不同尺度地形對內(nèi)蒙古夏季月降水模擬的影響分析

馬學(xué)峰

內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

水是生命活動的基礎(chǔ)，而降水作為能量循環(huán)和水循環(huán)的重要部分，在生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，但也會引發(fā)自然災(zāi)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(wèi)星手段觀測降水，但復(fù)雜地形的站點少，且受海波和坡度等的影響。衛(wèi)星的監(jiān)測范圍基本覆蓋全球中低緯度地區(qū)，隨著技術(shù)的進步，其適用性在平坦地區(qū)較強，但測量仍存在不準(zhǔn)確性[3]。降水資源與地方生產(chǎn)和災(zāi)害息息相關(guān)，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(nèi)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(dǎo)致各種氣候差異，并影響天氣系統(tǒng)。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(wěn)定，而局部地形對氣候的影響也存在可循的規(guī)律[5-6]。不同地貌的局部微觀地形對氣候的影響較為復(fù)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(yù)報屬于無效信息，甚至?xí)谏w降水和地理因子之間的真實關(guān)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(gòu)建不同精細(xì)程度的地形。地形的變化可視為二維信號，雖然構(gòu)建地形的方法較少，但在信號領(lǐng)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(guān)于地形對降水影響的理論有許多已經(jīng)較為成熟，但是，將地形信息處理與之結(jié)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(nèi)蒙古中部地區(qū)為研究區(qū)域，采取重采樣的方法構(gòu)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(nèi)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(shù)據(jù)是一種連續(xù)的、非穩(wěn)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(yīng)起伏相對較大的局部細(xì)節(jié)，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(shù)據(jù)之中的低頻部分，多尺度的地形構(gòu)建過程就是逐漸剝離細(xì)節(jié)，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(shè)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(jù)需要，獲取不同分辨率的地理數(shù)據(jù)。DEM是描述地形的數(shù)據(jù)，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(qū)和地貌對應(yīng)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(huán)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(chǎn)生繞流和抬升，該氣團的氣旋性增強并產(chǎn)生輻合，使降水增加。迎風(fēng)坡的降水導(dǎo)致過山的氣團水汽減少，背風(fēng)坡少雨，即山地降水的“迎風(fēng)坡效應(yīng)”和“雨影”現(xiàn)象。

動力作用包括氣流抬升、偏轉(zhuǎn)和山體拖曳效應(yīng)等，內(nèi)蒙古的動力作用對東亞夏季風(fēng)的驅(qū)動作用占主導(dǎo)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(fēng)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(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)和氣候變化關(guān)注的重點。同位素追蹤法基于氫氧元素進行水汽追蹤，當(dāng)下的天氣診斷采用拉格朗日或歐拉追蹤法計算區(qū)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(nèi)蒙古以南的西風(fēng)和澳大利亞越赤道也可以帶來水汽。此外，部分陸面蒸發(fā)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(qū)處于內(nèi)陸且山脈很多，阻擋了大部分水汽到達(dá)，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(nèi)蒙古的動力作用對氣流和天氣系統(tǒng)產(chǎn)生了抬升和繞流。天氣系統(tǒng)產(chǎn)生了印記，熱力作用通過影響天氣系統(tǒng)的環(huán)流、溫度和水汽分布，使區(qū)域降水增加。內(nèi)蒙古的熱力作用調(diào)節(jié)季風(fēng)、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(tǒng)的作用影響降水。例如，重力波是降水過程的重要系統(tǒng)，地形會激發(fā)或加強重力波，重力波又將地形的影響傳至下游，使迎風(fēng)坡降水明顯增加（圖1）。大尺度通過影響環(huán)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(tǒng)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(fēng)坡降水明顯

內(nèi)蒙古陰山是東西走向，則水汽從南北風(fēng)向應(yīng)比東西方向的降水要大。再分析這種地形下，南風(fēng)帶來水汽大還是北風(fēng)降水更顯一些，還有內(nèi)蒙東部的大興安嶺主體是南北走向，當(dāng)系統(tǒng)水汽為東風(fēng)或西風(fēng)時，應(yīng)是地形對降水的影響更明顯一些。統(tǒng)計了10年或者多少年間，地形東風(fēng)的降水還是西風(fēng)的降水明顯。以往的研究根據(jù)范圍和地貌的大小劃分地形，現(xiàn)有研究主要針對范圍較大的地形展開。而復(fù)雜地形是由宏觀的地形骨架和不同起伏程度的局地細(xì)節(jié)構(gòu)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(chǎn)生影響這一問題，并沒有定量的結(jié)論，需要進一步討論。

2.3 降水產(chǎn)品及降水模擬

影響降水的原因多且復(fù)雜，因此，獲取雨量數(shù)據(jù)并不容易。早期，雨量數(shù)據(jù)可以通過觀測、模擬以及理論獲取。隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)、衛(wèi)星、數(shù)據(jù)同化等各種方式使得數(shù)據(jù)的來源變得豐富，而且提高了精度和時空分辨率。

