基于GIS的遼寧環(huán)渤海區(qū)降雨時(shí)空分布特征

張 程

(盤錦市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

降雨是指在大氣中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天氣現(xiàn)象。大氣中的水氣幾乎全部集中于對(duì)流層中，溫度越高，大氣可以容納的水汽含量就越多，反之就越少。降雨對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌區(qū)灌溉制度的制定均具有重要作用[1]。

環(huán)渤海地區(qū)包括華北平原、黃淮海平原和遼河平原，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)之一。遼寧環(huán)渤海地區(qū)是重要的糧食生產(chǎn)地，是全國重要的水稻、油料作物和水果生產(chǎn)基地[2]。在自然條件下，降雨豐富、劇烈，會(huì)引發(fā)自然水體能夠緩慢地從貧營養(yǎng)狀態(tài)變到富營養(yǎng)狀態(tài)。但是人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響使大量富含營養(yǎng)物質(zhì)被排放到自然水體中，隨著排放量的增加，自然水體快速進(jìn)化為富營養(yǎng)水體，與此同時(shí)降雨較少則成為半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵限制因素[3-5]。對(duì)遼寧環(huán)渤海地區(qū)的降雨規(guī)律進(jìn)行分析有助于了解該地區(qū)降雨的規(guī)律繼而為灌區(qū)指導(dǎo)抗旱和建設(shè)綠色生態(tài)灌區(qū)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)使用的雨量數(shù)據(jù)是來自中國氣象局東北區(qū)域氣象中心，選取了遼寧環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)時(shí)間跨度大、數(shù)據(jù)記錄全、空間代表性強(qiáng)的10個(gè)氣象站(營口站、大洼站、丹東站等10個(gè)氣象站)。提取了遼寧環(huán)渤海區(qū)域1960-2015年的歷年降雨數(shù)據(jù)。其他地區(qū)采用克里金插值法進(jìn)行空間插值處理。表1為各氣象站的基本概況。

表1 氣象站概況

2 研究方法

2.1 累計(jì)距平的計(jì)算方法

距平是指氣候要素值與多點(diǎn)平均值的偏差，比平均值高的數(shù)據(jù)即為正距平，低于平均值的數(shù)據(jù)即為為負(fù)距平，累計(jì)距平為距平值的累加，該指標(biāo)可以用來判斷遼寧環(huán)渤海區(qū)域1965-2015年間的長期降雨變化趨勢(shì)，從該圖像中能夠判斷溫度突變的大致時(shí)間。計(jì)算公式如下:

(1)

式中：xi為變量；n為樣本數(shù)，t為xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，本研究采用5a趨勢(shì)滑動(dòng)平均來顯示其變化趨勢(shì)。

2.2 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是一種簡單平滑預(yù)測(cè)方法，其原理是根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行逐項(xiàng)推移，按照次序計(jì)算包含一定數(shù)量的序列平均值，通過對(duì)比就能夠得到整個(gè)時(shí)段的變化趨勢(shì)。因此，時(shí)間序列的數(shù)值受周期波動(dòng)和隨機(jī)波動(dòng)影響時(shí)，起伏較大，不易顯示出事件的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，便可以使用滑動(dòng)平均法降低甚至消除這些因素的影響，就能夠得到相應(yīng)數(shù)列的變化趨勢(shì)。

2.3 克里金插值法

ArcGIS空間分析是一個(gè)空間知識(shí)發(fā)現(xiàn)和挖掘的過程；是基于地理對(duì)象空間布局的地理數(shù)據(jù)分析技術(shù)。借助ArcGIS的克里金插值工具對(duì)遼寧環(huán)渤海地區(qū)的降雨進(jìn)行空間分析，獲得研究區(qū)域降雨更加直觀的空間分布。探究降雨在時(shí)間上的分布規(guī)律可以為不同地區(qū)和不同時(shí)段降雨對(duì)處理水體富營養(yǎng)化提供技術(shù)分析。

kriging插值作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一種插值方法。在全面分析考慮數(shù)據(jù)之間彼此的關(guān)系后，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)賦予各自的權(quán)重系數(shù)，通過加權(quán)平均法得到估計(jì)值[6]。克里金插值公式為：

(2)

(3)

同時(shí)滿足無偏估計(jì)的條件：

(4)

