基于ArcGIS的晉北黃土高原區(qū)降水量時空分布特征研究

呂雁翔

(山西省大同市水文水資源勘測站，山西 大同 037043)

0 引言

降水是水文變化過程的核心驅(qū)動源，是大氣中水分循環(huán)和能量交換的主要組成部分[1]，對水文水資源及生態(tài)系統(tǒng)有著重要作用，是影響自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一[2]。降水量變化受自然因素及人類活動等多重因素的影響，相對于全球性的持續(xù)變暖趨勢，降水變化格局及其區(qū)域分異有更大的不確定性和復(fù)雜性[3]，已成為水文學(xué)和氣象學(xué)方面的研究重點(diǎn)方向[4]。

降水是山西省水資源的重要來源，是山西省人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，晉北黃土高原區(qū)作為山西省的特殊區(qū)域，其降雨空間分布的不均勻性十分顯著，影響區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙、土壤侵蝕的空間變化[5]。因此，對晉北黃土高原區(qū)降水量時空分布特征研究變得十分迫切，有助于合理利用晉北降水資源和有效監(jiān)管水資源。

1 研究區(qū)概況與資料

1.1 研究區(qū)概況

本文選取晉北黃土高原大同、朔州市(以下簡稱“同朔”)15縣(區(qū))為研究對象，位于山西省北部盆地中心，晉冀蒙三省區(qū)交界處，黃土高原東北邊緣；北隔長城與內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市接壤，東與河北省張家口市、保定市相接，西南與省內(nèi)忻州市毗鄰，其中大同市距首都北京市約350 km，距省會太原市約280 km，是山西省重要的能源化工基地之一；轄有南郊區(qū)、新榮區(qū)、大同縣、陽高縣、天鎮(zhèn)縣、渾源縣、靈丘縣、廣靈縣、左云縣、朔城區(qū)、平魯區(qū)、山陰縣、懷仁縣、應(yīng)縣、右玉縣11縣4區(qū)，總面積24753 km2；屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，降水量小且時空分布不均。

區(qū)內(nèi)河流分別屬于海河流域永定河水系、大清河水系和黃河流域黃河水系，主要河流有桑干河、黃水河、御河、淤泥河、十里河、渾河、壺流河、南洋河、西洋河、唐河、沙河、蒼頭河和偏關(guān)河。設(shè)有雨量站315處，站網(wǎng)密度達(dá)78.6 km2/站。同朔河流水系圖見圖1。

圖1 同朔河流水系圖

1.2 選用資料

本文選用研究區(qū)1956年～2016年60 a的各雨量站日降水量資料，進(jìn)行不同系列年均降水量在15縣(區(qū))的時空分布情況研究。

2 研究方法

2.1 各縣(區(qū))不同系列年均降水量計算方法

首先通過60 a的各雨量站日降水資料得出各站的年降水量，然后基于ArcGIS讀取各縣(區(qū))緯度分區(qū)為1′的左經(jīng)度、右經(jīng)度以及相對應(yīng)的緯度值，形成各縣(區(qū))的經(jīng)緯度網(wǎng)格；將其與各雨量站經(jīng)緯度以及年降水?dāng)?shù)據(jù)一并輸入至通過編程開發(fā)好的“經(jīng)緯網(wǎng)格法面均雨量”計算程序中，運(yùn)用經(jīng)緯網(wǎng)格法計算得出60 a各縣(區(qū))的年降水量；此后應(yīng)用算術(shù)平均法分別求得1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年各縣(區(qū))的年均降水量，其中系列按照第一次、第二次、第三次全國水資源調(diào)查評價系列進(jìn)行間斷性劃分。

2.2 各縣(區(qū))不同系列年均降水量空間分布圖繪制方法

本文采用ArcGIS 10.1中文版對各縣(區(qū))不同系列年均降水量空間分布圖進(jìn)行繪制。

2.2.1 基礎(chǔ)圖層準(zhǔn)備

將全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價時中國水利水電科學(xué)研究院下發(fā)的大同市、朔州市以及相關(guān)15縣(區(qū))的面圖層加載至ArcGIS中，命名為“縣(區(qū))面”。

2.2.2 不同系列年均降水量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

將通過“經(jīng)緯網(wǎng)格法”和“算術(shù)平均法”計算得到的15縣(區(qū))不同系列年均降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄，可通過兩種方法錄入至ArcGIS“縣(區(qū))面”圖層屬性表中。

一是右鍵打開“縣(區(qū))面”圖層屬性表，點(diǎn)擊“表選項”下的“添加字段”選項分別添加名稱為“1956年～2016年均降水量”“1956年～1980年均降水量”“1981年～2000年均降水量”以及“2001年～2016年均降水量”四個字段，將字段類型均設(shè)置為“雙精度”；然后點(diǎn)擊工具欄的“編輯”—“開始編輯”選項對“縣(區(qū))面”圖層進(jìn)行編輯，將摘錄出的不同系列年均降水量數(shù)據(jù)輸入至屬性表中相應(yīng)縣(區(qū))的位置。