目前，降水?dāng)?shù)據(jù)可通過觀測、衛(wèi)星、再分析得到。氣象站觀測是最早的降水產(chǎn)品，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)展成為重要工具，可以提供包含全球的降水?dāng)?shù)據(jù)。再分析可以將多源數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)同化，能較好地反映大氣的真實情況。

復(fù)雜地形的降水模型引入大氣環(huán)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(shù)表示和降水之間的關(guān)系，定量解釋，形成因子對降水的影響，這也保障了結(jié)果的精確性。

3 氣象站點觀測降水?dāng)?shù)據(jù)

3.1 多源實況降水?dāng)?shù)據(jù)

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

3.1.2 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)此處采用TRMM與GPM 2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品，均來自NASA地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心。熱帶降雨觀測衛(wèi)星（TRMM）于1997年在日本發(fā)射，是由美國國家航空航天局（NASA）和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aeronautics Exploration Agency，簡稱JAXA）共同研發(fā)的。采用的TRMM3B43月降水是TMPA的延伸產(chǎn)品之一，為此處主要使用數(shù)據(jù)之一，時間分辨率為月，空間分辨率為0.25°×0.25°。

3.1.3 基礎(chǔ)地理信息內(nèi)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?？傮w海拔在1 000 m以上。

4 多尺度地形構(gòu)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(shù)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(biāo)之一。降水量是指一定時段內(nèi)，從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)水，未經(jīng)蒸發(fā)、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(shù)。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(nèi)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(qū)為500～750 mm；黃河上、中游及東北大興安嶺以西地區(qū)為200～400 mm；西北內(nèi)陸地區(qū)年降水量為100～200 mm；季節(jié)分配春季降水。根據(jù)圖2可以得到內(nèi)蒙古地區(qū)得到降水量與月份的關(guān)系，降水量主要集中在6—10月。

圖2 內(nèi)蒙古地區(qū)降水量與月份之間的關(guān)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(xì)程度的直接標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)最大值與最小值之差。但重采樣導(dǎo)致數(shù)據(jù)的分辨率發(fā)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(biāo)準(zhǔn)差法計算起伏度，即計算研究區(qū)海拔的標(biāo)準(zhǔn)差表征地形的起伏程度。公式如下：

其中，M、N分別為DEM數(shù)據(jù)的行列數(shù)，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(jù)山脈的走向和范圍改變?yōu)V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(nèi)每個格點的值都具有相同的權(quán)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(shù)是三角函數(shù)波經(jīng)過位移和縮放得到的小波，選擇更符合信號特點的適應(yīng)不連續(xù)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(xì)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(jù)內(nèi)蒙古夏季的觀測降水?dāng)?shù)據(jù)，討論研究地區(qū)的夏季降水特點，分析降水的空間分布特征，以及與地區(qū)的海拔與坡向之間的關(guān)系。

5.1 內(nèi)蒙古地區(qū)的降水特征

內(nèi)蒙古地區(qū)以高原為主，大部分為草原，遠(yuǎn)離海洋，在邊界處有山脈，因此，在內(nèi)蒙古的東西和南北之間仍存在差異。內(nèi)蒙古由于狹長而受到多種天氣系統(tǒng)的影響，各地的降水量因此產(chǎn)生較大差異。內(nèi)蒙古地區(qū)的主要氣候是溫帶大陸性氣候，季節(jié)差異明顯，降水集中在夏季，東部的平原地區(qū)降水豐富，年均降水可以達(dá)到300～550 mm。而西部為戈壁地區(qū)，降水相對偏少，年均降水量不足150 mm,內(nèi)蒙古中部地區(qū)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(qū)域內(nèi)，降水隨海波的變化是存在規(guī)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(biāo)準(zhǔn)，因此，一般設(shè)置在地勢平坦的地方。表1為內(nèi)蒙古陰山地區(qū)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(guī)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(qū)夏季站點降水隨海拔的變化

5.3 坡向?qū)邓挠绊?/h3>

為了探究坡向和降水之間的關(guān)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(jié)論

降水資源與地方生產(chǎn)和災(zāi)害息息相關(guān)，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(nèi)蒙古地區(qū)為研究區(qū)，構(gòu)建多級地形，基于站點觀測數(shù)據(jù)討論不同精細(xì)程度的地形因子對降水的影響。在此基礎(chǔ)上，以TRMM衛(wèi)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(jié) 果表明：（1）降 水 在1 000～800 mm以下與海拔大致呈線性關(guān)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(yīng)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(dǎo)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(qū),7、8月隨著季風(fēng)的暴發(fā)，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(fēng)坡降水差異明顯，精細(xì)地形的降水差異較小,宏觀地形由于劃分迎背風(fēng)坡不合理出現(xiàn)迎背風(fēng)坡降水差為負(fù)。