不同尺度地形對內蒙古夏季月降水模擬的影響分析

馬學峰

內蒙古自治區氣象臺，內蒙古呼和浩特 010051

水是生命活動的基礎，而降水作為能量循環和水循環的重要部分，在生態環境中發揮著重要作用，但也會引發自然災害（洪澇、干旱、泥石流等）[1-2]。為提高水資源的利用率，往往通過氣象站點，采取衛星手段觀測降水，但復雜地形的站點少，且受海波和坡度等的影響。衛星的監測范圍基本覆蓋全球中低緯度地區，隨著技術的進步，其適用性在平坦地區較強，但測量仍存在不準確性[3]。降水資源與地方生產和災害息息相關，但是降水量受地理位置等多種因素影響，局部性較強，降水量受微觀地形的影響較大，微觀和宏觀地形對降水的影響存在差異。因此，需要合適的方法進行探討[4]。

1 不同尺度地形對內蒙古夏季月降水模擬的影響分析研究概述

1.1 研究目的

地形會導致各種氣候差異，并影響天氣系統。不同的宏觀和微觀地形會對地形造成影響。宏觀地形對氣候的影響較為穩定，而局部地形對氣候的影響也存在可循的規律[5-6]。不同地貌的局部微觀地形對氣候的影響較為復雜。目前，針對地形對氣候的影響，并未做出具體的宏觀和微觀的劃分，因此不能分開討論。

微觀的地形可以更好地描述地面的起伏，但局部起伏較小的地形對降水的影響不大，針對降水的模擬和預報屬于無效信息，甚至會掩蓋降水和地理因子之間的真實關系[7]。為了分別討論宏觀和微觀2種情況，首先要對兩者進行定量劃分，構建不同精細程度的地形。地形的變化可視為二維信號，雖然構建地形的方法較少，但在信號領域的研究進展較大，因此，可以討論不同地理信息的處理方法，采用合適的方法討論地形。

1.2 研究意義

關于地形對降水影響的理論有許多已經較為成熟，但是，將地形信息處理與之結合的研究仍然較少。為了討論不同等級地形對降水的影響，以內蒙古中部地區為研究區域，采取重采樣的方法構建多級地形，分離微觀地形和宏觀趨勢，選擇合適的方法，討論多級地形的坡度對夏季月降水的影響。

2 不同尺度地形對內蒙古夏季月降水模擬研究進展

2.1 多尺度地形的提取

DEM數據是一種連續的、非穩定的二維信號，該信號是由多個不同頻率的信號組成的，其中，高頻信號對應起伏相對較大的局部細節，而低頻信號是大范圍地形起伏的總體趨勢，中國的三級階梯就是DEM數據之中的低頻部分，多尺度的地形構建過程就是逐漸剝離細節，平滑地形的過程。

而濾波是信號分解的一種手段，通過過濾去掉特定頻率的信號，然后將需要的信號保留下來。濾波最重要的部分就是設計合適的濾波器（均值濾波、低通濾波）。而重采樣的原理與均值濾波器相似，可以根據需要，獲取不同分辨率的地理數據。DEM是描述地形的數據，受到分辨率限制，與實際的地形仍存在差異。在重采樣的過程中，分辨率降低對地形具有一定的平滑作用。針對不同的研究地區和地貌對應的最佳采樣窗格是存在差異的，而且鄰域可以選擇正方形和環形等，也可以改變窗口大小。

2.2 地形對降水的影響

地形對降水的影響可分為動力、熱力和云物理作用。移動的暖濕氣團遇到山地會產生繞流和抬升，該氣團的氣旋性增強并產生輻合，使降水增加。迎風坡的降水導致過山的氣團水汽減少，背風坡少雨，即山地降水的“迎風坡效應”和“雨影”現象。

動力作用包括氣流抬升、偏轉和山體拖曳效應等，內蒙古的動力作用對東亞夏季風的驅動作用占主導地位，占東亞夏季降水量的50%以上，在降水中扮演非常重要的角色。亞洲季風是我國水汽的重要來源，攜帶的水汽直接影響降水的多少和分布，是天氣預報、氣象防災減災和氣候變化關注的重點。同位素追蹤法基于氫氧元素進行水汽追蹤，當下的天氣診斷采用拉格朗日或歐拉追蹤法計算區域水汽的運動。中國夏季降水的水汽來源有東海、阿拉伯海、孟加拉灣、印度半島、南海、太平洋等，內蒙古以南的西風和澳大利亞越赤道也可以帶來水汽。此外，部分陸面蒸發的水汽會以降水的形式再次回到地面，也是重要的水汽來源。西北地區處于內陸且山脈很多，阻擋了大部分水汽到達，降水較少。

