復(fù)雜地形氣候區(qū)降水量等值線繪制方法研究

李學(xué)輝 余守龍 谷桂華 段路松

摘要：降水量等值線是反映水資源變化規(guī)律的重要方式，也是推求無資料地區(qū)水文要素的重要參考依據(jù)。然而，在地形復(fù)雜、氣候多樣的地區(qū)，采用常規(guī)方法繪制降水量等值線存在一定困難。以云南省為例，通過分析實測降雨資料變化規(guī)律，研究復(fù)雜地形氣候區(qū)降水量等值線繪制方法。研究表明：依據(jù)水汽輸送情況和降雨分析成果，采用ArcGIS軟件自動繪制與人機交互經(jīng)驗修訂相結(jié)合的方式，繪制出的等值線符合降水空間分布特性。研究成果可為水資源空間分布規(guī)律的研究提供依據(jù)，為我國第三次水資源調(diào)查評價等值線圖繪制提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：降水量等值線;繪制方法;ArcGIS;復(fù)雜地形氣候區(qū);云南省

中圖法分類號：TV125文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.002

水資源調(diào)查評價是國家自然資源調(diào)查的重要內(nèi)容。近年來，我國水資源保護問題突出、水安全形勢嚴峻，迫切需要開展水資源調(diào)查評價工作，以摸清各地區(qū)水資源的變化狀況，為今后制定水資源戰(zhàn)略規(guī)劃、實施重大水利工程建設(shè)、落實最嚴格水資源管理制度、促進水生態(tài)文明建設(shè)提供可靠的基礎(chǔ)。近期，全國開展了第三次水資源調(diào)查評價工作，降水量等值線圖繪制是地表水資源評價的一項重要工作任務(wù)[1]。

20世紀80年代，全國第一次水資源評價時，依據(jù)雨量站位置和降水量數(shù)值在紙質(zhì)地圖上手工繪制等值線圖，采用求積儀逐塊量算區(qū)域降水量，工作繁瑣、人工耗費大。21世紀初，隨著計算機技術(shù)應(yīng)用的普及和提高，謝伙生等[2-4]開始研究計算機編程自動繪制等值線技術(shù)。近年來，在區(qū)域水資源評價中，技術(shù)工作者利用各種插值方法和成熟軟件，自動生成降水等值線圖[5-6]。其中，ArcGIS軟件功能較強，具有較好的分析、編譯矢量數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的功能，在實際工作中得到了廣泛應(yīng)用[7-14]。

軟件自動繪制等值線通常適用于平原地區(qū)，在地形氣候條件復(fù)雜的地區(qū)，自動繪制的等值線尚無法準確地反映地形和氣候條件的影響，需要進行人工修正。本文以云南省為例，在ArcGIS軟件生成的等值線圖基礎(chǔ)上，充分研究區(qū)域降水時空分布特征，利用人工經(jīng)驗進行人機交互修訂，繪制的降水量等值線圖能夠盡可能符合云南高原山區(qū)降水分布特性。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于青藏高原東南和云貴高原西部，境內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜，特別是元江河谷和云嶺山脈一線以西部分，是橫斷山脈縱谷區(qū)，相對高差大，形成了復(fù)雜的地形氣候區(qū);其所處的地理位置也是孟加拉灣西南暖濕氣流進入我國的唯一通道，水汽含量豐富。因此，云南省復(fù)雜的地形形成了獨特的氣候特性，全省的降水分布差異較大[15]。云南復(fù)雜地形氣候孕育了六大江河水系，即長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江流域。長江流域橫跨云南北部，從西藏進入云南后，自攀枝花到橫江為川滇界河;珠江流域位于東部與東南部，與貴州、廣西接壤;紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江流域?qū)儆谖髂现T河，分布在云南西部和南部。其中，滇西北怒江、瀾滄江和金沙江從北向南在直線30 km區(qū)域穿過，是著名的“三江并流區(qū)”。

在第一次水資源調(diào)查評價時，唐一清等[16]對云南省年降水年徑流等值線進行了深入研究，利用1 a多時間，在紙質(zhì)地圖上手工繪制等值線圖。在第二次調(diào)查評價期間，利用Mapinfo軟件矢量化紙質(zhì)地圖，經(jīng)1 a左右時間，在電子地圖上手工繪制等值線圖。在第三次水資源調(diào)查評價工作中，充分利用ArcGIS技術(shù)，采用計算機自動繪制和人工經(jīng)驗交互修訂相結(jié)合的方式，2個月內(nèi)就完成了降水量等值線的繪制工作。

