基于DEM的四川省地面氣象臺站地形特征分析

黃曉龍 , 徐曉莉 , 吳 薇 , 龍柯吉 , 王麗偉

（1. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室, 成都 610072；2. 四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心, 成都 610072；3. 四川省氣象臺, 成都 610072；4. 吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心, 長春 130062）

引言

地面氣象臺站是整個氣象觀測體系的基礎(chǔ)，為氣象預(yù)報預(yù)測、應(yīng)用服務(wù)和科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐。然而臺站的觀測記錄受到儀器設(shè)備、周邊環(huán)境等多種因素影響[1-6]，地形是最為重要的影響因素之一[7-9]，特別是在地形復(fù)雜的山區(qū)，地形使得氣象要素空間分布不均，影響天氣現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程。因此，觀測臺站的地形信息是數(shù)據(jù)應(yīng)用不可或缺的元數(shù)據(jù)[10-11]。我國從2002年開始十分重視氣象臺站元數(shù)據(jù)信息的建設(shè)，頒布有氣象臺站歷史沿革數(shù)據(jù)規(guī)范[12-13]，但僅含臺站的海拔高度信息，而地形特征的相關(guān)數(shù)據(jù)極度缺乏，且部分氣象臺站的地形數(shù)據(jù)為估測，不能準(zhǔn)確地定量化表征臺站所處的地形信息。隨著自動氣象觀測站建設(shè)的逐步加快，站網(wǎng)規(guī)模日益增大，特別是復(fù)雜地形氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，對觀測臺站地形信息的及時獲取提出了迫切需求。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬[14-15]，且精度越來越高，為任意位置地形特征的提取提供可能。過往研究主要集中在提取特定區(qū)域的地形特征和DEM尺度效應(yīng)對地形因子提取結(jié)果影響等方面。例如，薛凱凱等[16]采用5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取黃土崾峴進(jìn)行研究，結(jié)果揭示了DEM數(shù)據(jù)對黃土高原溝壑區(qū)表達(dá)具有很好的適用性。郭佳等[17]、玉院和等[18]基于不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)，探討了尺度效應(yīng)下的地形特征，研究發(fā)現(xiàn)不同水平分辨率的DEM對地形因子的提取結(jié)果有一定影響。許寶榮等[19]利用DEM數(shù)據(jù)提取黑河流域降水觀測臺站的地形起伏度，對臺站的區(qū)域代表性進(jìn)行研究，結(jié)果表明降水臺站的地形代表性取決于區(qū)域臺站數(shù)量及其空間分布，尤其是地形的復(fù)雜程度。

總的說來，國內(nèi)利用DEM數(shù)據(jù)對氣象臺站地形特征提取的研究不多，尤其是四川這種地形復(fù)雜且天氣多變的地區(qū)，究竟觀測臺站所處的地形特征怎樣？為了研究這個問題，本文以DEM為數(shù)據(jù)源，獲取四川省內(nèi)地面氣象觀測站的站點海拔高度，并利用觀測站點實測海拔高度對DEM數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行驗證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取觀測臺站的坡度、坡向、地形粗糙度等地形因子，按不同站網(wǎng)類別和地形特征進(jìn)行分析，以期為氣象站網(wǎng)布局優(yōu)化、資料分析和應(yīng)用提供必要的元數(shù)據(jù)信息。

1 研究區(qū)概況及地面氣象觀測站點分布

四川省地處青藏高原和長江中下游平原的過渡帶，地勢由西北向東南呈梯狀下降。區(qū)域內(nèi)有平原、丘陵、山地和高原4種地貌類型。西部為高原和山地，海拔多在3000 m以上；東部以盆地和丘陵為主，海拔多為500~2000 m。圖1給出了四川地區(qū)海拔高度（圖1a）及不同站網(wǎng)（圖1b~d）分布，可以看出氣象觀測臺站盆地分布相對集中，而川西高原地區(qū)相對稀疏且分布不均。

