空間分區統計

降水柵格資料展示了空間面域降水量數值分布，為明確其區域性差異，以東北地市44個市州為統計尺度，利用空間分區的方法提取各地降水量均值。

2.3 地統計學分析

地統計學是揭示空間分布變量分布模式的有效方法之一。其基本原理是自然狀態下區域化變量分布與空間位置有關，通常距離越近相關性越強。地統計學基于變量的空間位置度量空間權重，進而界定變量空間分布自相關性。其供述如下：

(1)

式中：γ為半方差值，其表征了區域化變量與空間距離h之間的關系，當h為0時，若γ不為0，則此時γ為塊金值C0，N(h)為h距離上所有觀測點數，Z(xi)和Z(xi+h)分別空間置xi和xi+h處的實測值，當h增大至A時，若γ達到平穩狀態，則此時γ為基臺值C0+C，塊基比C0/(C0+C)反映了變量空間自相關性程度，其值介于0-1。

3 降水量分布

3.1 東北地區各市降水量分布

圖2為東北地區44 市(地、市、盟、州)多年平均降水量。不同地區降水量差異性較大，其中錫林浩特地區年均降水量最少，僅為248.2mm，丹東市降水量最豐富，達到1048.5mm。

統計顯示，年均降水量不足400mm的地市為通遼、錫林浩特、赤峰3地，有10地市的年降水量介于600-800mm，超過800mm降水量的為渾江、通化、恒仁、本溪、丹東5市。降水量作為區域水資源重要來源，降水量區域性差異加劇了水資源供應不均衡。

圖2 東北地區各市多年平均降水量

3.2 東北地區降水量空間分布模型

利用ArcGIS的Geostatistics analyst工具對東北地區降水量柵格像素進行空間擬合，并基于模型決定系數、殘差大小進行模型優選，得到其半方差結構(圖3)。可知，其分布特征符合高斯模型，其塊金值為143.67，基太值145690，在61026m距離處半方差值達到穩定性，擬合模型表達式為：143.67*Nugget+143670*Stable(61026,2)。據此計算其塊金結構為0.10%，<25%，表明區域降水量具有強烈空間自相關性，即降水量空間分布具有穩定的結構性規律，并且該規律性具有極低的變率。朱蕾等在縣域研究表明其塊金結構為0.2，屬于強烈空間自相關性，劉金濤等研究也得到類似結果，說明降水量空間分布并非隨機，而是多種因素形成的規律性結果。

圖3 東北地區降水量分布半方差結構

3.3 東北地區降水量空間分布

將東北地區降水量柵格資料進行空間可視化與制圖綜合處理，得到區域降水量空間分布位圖(圖4)。統計顯示區域降水量介于144-1304mm之間，空間相差1160mm，平均值為490.5mm，標準差達153.1mm，變異系數為31.21%，屬于中等變異性。總體來看東北地區降水量呈帶狀不均衡分布，在局部其分布特征存在差異。例如在西北和西部地區降水量豐度趨勢面呈向東凸起；在區域東部的三江平原地區其趨勢面則相反，呈西向凸起；而中東部平原向遼南濱海地區則趨勢面向北。這種分布格局主要與地形、水汽運行過程密切相關。區域西部、西北部受大興安嶺山脈阻擋以及海陸位置影響，海洋水汽在運移過程中逐漸損失，造成降水量地帶性減少。三江平原西緣由于處在迎風坡，有利于形成地形雨。而遼河、松嫩平原地區的受敞口地形影響，海洋水汽自南部濱海進入內陸后產生運移損失，降水量呈現自南向北減少。

圖4 東北地區降水量空間分布

圖5中趨勢擬合曲線直觀描述了東北地區降水量空間趨勢特征。可知在東西方向上(x)，降水量呈指數函數分布，東部降水量高于西部；在南北方向上(y)呈U型分布，北部和南部降水量高于中部，其中南部也高于北部。

東北地區降水量空間趨勢如圖5所示。

圖5 東北地區降水量空間趨勢

3.4 東北地區降水量空間分區

東北地區經度跨度范圍達23°，維度跨度為15°，自然帶由濱海景觀延伸至內陸沙漠帶，降水量豐都具有空間差異性。基于中國地理自然分區，將多年平均降水量按照干旱區(0-200mm)、半干旱區(200-400mm)、半濕潤區(400-800mm)和濕潤區(>800mm)的分級標準對東北地區降水量進行空間區劃，得到結果如圖6所示。利用ArcGIS的reclass進行重分類后進行面積統計，表明不同降水量豐度的柵格像素數量為167318、1336719、4001632、221449個，各區域分布面積依次為干旱區(2.92%)、半干旱區(23.345%)、半濕潤區(69.87%)和濕潤區(3.87%)。其中濕潤區集中于區域東南部的丹東、恒仁以及渾江、通化、本溪的部分地區；干旱區分布于區域最西端的錫林浩特沙漠地區。

圖6 東北地區降水量自然區劃

4 結 論

基于降水量開源數據和空間分析方法，揭示了東北地區降水量空間分布特征。東北地區經緯度跨度范圍大，呈現溫帶季風與溫帶大陸性氣候特征，加之地形影響，降水量呈現不均衡分布。從降水量豐度來看，全區分屬濕潤區、半濕潤區、半干旱區和干旱區，其中以半濕潤區占優。從空間分布來看，降水量在經度方向上呈現U型分布，也表現出由南向北減少特征，在緯度方向自西向東增加，局部地區降水量不具有全局規律。