1.2 數(shù)據(jù)資料

在云南省第三次水資源調(diào)查評價工作中，根據(jù)站點分布情況，在六大流域范圍內(nèi)共選用2 657個雨量站點資料，分析各年度分區(qū)降水量和降水時空分布特征。按照《全國水資源調(diào)查評價技術(shù)細則》要求，選用降水資料完整且具有同步系列的雨量站點繪制1956～2016年和1980～2016年多年平均降水量等值線圖[1]。經(jīng)插補延長，云南省1956～2016年完整降水系列的站點共434個，站網(wǎng)密度883 km2/個;1980～2016年完整降水系列的站點共984個，站網(wǎng)密度389 km2/個?？傮w而言，云南省具有長降水系列的雨量站站網(wǎng)密度不大、分布不均勻，對部分地區(qū)的降水量變化情況控制不足[17-18]，很多地區(qū)仍是水文要素空白區(qū)。各流域站點情況見表1。

2 研究方法

2.1 ArcGIS自動繪制等值線

依靠計算機完成ArcGIS自動繪制等值線方法，耗時短，對專業(yè)知識水平的要求較低，在水文要素變化不大的平原地區(qū)應(yīng)用效果較好。ArcGIS具有較強的空間數(shù)據(jù)處理能力，采用該軟件提供的樣條函數(shù)法繪制降水量等值線[19]。

樣條函數(shù)法中，使用二維最小曲率樣條法，將點插值成柵格表面，將一個數(shù)學(xué)函數(shù)與指定數(shù)量的最近輸入點進行擬合，數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性較好，自動生成的等值線平滑、美觀。

2.2 等值線修正方法

受復(fù)雜地形氣候的影響，ArcGIS軟件無法識別各地區(qū)降水之間的聯(lián)系，單純靠軟件系統(tǒng)繪制等值線圖，會出現(xiàn)螺旋狀的高值區(qū)或低值區(qū)等不合理現(xiàn)象。因此，采用ArcGIS軟件初步繪制的等線圖為工作基礎(chǔ)，根據(jù)實測降水量的空間分布特征及變化趨勢，結(jié)合地形條件和水汽來源，綜合分析各條等值線的數(shù)值和走向，合理判斷其變化趨勢，必要時進行修正。

在實際運用中，首先在地形氣候復(fù)雜的橫斷山脈、烏蒙山脈、哀牢山脈等地區(qū)建立降水隨高程變化關(guān)系，分析雨量站未控區(qū)降水量的變化情況。根據(jù)高程情況推求降水量數(shù)值，作為資料空白區(qū)降水量的參考依據(jù)。然后根據(jù)地形、水汽來源和高程變化情況，調(diào)整和修訂軟件自動繪制的等值線。

3 研究成果

3.1 自動繪制等值線

采用ArcGIS軟件繪制降水量等值線，需要準備雨量站的基本要素，如站名、經(jīng)緯度和年平均降水量等。將1∶25萬比例尺的行政分區(qū)界線、等高線和雨量站點屬性表等基礎(chǔ)信息導(dǎo)入ArcGIS軟件圖層。在工具箱模塊“Spatial Analyst Tools”中，選擇插值分析的樣條函數(shù)法分析功能，選擇多年平均降水量要素進行插值分析（見圖1）。生成空間插值柵格數(shù)據(jù)后，再選擇表面分析工具中的等值線分析功能，將柵格數(shù)據(jù)中降水量相等的點自動連接成等值線。

云南東部為滇東高原盆地區(qū)、山嶺短小、地形起伏不大，降水站點分布最為密集。自動繪制的降水量等值線基本符合降水地區(qū)分布規(guī)律，僅在梁王山、拱王山等局部需按照降水?dāng)?shù)據(jù)分析成果進行修訂。云南西部和南部屬于橫斷山脈峽谷區(qū)及南延地形，通過自動識別連接部分不同氣候區(qū)相同降水量的點，自動繪制的多年平均降水量等值線圖出現(xiàn)局部“各自為圖”現(xiàn)象（見圖2）。圖2中出現(xiàn)多處降水量等值線閉合圈和等值線橫跨山脈、斜交河流等不合理現(xiàn)象，不符合降水量地區(qū)分布規(guī)律。因此，需結(jié)合降水?dāng)?shù)據(jù)分析成果和地形氣候條件，修訂ArcGIS軟件自動繪制的降水量等值線圖。

3.2 等值線人機交互修訂

受孟加拉灣西南暖濕氣流和北部灣東南暖濕氣流的影響，云南西南部伊洛瓦底江流域和東南部紅河流域是全省兩個降水量極高值區(qū)。伊洛瓦底江流域?qū)崪y年降水量可達4 000 mm，紅河流域可達3 500 mm。而暖濕氣流難以到達的西北部金沙江河谷地帶，降水量僅約200 mm。由于地形、氣候?qū)邓挠绊戯@著[20]，需研究降水的空間分布特性，為修訂等值線提供依據(jù)。

