基于地形因素巫山縣夏半年降雨量空間模擬

周元瑞++林孝松++楊晗++崔夢(mèng)瑞++何浪++王芳

摘要：為了對(duì)水資源進(jìn)行合理管理，研究農(nóng)業(yè)氣候資源和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，分析山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性及有效預(yù)測(cè)和防治山洪災(zāi)害，選取重慶市的巫山縣作為研究對(duì)象，利用巫山縣周邊21個(gè)氣象站點(diǎn)的4～9月多年月均降雨量數(shù)據(jù)，基于SPSS對(duì)相關(guān)要素進(jìn)行了線性回歸模擬；利用線性回歸模型對(duì)巫山縣夏半年（4～9月）降雨量進(jìn)行了空間綜合模擬，利用GIS的空間信息處理能力，分析研究了夏半年降雨量對(duì)山區(qū)縣域洪災(zāi)的影響及在農(nóng)業(yè)氣候資源和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展方面的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明：巫山縣夏半年降雨量分布由東和東南向西和西北、由高海拔向低海拔地區(qū)逐漸減少，夏半年降雨量的地區(qū)分布差異明顯，但整體上巫山縣夏半年降雨量相對(duì)較充沛。

關(guān)鍵詞：夏半年降雨量；空間模擬；線性回歸；巫山縣

中圖分類號(hào)：P426.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10017503

1 引言

由于水資源時(shí)空分布不均、地區(qū)分布差異大等原因，對(duì)人類的經(jīng)濟(jì)、生活造成一定的影響，因此對(duì)降雨量的空間模擬與分析研究具有重要的意義[1]。彭曉芬等[2]（2010）利用反距離權(quán)重法、普通克里金法、樣條函數(shù)法和回歸模型法對(duì)云南省134個(gè)氣象站1993～2007年多年平均降雨量進(jìn)行空間插值分析；肖鵬嵩等[3]（2013）利用17個(gè)典型氣象站點(diǎn)1957～2001年的降雨量資料，采用距平百分率、線性趨勢(shì)線、滑動(dòng)平均、累積濾波器和Kendall秩次相關(guān)法等方法，分析了廣西平均降雨量變化趨勢(shì)；朱會(huì)義等[4]使用58個(gè)降雨量數(shù)據(jù)， 分析站點(diǎn)數(shù)量變化、時(shí)間尺度變化和采用插值方法所帶來的空間插值的不確定性， 建議引入獨(dú)立的相關(guān)變量，整合到現(xiàn)有插值方法中；蔡文華等[5]利用福建省68個(gè)臺(tái)站所處緯度、海拔高度、離海距和地形遮檔仰角等地理因子建立推算3～6月降雨量平均值的模式；祝青林[6]（2010）等綜合利用三維趨勢(shì)面、協(xié)同克里金、三維薄片樣條等對(duì)大連市降水觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析，認(rèn)為光滑樣條曲線插值效果最優(yōu)；B.Sevruk 等[7]在小流域降水分布研究中考慮風(fēng)和地形的影響。

以重慶市巫山縣為研究范圍，利用巫山縣及周邊21個(gè)氣象站點(diǎn)4～9月多年平均降雨量數(shù)據(jù)，分別選取經(jīng)度、緯度、高程等地形因素對(duì)巫山縣的夏半年降雨量進(jìn)行空間模擬。同時(shí)根據(jù)巫山縣坡向設(shè)定相應(yīng)的坡向系數(shù)對(duì)模擬得到的夏半年降雨量進(jìn)行校正；然后鄰域匯總計(jì)算出各村夏半年降雨量平均值；最后對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性、水資源分布狀況進(jìn)行相應(yīng)分析與評(píng)價(jià)[8～11]。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

巫山縣位于重慶市東北部，三峽庫區(qū)腹心。東鄰湖北省巴東縣，西接奉節(jié)縣，南與湖北省建始縣毗連，北與巫溪縣及神農(nóng)架林區(qū)接壤。幅員面積2958 km2，耕地面積40274 hm2。轄24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2個(gè)街道（圖1），307個(gè)村和33個(gè)居委會(huì)，總?cè)丝?3萬人。巫山縣地貌上呈深谷和中低山相間形態(tài)，地形起伏大，坡度大。

研究數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，共選取巫山縣及周邊近21個(gè)氣象站點(diǎn)1981～2010年4～9月累年月均降雨量以及各氣象站點(diǎn)高程、經(jīng)緯度等。

3 研究方法及結(jié)果分析

3.1 建立多元線性回歸模型

基于獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用SPSS進(jìn)行線性回歸分析，得到重慶市巫山縣夏半年降雨量與高程、經(jīng)度和緯度之間的回歸模型，如下所示：

式（1）中，y為夏半年降雨量，φ為緯度，λ為經(jīng)度，h為高程；樣本數(shù)為21，λ，φ 單位為°，h 單位為m，F(xiàn)值58.683。

3.2 基于回歸模型模擬夏半年降雨量空間分布

將30 m×30 m巫山縣DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，獲取每個(gè)網(wǎng)格經(jīng)緯度數(shù)值和高程值；利用上述回歸分析獲得模型計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格夏半年降雨量（mm），模擬結(jié)果如圖2所示。3.3 基于地形因素校正夏半年降雨量