除了動力作用影響降水外，熱力作用也是影響降水的重要原因。內蒙古的動力作用對氣流和天氣系統產生了抬升和繞流。天氣系統產生了印記，熱力作用通過影響天氣系統的環流、溫度和水汽分布，使區域降水增加。內蒙古的熱力作用調節季風、海溫及海—氣相互作用，因此對全球的氣候影響巨大。

地形還通過對中尺度系統的作用影響降水。例如，重力波是降水過程的重要系統，地形會激發或加強重力波，重力波又將地形的影響傳至下游，使迎風坡降水明顯增加（圖1）。大尺度通過影響環流背景改變局地的氣候，中尺度地形改變具體降水過程中的中尺度天氣系統或影響水汽和熱量的分布，進而改變降水的強度與分布。

圖1 迎風坡降水明顯

內蒙古陰山是東西走向，則水汽從南北風向應比東西方向的降水要大。再分析這種地形下，南風帶來水汽大還是北風降水更顯一些，還有內蒙東部的大興安嶺主體是南北走向，當系統水汽為東風或西風時，應是地形對降水的影響更明顯一些。統計了10年或者多少年間，地形東風的降水還是西風的降水明顯。以往的研究根據范圍和地貌的大小劃分地形，現有研究主要針對范圍較大的地形展開。而復雜地形是由宏觀的地形骨架和不同起伏程度的局地細節構成的，二者對降水的影響程度不同。宏觀地形造就局地氣候，中尺度地形改變局地降水，而微小的起伏并不影響降水。而針對多大起伏程度的地形會對降水產生影響這一問題，并沒有定量的結論，需要進一步討論。

2.3 降水產品及降水模擬

影響降水的原因多且復雜，因此，獲取雨量數據并不容易。早期，雨量數據可以通過觀測、模擬以及理論獲取。隨著技術的發展，雷達、衛星、數據同化等各種方式使得數據的來源變得豐富，而且提高了精度和時空分辨率。

目前，降水數據可通過觀測、衛星、再分析得到。氣象站觀測是最早的降水產品，隨著遙感技術的發展，衛星發展成為重要工具，可以提供包含全球的降水數據。再分析可以將多源數據進行數據同化，能較好地反映大氣的真實情況。

復雜地形的降水模型引入大氣環流因子和地形因子，其中，地形因子包含海拔、坡度、坡向等。確定合適的地形因子并用函數表示和降水之間的關系，定量解釋，形成因子對降水的影響，這也保障了結果的精確性。

3 氣象站點觀測降水數據

3.1 多源實況降水數據

3.1.1 氣象站點觀測數據基于地面氣象站點資料完整性、區域覆蓋全面性等原則，選用內蒙古地區地面的100個氣象站點2001—2019年的日降水值（源自內蒙古氣象局），經過EXCEL、Matlab軟件對實測降水進行累加求和、取平均值等統計分析操作，歸納整理后得出各站月、季、年的數據，以用于后續的精度評價。針對氣象站點個別數據缺失，采用插值法予以補充。3 d內的缺測數據采用相鄰日的平均值填補，3 d以上的數據采取該氣象站點同期的多年平均值填補。

3.1.2 衛星降水數據此處采用TRMM與GPM 2種衛星降水產品，均來自NASA地球科學數據和信息服務中心。熱帶降雨觀測衛星（TRMM）于1997年在日本發射，是由美國國家航空航天局（NASA）和日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aeronautics Exploration Agency，簡稱JAXA）共同研發的。采用的TRMM3B43月降水是TMPA的延伸產品之一，為此處主要使用數據之一，時間分辨率為月，空間分辨率為0.25°×0.25°。

3.1.3 基礎地理信息內蒙古位于亞歐大陸腹地，位于蒙古高原的南部。北與俄羅斯和蒙古接壤，位于中國大興安嶺的西部，陰山和祁連山的北部。從東北到西南跨度較大，東西距離長為2 400 km，依次分布著森林、山脈、平原、草原、沙漠以及戈壁。總體海拔在1 000 m以上。

4 多尺度地形構建

4.1 不同月份的降水量

年平均降雨量是指某地多年降雨量總和除以年數得到的均值，或某地多個觀測點測得的年降雨量均值。年平均降雨量是一地氣候的重要衡量指標之一。降水量是指一定時段內，從天空降落到地面上的液態或固態水，未經蒸發、滲透、流失而在地面上積聚的水層深度。單位為毫米（mm），氣象觀測中取一位小數。有時也稱為雨量。降水量一般用雨量筒測定，所以，降水量中包含雪和少量的露、霜、霧凇等。

在自然資源研究中，常用的降水量有年、季、月、旬和生育期的降水量。中國全國平均年降水量為630 mm，呈自沿海向內地、自東南向西北遞減的特點：地域分布淮河、秦嶺一帶和遼東半島年降水量為800～1 000 mm；黃河下游、渭河、海河流域以及東北大興安嶺以東大部分地區為500～750 mm；黃河上、中游及東北大興安嶺以西地區為200～400 mm；西北內陸地區年降水量為100～200 mm；季節分配春季降水。根據圖2可以得到內蒙古地區得到降水量與月份的關系，降水量主要集中在6—10月。