圖1 四川地區(qū)海拔高度（a）和地面氣象站點（b. 國家級氣象觀測站， c. 區(qū)域自動氣象考核站，d. 區(qū)域自動氣象非考核站）空間分布

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

地面氣象觀測站點的經(jīng)緯度信息、站點類型標(biāo)識及實測海拔高度均來自于四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心站網(wǎng)管理平臺（http://10.194.17.146/stationIndex）。DEM資料來自四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，分辨率為90 m，地理坐標(biāo)為CGCS_2000，基準(zhǔn)面為D_2000。地面氣象觀測站按臺站級別，由156個國家級氣象觀測站（下文簡稱國家站）和5128個區(qū)域自動氣象站所組成，按站點的分布、環(huán)境特征和資料用途等進(jìn)行分類，包括2205個區(qū)域考核站和2923個區(qū)域非考核站。

2.2 研究方法

（1）臺站海拔精度評價方法

將DEM數(shù)據(jù)在ArcMap軟件中轉(zhuǎn)為DEM柵格圖層，根據(jù)地面氣象觀測站點所在的經(jīng)緯度，提取觀測站點所在DEM柵格的海拔高度，與氣象站點實測海拔高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。采用相關(guān)系數(shù)(COR)、平均值誤差(BIAS)、平均絕對誤差(MAE)、平均絕對百分比誤差(MRE)和均方根誤差(RMSE) ，對提取的氣象站點海拔高度的精度進(jìn)行評價。具體公式如下：

式中：Gi為 DEM數(shù)據(jù)提取的海拔高度；Oi為站點實測的海拔高度；n為觀測臺站數(shù)；COR越接近于 1，數(shù)據(jù)一致性越好；BIAS反映所提取的海拔高度與站點實測海拔高度在數(shù)值上的偏離程度，負(fù)值表明提取的海拔高度低估，反之則高估；MAE和RMSE越接近0，可以說明提取的海拔高度數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確；MRE則反映提取的海拔高度與實測海拔高度的絕對差值相對于站點實測海拔的偏離程度。

（2）臺站地形因子及提取方法

按站網(wǎng)類別，分別提取國家站、區(qū)域考核和區(qū)域非考核站的4種地形特征因子，包括任意點的海拔高度，直接反映坡面形態(tài)因子的坡度、坡向和反映區(qū)域地形信息統(tǒng)計特征的地形粗糙度，所代表的地形特征如表1所示。

表1 地形因子特征

以所提取地形因子的目標(biāo)柵格為中心，依據(jù)劉軍等[20]給出的地形因子提取算法，在ArcMap軟件中，采用3×3半徑的矩形窗口分析方法，得到四川區(qū)域不同地形因子的柵格圖層，在此柵格圖層上，分別提取氣象臺站經(jīng)緯度所在的柵格值做為該站的地形特征數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 DEM的臺站海拔高度精度檢驗

為了驗證DEM數(shù)據(jù)在四川省的適用性，本文采用臺站實地測量的海拔高度，對DEM數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評價。3種站網(wǎng)類別的檢驗結(jié)果如表2所示，國家站、區(qū)域考核站和區(qū)域非考核站的相關(guān)系數(shù) (COR)均在0.988以上，平均值誤差(BIAS)均為正偏差，表明DEM數(shù)據(jù)提取的海拔高度高于臺站實測的海拔高度。3種站網(wǎng)類別的平均絕對誤差(MAE)在50 m以下，平均絕對百分比誤差(MRE)低于7%，均方根誤差(RMSE)低于150 m。國家站相對區(qū)域自動站誤差更小，這可能與國家站的地理數(shù)據(jù)是由測繪部門實地測定更為精確有關(guān)。綜合上述統(tǒng)計結(jié)果，說明DEM數(shù)據(jù)提取的臺站海拔高度與實測站點的海拔高度具有較好的一致性，所采用的DEM數(shù)據(jù)能代表四川省的地形高度特征。