3 研究結(jié)果

3.1 降雨年際變化特征

通過計(jì)算線性趨勢(shì)法和滑動(dòng)平均法研究項(xiàng)目地區(qū)年降水資料計(jì)算得出的降水量年際變化曲線如圖1所示。通過曲線可以直觀地發(fā)現(xiàn)遼寧環(huán)渤海地區(qū)降水的明顯波動(dòng)變化。1964年研究區(qū)域年降雨量最大，為1123.8mm；2014年年降雨量最少，為449.3 mm，在整個(gè)時(shí)段中，降雨量總體變化為緩慢降低。降速達(dá)到11.267mm/10a。多年平均降水量為703.44 mm。

圖1 遼寧環(huán)渤海地區(qū)降水量年際變化曲線

根據(jù)遼寧環(huán)渤海地區(qū)年降水的累計(jì)距平曲線的變化特點(diǎn)(見圖2)，可以發(fā)現(xiàn)在1960-1967年間，年降雨量的累計(jì)距平曲線波動(dòng)增加；從1968-2009年研究區(qū)域年降水量的累計(jì)距平曲線波動(dòng)下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整個(gè)時(shí)段中，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的總體年降雨量累計(jì)距平曲線呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

圖2 遼寧環(huán)渤海地區(qū)歷史年降水累計(jì)距平曲線

3.2 基于GIS的降雨空間變化特征分析

統(tǒng)計(jì)各個(gè)取樣點(diǎn)的年平均降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值分析，得到如圖3所示的遼寧環(huán)渤海地區(qū)將于分布圖：

圖3 遼寧環(huán)渤海地區(qū)降雨分布圖

從圖3遼寧環(huán)渤海地區(qū)降雨空間分布圖中可以看到研究區(qū)域降雨量呈現(xiàn)“東多西少”的空間分布特征。所有的研究區(qū)域中，營口大石橋地區(qū)的降雨量在700mm左右；東部丹東三個(gè)取樣點(diǎn)的降雨量在750(mm)以上，南部大連地區(qū)的降雨量由西向東逐漸增加；錦州南部地區(qū)降雨線較為集中，東西降雨量變化較大。

3.3 降雨量年內(nèi)變化規(guī)律

從遼寧環(huán)渤海地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)得到的氣象資料中篩選出每月的平均降水﹐進(jìn)行了年內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見圖4。

圖4 遼寧環(huán)渤海地區(qū)各月份平均降水

由圖4可知，研究區(qū)域內(nèi)降水量表現(xiàn)為單峰曲線。降雨量快速上升階段為1月-7月，在7月份達(dá)到了最高峰值。8月-12月降雨量又快速下降，作物生長季(5月份—9月份)5月份年平均降雨量為53.62mm，6月份年平均降雨量為85.17mm，7月份年平均降雨量為187.66mm，8月份年平均降雨量為172.49mm，9月份年平均降雨量為66.57mm。生長季降水最為豐沛，日均降水量達(dá)到了3.68mm/d。

遼寧環(huán)渤海地區(qū)長時(shí)間內(nèi)的年平均降雨量呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，降速達(dá)到了11.267mm/10a，該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，全年降雨總體表現(xiàn)為夏秋多冬春少。但由于丹東南面臨海，北部又是馬蹄形環(huán)山，特殊的地理位置和地形因素使得丹東地區(qū)的降雨量要略多余其他地區(qū)。而凌海、盤錦、大石橋等地區(qū)，卻由于緯度位置等因素，降雨量低于丹東地區(qū)，這就導(dǎo)致了降雨量的東西分布差異。

4 結(jié) 論

GIS分析表明，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的年內(nèi)降雨有較為明顯的時(shí)間和空間分布差異，研究區(qū)域的年平均降雨量呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)。從1968-2009年研究區(qū)域年降水量的累計(jì)距平曲線波動(dòng)下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整個(gè)時(shí)段中，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的總體年降雨量累計(jì)距平曲線呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。所有的研究區(qū)域中，營口大石橋地區(qū)的降雨量在700mm左右；東部丹東三個(gè)取樣點(diǎn)的降雨量在750(mm)以上，南部大連地區(qū)的降雨量由西向東逐漸增加；錦州南部地區(qū)降雨線較為集中，東西降雨量變化較大。研究區(qū)域內(nèi)降水量表現(xiàn)為單峰曲線。降雨量快速上升階段為1月-7月，在7月份達(dá)到了最高峰值。