基于GIS的遼寧環(huán)渤海區(qū)降雨時空分布特征

張 程

(盤錦市水利勘測設計有限公司，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)。但是人類活動對自然環(huán)境的影響使大量富含營養(yǎng)物質被排放到自然水體中，隨著排放量的增加，自然水體快速進化為富營養(yǎng)水體，與此同時降雨較少則成為半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵限制因素[3-5]。對遼寧環(huán)渤海地區(qū)的降雨規(guī)律進行分析有助于了解該地區(qū)降雨的規(guī)律繼而為灌區(qū)指導抗旱和建設綠色生態(tài)灌區(qū)提供科學的依據(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)時間跨度大、數(shù)據(jù)記錄全、空間代表性強的10個氣象站(營口站、大洼站、丹東站等10個氣象站)。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 累計距平的計算方法

距平是指氣候要素值與多點平均值的偏差，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)即為為負距平，累計距平為距平值的累加，該指標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，從該圖像中能夠判斷溫度突變的大致時間。計算公式如下:

(1)

式中：xi為變量；n為樣本數(shù)，t為xi所對應的時間，本研究采用5a趨勢滑動平均來顯示其變化趨勢。

2.2 滑動平均法

滑動平均法是一種簡單平滑預測方法，其原理是根據(jù)時間順序進行逐項推移，按照次序計算包含一定數(shù)量的序列平均值，通過對比就能夠得到整個時段的變化趨勢。因此，時間序列的數(shù)值受周期波動和隨機波動影響時，起伏較大，不易顯示出事件的發(fā)展趨勢時，便可以使用滑動平均法降低甚至消除這些因素的影響，就能夠得到相應數(shù)列的變化趨勢。

2.3 克里金插值法

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

kriging插值作為地統(tǒng)計學中的一種插值方法。在全面分析考慮數(shù)據(jù)之間彼此的關系后，對每一個數(shù)據(jù)賦予各自的權重系數(shù)，通過加權平均法得到估計值[6]?？死锝鸩逯倒綖椋?/p>

(2)

(3)

同時滿足無偏估計的條件：

(4)

3 研究結果

3.1 降雨年際變化特征

通過計算線性趨勢法和滑動平均法研究項目地區(qū)年降水資料計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，在整個時段中，降雨量總體變化為緩慢降低。降速達到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)年降水的累計距平曲線的變化特點(見圖2)，可以發(fā)現(xiàn)在1960-1967年間，年降雨量的累計距平曲線波動增加；從1968-2009年研究區(qū)域年降水量的累計距平曲線波動下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整個時段中，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的總體年降雨量累計距平曲線呈波動下降趨勢。

圖2 遼寧環(huán)渤海地區(qū)歷史年降水累計距平曲線

3.2 基于GIS的降雨空間變化特征分析

統(tǒng)計各個取樣點的年平均降雨量數(shù)據(jù)進行克里金插值分析，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；東部丹東三個取樣點的降雨量在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個氣象站點得到的氣象資料中篩選出每月的平均降水﹐進行了年內(nèi)的統(tǒng)計分析，分析結果見圖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，日均降水量達到了3.68mm/d。

遼寧環(huán)渤海地區(qū)長時間內(nèi)的年平均降雨量呈現(xiàn)波動下降的趨勢，降速達到了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)，這就導致了降雨量的東西分布差異。

4 結 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)波動下降的趨勢。從1968-2009年研究區(qū)域年降水量的累計距平曲線波動下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整個時段中，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的總體年降雨量累計距平曲線呈波動下降趨勢。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；東部丹東三個取樣點的降雨量在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月份達到了最高峰值。