表2 精度檢驗結(jié)果

3.2 臺站地形特征分析

通過臺站實測海拔高度驗證DEM數(shù)據(jù)在四川省的適用性后，接下來本節(jié)將進(jìn)一步利用DEM數(shù)據(jù)提取觀測站點的海拔高度、坡度、坡向和地形粗糙度4類地形特征因子，分別對國家站、區(qū)域考核站和區(qū)域非考核站所處的地形特征進(jìn)行分析。

3.2.1 海拔高度

參照已有研究[21]給出的中國地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)，將臺站按所處海拔高度劃分為低海拔、中海拔、亞高海拔和高海拔4級，國家站、區(qū)域考核站和非考核站在不同海拔高度級別下的臺站數(shù)和所占該類型臺站總數(shù)的比例如表3所示?？梢钥闯觯?種類型的站點均主要分布在<1000 m的低海拔地區(qū)，國家站在低海拔地區(qū)的臺站數(shù)占65.4%，與區(qū)域非考核站（64.3%）較為接近，而區(qū)域考核站最高為77.8%；在中海拔地區(qū)，臺站占比依次為區(qū)域非考核站、國家站和區(qū)域考核站；國家站在>2000 m的亞高海拔和高海拔地區(qū)占比均高于區(qū)域考核站和非考核站，而區(qū)域非考核站又明顯高于區(qū)域考核站。

表3 四川不同觀測站點類別的海拔高度

為了更直觀地研究3種站點類別在不同海拔高度的分布情況，本節(jié)進(jìn)一步分析了臺站海拔高度的空間分布及臺站密度隨海拔高度變化特征。圖2a、b和c分別為國家站、區(qū)域考核站和非考核站所處海拔高度的空間分布，可以看出3種站網(wǎng)類別的臺站在低海拔地區(qū)分布比較密集，與表3一致，但是國家站相比區(qū)域站分布更為均勻。圖2d、e和f分別為國家站、區(qū)域考核站和非考核站隨海拔高度的核密度估計(KDE)分布情況，可以看出：3種站網(wǎng)類別的臺站密度分布趨勢一致，在海拔高度為500 m左右達(dá)到峰值，說明臺站在低海拔500 m左右的地區(qū)最為集中，然后隨著海拔高度的增加而逐漸降低，國家站降低幅度明顯小于區(qū)域考核和非考核站，進(jìn)一步體現(xiàn)了國家站相對區(qū)域站分布均勻；中海拔地區(qū)的臺站處在低海拔和亞高海拔、高海拔過渡帶，空間分布不明顯，但是KDE曲線的變化表明國家站要比區(qū)域站變化緩慢，即國家站分布更均勻；在亞高海拔和高海拔地區(qū)，國家站的臺站數(shù)明顯低于區(qū)域考核站和非考核站，但是國家站的KDE曲線變化相比區(qū)域站更平緩，尤其在2000~3000 m幾乎沒有變化，而區(qū)域站的KDE曲線陡降，同樣說明國家站在該區(qū)域不僅占比高(表3)且分布均勻。綜上所述，國家站和區(qū)域站均主要分布在低海拔地區(qū)，在不同類別海拔高度的地區(qū)，國家站都比區(qū)域站分布均勻。

圖2 3類臺站（a、d. 國家站，b、e. 區(qū)域考核站，c、f. 區(qū)域非考核站）海拔高度空間分布（左）和臺站數(shù)隨海拔高度的核密度估計（右）