圖2 內蒙古地區降水量與月份之間的關系

4.2 不同地形分解的比較

（1）多級地形的比較。第一，起伏度。起伏度是判斷地形精細程度的直接標準，越平滑的地形，起伏度越小。以往研究多用插值法計算，即選取合適的窗口大小，滑動窗口計算窗口內最大值與最小值之差。但重采樣導致數據的分辨率發生變化，針對不同分辨率的地形無法保證窗口邊長和面積均相同，因此，采用標準差法計算起伏度，即計算研究區海拔的標準差表征地形的起伏程度。公式如下：

其中，M、N分別為DEM數據的行列數，a為格點的海拔高度。

第二，粗糙度。坡度是地表垂直高度和水平方向距離的比值，在起伏度越大的地方坡度越大，粗糙度（Roughness）采用坡度表示地表平滑程度：

其中，α為地表坡度。粗糙度的取值范圍為0～1。

（2）計算方法。重采樣方法雖然簡單，但沒有根據山脈的走向和范圍改變濾波窗口的大小和長寬比，固定的窗口可能會加入不需要的地形信號，且鄰域內每個格點的值都具有相同的權重。而且也沒有剔除異常點。

小波分解將信號分解為多個信號，但采用的基函數是三角函數波經過位移和縮放得到的小波，選擇更符合信號特點的適應不連續的信號。

BEMD是將地形視為多個信號的疊加，地形的分解過程就是還原這部分信號的過程。3種方式的精細程度地形都趨于平緩，且地形的空間特征保持一致。但是，宏觀地形的差異較大。

5 地形對降水的影響

依據內蒙古夏季的觀測降水數據，討論研究地區的夏季降水特點，分析降水的空間分布特征，以及與地區的海拔與坡向之間的關系。

5.1 內蒙古地區的降水特征

內蒙古地區以高原為主，大部分為草原，遠離海洋，在邊界處有山脈，因此，在內蒙古的東西和南北之間仍存在差異。內蒙古由于狹長而受到多種天氣系統的影響，各地的降水量因此產生較大差異。內蒙古地區的主要氣候是溫帶大陸性氣候，季節差異明顯，降水集中在夏季，東部的平原地區降水豐富，年均降水可以達到300～550 mm。而西部為戈壁地區，降水相對偏少，年均降水量不足150 mm,內蒙古中部地區年均降水量介于200～350 mm之間，空間分布不均勻。

5.2 海拔對降水的影響

在一定區域內，降水隨海波的變化是存在規律的，或呈線性，或雙曲線，或拋物線等。由于站點的布置要符合標準，因此，一般設置在地勢平坦的地方。表1為內蒙古陰山地區夏季站點降水隨海拔的變化，在1 000 m以下，6月的降水隨著海波的上升而呈下降趨勢，超過此海波后降水規律不明顯。7月的降水量較6月整體增加，8月與7月基本類似。

表1 蒙古陰山地區夏季站點降水隨海拔的變化

5.3 坡向對降水的影響

為了探究坡向和降水之間的關系，降水按照12個坡向（E、S、W、N分別表示東南西北）劃分，分別計算各個坡向的站點的月均降水量。表2是6月各個坡向的降水量。在原來的地形下，坡向主要就是由局部小地形決定的，隨著分解這些小地形的變化，坡向反映的是地形的宏觀走向。在東面有最大值，降水量從北到東呈上升趨勢。

表2 6月各坡向降水量

6 結論

降水資源與地方生產和災害息息相關，但降水量受地理位置等多種因素影響，局部性強，降水量受微觀地形的影響很大，微觀和宏觀地形對降水的影響是不一樣的。以內蒙古地區為研究區，構建多級地形，基于站點觀測數據討論不同精細程度的地形因子對降水的影響。在此基礎上，以TRMM衛星觀測降水為宏觀項，多級地形的地形因子為地形項，建立夏季月降水分布式模型。

結 果表明：（1）降 水 在1 000～800 mm以下與海拔大致呈線性關系,而高海拔站點降水隨海拔的變化不明顯。不同坡向站點的降水量均值差異很大，多級地形下降水量最大值和最小值對應的坡向比較一致。6月西北坡向降水量最多而東南坡向最少，7、8月與之相反。（2）主導降水方位PPD表明6月的水汽為偏西方向，在盆地東部被山地抬升形成多雨區,7、8月隨著季風的暴發，西南和東南的水汽增強，降水大幅增加，西部降水多于東部。（3）中尺度地形的迎背風坡降水差異明顯，精細地形的降水差異較小,宏觀地形由于劃分迎背風坡不合理出現迎背風坡降水差為負。