無實測資料地區(qū)等值線繪制需充分考慮地形和氣候?qū)τ炅康挠绊?，采用降水與高程的關(guān)系和地形變化推算等值線分布是繪制等值線的重要依據(jù)。根據(jù)雨量站實測降水資料和降水量分布規(guī)律，分片區(qū)建立降水與高程的關(guān)系，并推求雨量站空白區(qū)的降水分布趨勢（見圖3）。圖3中，Ⅰ線為滇中北部的拱王山，Ⅱ線為昭通地區(qū)的南部，Ⅲ線為哀牢山中部，Ⅳ線為五蓮峰及橫江河谷，Ⅴ線為高黎貢山南部，Ⅵ線為鄰近越南的哀牢山南部。

根據(jù)實測資料，西南部伊洛瓦底江流域的降水量與高程呈正相關(guān)關(guān)系，河谷高程800 m，高黎貢山山脈高程4 000 m，降水量隨著高程的增加由1 200 mm增至4 100mm，降水變化的梯度為91mm/100 m;東南部哀牢山，從海拔950 m的河谷到山頂2 300 m，降水量由1 800 mm增至3 000 mm，降水變化的梯度為89 mm/100m。其他地區(qū)降水量分布也采用此方法進行推算。

按照圖3研究成果以及地區(qū)高程，推算云南主要山脈降水量成果（見表2）。以推算的降水量作為參考，再根據(jù)水汽輸送方向和地形分布情況確定等值線的走向和分布，修訂降水量等值線。

暖濕氣流從西南和東南兩個方向進入云南，等值線與迎風(fēng)坡基本平行。同時受地形的影響，水汽沿河谷輸送，等值線與山脈和河谷平行;在繪制高大山脈地區(qū)的等值線時要進行適當(dāng)迂回，避免橫穿主山體;在跨越較大河流時，應(yīng)避免斜交。

云南地勢北高南低，西南暖濕氣流從西部、西南部通過云南進入我國腹地，一部分翻越高黎貢山，一部分從伊洛瓦底江、怒江河谷進入云南。由于地形的抬升作用，在迎風(fēng)坡形成大量降水;同時受橫斷山脈地形的影響，水汽沿河谷向北輸送，形成南北向的降水等值線分布趨勢，見圖4（a）。東南暖濕氣流從低海拔處進入云南，受地形抬升作用，在國境線一帶形成大量的地形雨，降雨分布與地形分布密切，形成東西向的降水等值線分布趨勢。在哀牢山、無量山等地形的影響下，暖濕氣流沿河谷向北輸送，形成西北-東南向等值線分布趨勢，見圖4（b）。

由于實測降水、山脈、河谷等的影響，等值線會有彎曲變形和零碎化，但總體趨勢不變。人工經(jīng)驗修訂的降水量等值線圖線型密實、排列緊湊，符合地形地貌變化特征和降水量地區(qū)分布規(guī)律（見圖5）。

3.3 成果合理性分析

綜合比較ArcGIS軟件自動生成的降水量等值線和人工經(jīng)驗修訂圖可看出，在地形復(fù)雜、地勢起伏較大的怒江、瀾滄江、紅河流域等橫斷山脈地區(qū)等值線走勢和分布差異較大;地勢較平坦的東部地區(qū)，則基本一致。

根據(jù)氣候、地形、地理條件的分布規(guī)律檢查線形分布的合理性，尤其是等值線分布與較大山脈走向、水汽輸送方向的符合性;同時，根據(jù)降水分布規(guī)律，檢查等值線高值區(qū)和低值區(qū)位置的合理性。

在地區(qū)分布符合地形氣候規(guī)律的條件下，采用ArcGIS量算降水量等值線，并與逐年計算的分區(qū)降水量成果進行比較。1956～2016年降水量等值線圖量算成果與水資源三級區(qū)套州市計算區(qū)的逐年系列多年平均降水量成果誤差在-6%～6%之間，平均相差1%;1980～2016年降水量成果誤差在-10%～6%之間，平均相差3%。兩個系列的等值線圖均滿足誤差不超過±10%的精度要求[1]。

4 結(jié) 語

降水量等值線圖是地區(qū)降水分布規(guī)律的直觀表現(xiàn)，在水利工作中應(yīng)用廣泛。因此，繪制降水量等值線圖是水資源調(diào)查評價的重要工作之一。

云南省地形氣候復(fù)雜，受地形和不同暖濕氣流的影響，同一緯度、相同海拔高程地區(qū)的降水量差異較大。在復(fù)雜地形氣候區(qū)，采用ArcGIS軟件自動生成的等值線與修訂后等值線量算值差異較大。由于無法識別各點降水之間的聯(lián)系，自動繪制等值線圖出現(xiàn)局部“各自為圖”的現(xiàn)象，線型分布也不符合降水地區(qū)分布特性。采用ArcGIS軟件自動生成與人機交互經(jīng)驗修訂相結(jié)合的方式，更適用于繪制復(fù)雜地形等值線。該法綜合了軟件成圖快和人工經(jīng)驗豐富的優(yōu)點，減少了等值線繪制的難度和時間。繪制的等值線符合地區(qū)降水空間分布特性，提高了等值線的適用性。

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（編輯：李曉濛）