3.2.2 坡度

依據(jù)國際地理學(xué)聯(lián)合會與地貌制圖委員會制定的地貌坡地分類標(biāo)準(zhǔn)，觀測臺站在不同坡度類型的站數(shù)和所占臺站總數(shù)的比例如表4所示，可以看出：國家站、區(qū)域考核和非考核站均在斜坡地形上占比最高，分別占各站網(wǎng)類型臺站總數(shù)的27.6%、38.0%和36.5%；在平原地區(qū)，國家站占比遠(yuǎn)超過區(qū)域站達(dá)到了5.8%，區(qū)域考核站和非考核站占比十分接近；在微斜坡地形，國家站占比達(dá)到了1/4，區(qū)域考核站較非考核站占比高，但均比國家站低；在緩斜坡地形，國家站與區(qū)域考核站占比接近，均高于區(qū)域非考核站；而在陡坡地區(qū)，正好相反，即國家站與區(qū)域考核站占比接近，且均低于區(qū)域非考核站；在峭坡地形，國家站占比為2.6%，比區(qū)域站高；在垂直壁地形，無國家站，區(qū)域考核站有3個臺站，非考核臺站僅有1個臺站；由平原到斜坡地區(qū)，國家站占比達(dá)到了81.5%，區(qū)域考核站81.7%，國家站與區(qū)域考核站接近，區(qū)域非考核站占比76.7%，略低于國家站和區(qū)域考核站。綜上所述，大部分國家站和區(qū)域站均分布在坡度<15°的地形上。

表4 四川觀測站點在不同坡度級別的分布

接下來進(jìn)一步分析臺站密度隨坡度變化及臺站所處坡度的空間分布特征。由圖3a、b和c可以看出，國家站和區(qū)域站所處在平原、微斜坡、緩斜坡和斜坡的臺站比較密集，與表4一致。結(jié)合圖3d、e和f可知，3種類型站網(wǎng)的臺站密度隨坡度分布趨勢一致，在2°左右達(dá)到峰值，即說明微斜坡地區(qū)臺站最為集中。3種站網(wǎng)類型的臺站在達(dá)到峰值后隨著坡度的增加而逐漸降低，國家站降低幅度明顯小于區(qū)域考核和非考核站，進(jìn)一步體現(xiàn)了在平原到斜坡地形國家站較區(qū)域站分布均勻。在陡坡和峭坡地形，區(qū)域站相比國家站分布的臺站數(shù)多，但較為零散。雖然國家站在峭坡較區(qū)域站占比高，但均集中分布在川西高原的阿壩州。在垂直壁地形的區(qū)域考核站有2個在大涼山地區(qū)，1個在川西的橫斷山脈，而區(qū)域非考核站僅有1個在大涼山地區(qū)。綜上所述，在平原到斜坡集中了大部分國家站和區(qū)域站，且國家站分布較區(qū)域站均勻。

圖3 3類臺站（a、d. 國家站，b、e. 區(qū)域考核站，c、f. 區(qū)域非考核站）所在坡度空間分布（左）和臺站數(shù)隨坡度的核密度估計（右）

3.2.3 坡向

坡向?qū)Ω鞣N地面氣象要素均有一定的影響[22-23]。將3種站網(wǎng)類型的臺站所處位置按平面(無坡向)、陽坡(坡向向南，包括135°~225°)、陰坡(坡向向北，包括315°~45°)、西 坡(225°~315°)和 東 坡(45°~135°)分為5類，分析可知：國家站均具有坡向特征；區(qū)域考核站和非考核站分別有5個和4個臺站無坡向，說明這些觀測站點周邊海拔高度無變化，即是臺站坡度值為0，地勢非常平坦，主要分布在成都平原及周邊、涼山州安寧河谷平原。各站網(wǎng)類別坡向臺站數(shù)和所占比例(圖4)可以看出：國家站所處西坡的臺站比例最高，占臺站總數(shù)的29.5%，東坡占比次之（26.9%），陰坡和陽坡占比相對最低（均為21.8%）；區(qū)域考核站和非考核站在陰坡和東坡占比基本一致，在陽坡的區(qū)域考核站占比（24.4%）高于區(qū)域非考核站（22.5%），而在西坡的區(qū)域考核站占比（27.6%）低于區(qū)域非考核站（29.4%）。總體上，國家站和區(qū)域站在各個坡向分布比較均勻。