二是將15縣(區(qū))1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年均降水量數(shù)據(jù)摘錄至excel表中，其中第一列是“縣(區(qū))名稱”，縣(區(qū))名稱要與ArcGIS中“縣(區(qū))面”圖層屬性表中的縣(區(qū))名稱以及順序一致；第二至五列分別為“1956年～2016年均降水量”“1956年～1980年均降水量”“1981年～2000年均降水量”以及“2001年～2016年均降水量”，將對應(yīng)系列的年均降水量數(shù)據(jù)錄入至相應(yīng)位置；在ArcGIS中內(nèi)容列表右鍵點(diǎn)擊“縣(區(qū))面”圖層，選擇“連接和關(guān)聯(lián)”—“連接”選項，在彈出的對話框中按要求輸入相應(yīng)內(nèi)容即可。

2.2.3 不同系列年均降水量分布圖繪制

不同系列年均降水量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，雙擊“縣(區(qū))面”圖層，打開屬性表，選擇“符號系統(tǒng)”—“圖表”—“條形圖/柱狀圖”，然后選中出柱狀圖的一個或多個字段，點(diǎn)擊“確定”即可生成不同系列的降水量分布柱狀圖。年均降水量分布圖見圖2(a)、圖2(b)。

(a)1956年～2016年

3 結(jié)果分析

由圖2(a)可知：1956年～2016年均降水量靈丘縣最大為473.5 mm，處于450 mm～500 mm之間，為最強(qiáng)降水狀態(tài)；渾源縣次之為439.0 mm，處于400 mm～450 mm之間，與廣靈縣435.5 mm、朔城區(qū)419.9 mm、應(yīng)縣414.1 mm、平魯區(qū)412.7 mm、右玉縣409.8 mm、陽高縣403.8 mm并處同一等級，為良好降水狀態(tài)，最大值與最小值相差35.2mm；其余縣(區(qū))左云縣399.4 mm、天鎮(zhèn)縣397.3 mm、山陰縣392.2 mm、大同縣390.2 mm、新榮區(qū)381.0 mm、南郊區(qū)375.4 mm、懷仁縣374.4 mm降水最弱，處于350 mm～400 mm之間，為最弱降水狀態(tài)，最大值與最小值相差25.0 mm。同時由圖可知，1956年～2016年均降水量從懷仁縣、南郊區(qū)、新榮區(qū)等中間縣(區(qū))向東西兩側(cè)廣靈縣與平魯區(qū)不斷增大，至最東南端靈丘縣達(dá)到最大。

由圖2(b)可知：1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三系列各縣(區(qū))年均降水量略有不同。其中各縣(區(qū))1956年～1980系列年均降水量均處于最大；1981年～2000系列除新榮區(qū)外，其余縣(區(qū))年均降水量均處于最低；2001年～2016系列年均降水量略有回升，但是仍低于1956年～1980系列年均值；三個不同系列年均降水量除新榮區(qū)外，其余縣(區(qū))均呈“淺V”型。同時由圖可知，三個不同系列中，靈丘縣(498.5 mm、455.2 mm、456.3 mm)、渾源縣(466.9 mm、415.1 mm、425.1 mm)、廣靈縣(467.2 mm、410.5 mm、417.0 mm)的年均降水量均位于前三位，懷仁縣(395.6 mm、353.8 mm、367.0 mm)、新榮區(qū)(399.1 mm、369.0 mm、368.0 mm)、南郊區(qū)(387.7 mm、360.4 mm、374.8 mm)的年均降水量均位于后三位，其余縣區(qū)系列年均降水量處于中間位置。

由圖2(a)和圖2(b)對比可知，不論是1956年～2016年60 a長系列均值還是1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三個短系列均值，最大值均位于靈丘縣，最小值位于南郊區(qū)或者懷仁縣。這與實(shí)際情況靈丘縣地勢高、氣候濕潤，南郊區(qū)與懷仁縣地勢平坦、氣候干燥相吻合。

4 結(jié)語

本文主要基于經(jīng)緯網(wǎng)格法、算術(shù)平均法和ArcGIS 10.1軟件對晉北黃土高原區(qū)同朔15縣(區(qū))不同系列年均降水量時空分布特征進(jìn)行研究，并對研究結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，晉北黃土高原區(qū)年均降水量小且時空分布極其不均。研究結(jié)果的分析對晉北黃土高原區(qū)的降水量和水資源的合理利用有著重要的意義。