降水主要受宏觀地理因素、海拔高度和大型坡地方位的影響，為了較準(zhǔn)確地描述和分析巫山縣夏半年降雨量的空間分布特征，需要對(duì)回歸模擬出的夏半年降雨量進(jìn)行校正。山脈的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡降水有明顯差異，山地的迎風(fēng)坡地形對(duì)降水的影響程度決定于地面坡向、氣流方向以及地表高程的變化。選用由坡向引申出的坡向系數(shù)對(duì)模擬得到的夏半年降雨量進(jìn)行校正，即夏半年降雨量y（t）=夏半年降雨量y（0）×坡向系數(shù)。

坡向系數(shù)主要根據(jù)夏半年東南季風(fēng)和西南風(fēng)對(duì)重慶巫山縣的影響來進(jìn)行相應(yīng)定義，具體值分別為平地（1.00）、北（0.95）、東北（0.95）、東（1.05）、東南（1.15）、南（1.15）、西南（1.05）、西（0.90）、西北（0.90），在此基礎(chǔ)上利用GIS基于DEM得到巫山縣坡向圖（圖3），提取屬性進(jìn)行相應(yīng)賦值；將矢量坡向數(shù)據(jù)與矢量DEM相交分析；在相交圖層屬性表中模擬出校正夏半年降雨量（圖4）。

從圖4可以看出，巫山縣夏半年降雨量高值多集中在東南和西南部，其中部和北部大多數(shù)地區(qū)的降雨量較少，隨著高程的增加，降雨量也有所增加，所以北部高海拔地區(qū)降雨為高充沛區(qū)域。從兩幅圖分析得出校正后夏半年降雨量范圍比未校正的范圍大，即未校正的夏半年降雨范圍在600～860 mm，校正后的夏半年降雨范圍在430～1090 mm。

3.4 結(jié)果評(píng)價(jià)分析

將校正后的數(shù)據(jù)以村為單位進(jìn)行鄰域平均匯總，即得到巫山縣各個(gè)村夏半年降雨量的平均值（圖5），從圖5中得知匯總平均降雨量在500～940 mm之間。利用GIS自然斷點(diǎn)法將夏半年降雨量分為貧瘠（<650mm）、較充沛（650～760 mm）和充沛（>760mm）3級(jí)，統(tǒng)計(jì)得到各級(jí)所占面積分別為20%、40%和40%。

從水資源方面來看，巫山縣夏半年降雨范圍為430～1090 mm，其降雨空間分布范圍由東、東南向西、西北呈逐漸減少的趨勢(shì)，在一定高度范圍內(nèi)由低海拔區(qū)向高海拔區(qū)逐漸增加，所以其北部的局部地區(qū)降雨量較大，例如最靠近北邊的當(dāng)陽鄉(xiāng)、官陽鎮(zhèn)、平河鄉(xiāng)降雨為高充沛，其分布區(qū)域差異明顯。巫山縣南部的紅椿鄉(xiāng)、篤坪鄉(xiāng)、廟宇鎮(zhèn)、曲尺鄉(xiāng)、巫峽鎮(zhèn)、龍井鎮(zhèn)、建平鄉(xiāng)等一帶的降雨量處于充沛狀態(tài)，其年累計(jì)4～9月均降水量超過700 mm，而中部大昌鎮(zhèn)、龍溪鎮(zhèn)、福田鎮(zhèn)、雙龍鎮(zhèn)的部分村落其降雨量相對(duì)處于貧瘠狀態(tài)，其降水量小于600 mm。還有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量較充沛，其降雨量范圍在650～790 mm，例如東北部的竹賢鄉(xiāng)和騾坪鎮(zhèn)、東南部的三溪鄉(xiāng)、西南部的銅鼓鎮(zhèn)等。

從災(zāi)害預(yù)警方面來看，洪災(zāi)致災(zāi)因子中降雨量是最直接導(dǎo)致洪災(zāi)發(fā)生的因素，因?yàn)楹闉?zāi)多發(fā)生在夏半年，從巫山縣歷年發(fā)生洪災(zāi)時(shí)間來看普遍存在這樣的規(guī)律，因此研究模擬夏半年降雨量顯的極為重要，巫山縣夏半年降雨量充沛的東南部和西南部發(fā)生洪災(zāi)危險(xiǎn)性較大，北部地區(qū)降水較少的區(qū)域洪災(zāi)發(fā)生的概率相對(duì)較小，但是局部村莊降雨量超過650 mm也具有一定的危險(xiǎn)性。

4 結(jié)語

（1）基于巫山縣及周邊 21個(gè)氣象臺(tái)站多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用 SPSS 軟件建立巫山縣夏半年降雨量與經(jīng)度、緯度和高程之間的回歸模型；利用ArcGIS 軟件創(chuàng)建了巫山縣范圍內(nèi) 30 m×30 m 的格網(wǎng)系統(tǒng)，并基于ArcGIS 技術(shù)獲取了每個(gè)網(wǎng)格單元的平均高程及經(jīng)緯度坐標(biāo)值；利用格網(wǎng)系統(tǒng)及模擬的回歸方程完成了巫山縣夏半年降雨量空間模擬，同時(shí)得到其空間模擬分布圖。

（2）基于地形因素坡向?qū)Τ醮文M的降雨量進(jìn)行坡向校正，利用ArcGIS軟件得到巫山縣夏半年平均降雨量校正分布圖，并以行政村為單元將降雨資源進(jìn)行匯總平均，得出巫山縣夏半年降雨量綜合模擬數(shù)據(jù)。

（3）基于巫山縣夏半年降雨量綜合模擬結(jié)果圖，對(duì)其縣域內(nèi)的降雨資源空間分布狀況及洪災(zāi)預(yù)警方面進(jìn)行了相關(guān)分析。

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