圖4 國家站、區(qū)域考核站和非考核站在不同坡向類型的臺站數(shù)及占比

3.2.4 地形粗糙度

四川國家站、區(qū)域考核站和非考核站平均地形粗糙度分別為1.026°、1.024°和1.031°，區(qū)域考核站低于國家站和區(qū)域非考核站，3種站網(wǎng)類別的臺站所處地形粗糙度分布如圖5a所示，均介于1.0°~1.05°，其中國家站占比最大（87.8%），區(qū)域考核站次之（86.8%），區(qū)域非考核站最?。?1.9%），表明無論是國家站還是區(qū)域站所處地形環(huán)境相對平緩。由圖5b~d可知，這些臺站集中在低海拔的四川盆地、亞高海拔及高海拔的川西高山草原。另外，區(qū)域考核站地形粗糙度跨度最大（0°~1.87°），區(qū)域非考核站次之（0°~1.75°），國家站跨度最?。?.0°~1.41°）；國家站相比區(qū)域站所處的地勢更為平坦，這與國家站站址的遴選對周邊的地形特征要求更為嚴(yán)格有關(guān)。國家站和區(qū)域站所處地形越粗糙，坡度值一般也較大，地形起伏明顯，地形十分復(fù)雜。

圖5 不同地形粗糙度對應(yīng)的3類臺站數(shù)（a）及空間分布（b. 國家站，c. 區(qū)域考核站，d. 區(qū)域非考核站）

4 結(jié)論與討論

本文利用DEM數(shù)據(jù)獲取四川地區(qū)3種不同站網(wǎng)類別的地面氣象觀測站點所在位置的海拔高度，與臺站實測海拔高度進(jìn)行精度對比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取觀測站點的坡度、坡向和地形粗糙度地形因子，按不同地形特征進(jìn)行分類分析，得到如下結(jié)論：

(1)DEM提取的國家站、區(qū)域考核站和非考核站海拔高度與臺站實測海拔高度相關(guān)系數(shù)均在0.988以上，且平均絕對誤差在50 m以下，說明該90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)能較為精確地反映四川地區(qū)的海拔高度特征，可為提取地面氣象臺站的地形因子提供保證。

(2)3種站網(wǎng)類別的臺站都主要分布在<1000 m的低海拔地區(qū)，國家站占比為65.4%，與區(qū)域非考核站（64.3%）較為接近，而區(qū)域考核站最高為77.8%，在海拔高度500 m左右最密集，且國家站較區(qū)域站分布均勻。在亞高海拔和高海拔地區(qū)，國家站較區(qū)域站不僅占比高，還更均勻。

(3)3種站網(wǎng)類別的臺站所處坡度主要分布在0°~15°，國家站占比為81.5%，區(qū)域考核站為81.7%，區(qū)域非考核站為76.7%，即臺站主要分布在平原到斜坡地形，其中緩斜坡地形臺站最集中。在峭坡地形國家站較區(qū)域站占比高，且分布集中。在垂直壁地形區(qū)域站較少，無國家站。

(4)國家站和區(qū)域站在陽坡、陰坡、東坡和西坡各坡向臺站分布比較一致。超過81%的臺站地形粗糙度在1.05°以內(nèi)，表明無論是國家站還是區(qū)域站所處地勢均相對平緩。不管是國家站還是區(qū)域站，臺站所在地形越粗糙，坡度值也越大，地形起伏明顯，地形較為復(fù)雜。

綜上所述，四川地面氣象臺站由于交通運輸、人口及經(jīng)濟等多重因素，川西高原觀測站相對四川盆地稀疏且不均勻，臺站所處地形較為復(fù)雜，也給資料的使用帶來巨大挑戰(zhàn)。本文雖對不同站網(wǎng)類別的臺站地形特征進(jìn)行了詳盡分析，可為觀測資料的應(yīng)用和站網(wǎng)布局的優(yōu)化提供參考信息，但還缺乏站點地形對觀測資料影響的定量化評價，后續(xù)將結(jié)合天氣和氣候進(jìn)行進(jìn)一步分析。