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探讨东北地区降水量空间分布模式

2020-06-02 543 上传者：管理员

摘要：以分辨率为1km降水量开源数为基础,运用GIS和地统计学空间分析方法,解析了东北地区降水量空间分布模式。结果表明,东北44地市的多年平均降水量介于248.2mm(锡林浩特)-1048.5mm(丹东)之间,区域内部降水量空间差异大。降水栅格像素值介于144-1304mm之间,空间均值为490.5mm,变异系数为31.21%。该地降水量空间分布符合高斯模型,其块金结构为0.10%,属于强烈空间自相关,在东西方向上呈指数函数自西向东增加,在南北方向呈U型分布。全区降水量丰度分属4种自然带,分布面积依次为干旱区(2.92%)<湿润区(3.87%)<半干旱区(23.345%)<半湿润区(69.87%)。

关键词：
东北地区
大气现象
栅格数据
空间分布
降水量
降水量丰度
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降水量是维系自然生态环境友好发展的基础要素之一,对于保持土地生产能力、促进植被生长、平衡水资源供需具有重要意义,同时作为地球生态系统中特殊的能量流动与转换纽带,降水量空间分布影响着景观生态演变、经济社会进步。受全球气候变化、水循环过程干扰影响,全球乃至局部的降水量极具空间差异性。研究其分布格局,可深入理解气候系统耗散过程与不同环境因素耦合关系,并为农业气候资源高效利用、生态过程建模提供数据参考依据[1]。

1、研究区域

本研究中东北地区不仅包含黑龙江、吉林、辽宁省域,还指内蒙古自治区中东部局部地区,经纬度跨度介于E115°33'35″-134°58'28,38°N43'15″-53°33'35″,面积达133.441万km2,占全国陆地领土面积的13.89%。由于位于亚欧大陆东岸中高纬度,受副热带高压带与副极地低压带的季风环流影响与海陆位置效应,形成温带季风、温带大陆性气候,全年四季分明、雨热同期、冬季漫长,积温从南向北减少,依次分属中温带、寒温带,年平均气温在-1.3℃-10.5℃之间,降水量为250-1000m,跨列湿润区至干旱区。东北地区地形分异特征明显,西侧大兴安岭、与东侧的长白山地呈平行状南北纵列,北部的小兴安岭呈西北东西连亘,区域东短为三江平原,中南部为松嫩平原和辽河平原,高程介于0-2638m。东北地区地形图如图1所示。

图1东北地区地形图

2、数据与方法

2.1数据资料

文章所用的降水量栅格资料来自中国科学数据中心。该数据是由Wang等人2000-2012年753个地面气象观测站的降水量日值观测资料,结合30m分辨率的DEM数据,采用气象资料专业插值技术Anusplin处理得到的,其空间分辨率为1km,数据格式为栅格tif。该数据能够反映21世纪以来东北地区平均降水量背景特征。

2.2空间分区统计

降水栅格资料展示了空间面域降水量数值分布,为明确其区域性差异,以东北地市44个市州为统计尺度,利用空间分区的方法提取各地降水量均值。

2.3地统计学分析

地统计学是揭示空间分布变量分布模式的有效方法之一。其基本原理是自然状态下区域化变量分布与空间位置有关,通常距离越近相关性越强。地统计学基于变量的空间位置度量空间权重,进而界定变量空间分布自相关性。其供述如下:

γ(h)=12N(h)Σi=1N(h)[Z(xi)−Z(xi+h)]2(1)

式中:γ为半方差值,其表征了区域化变量与空间距离h之间的关系,当h为0时,若γ不为0,则此时γ为块金值C0,N(h)为h距离上所有观测点数,Z(xi)和Z(xi+h)分别空间置xi和xi+h处的实测值,当h增大至A时,若γ达到平稳状态,则此时γ为基台值C0+C,块基比C0/(C0+C)反映了变量空间自相关性程度,其值介于0-1。

3、降水量分布

3.1东北地区各市降水量分布

图2为东北地区44市(地、市、盟、州)多年平均降水量。不同地区降水量差异性较大,其中锡林浩特地区年均降水量最少,仅为248.2mm,丹东市降水量最丰富,达到1048.5mm。

统计显示,年均降水量不足400mm的地市为通辽、锡林浩特、赤峰3地,有10地市的年降水量介于600-800mm,超过800mm降水量的为浑江、通化、恒仁、本溪、丹东5市。降水量作为区域水资源重要来源,降水量区域性差异加剧了水资源供应不均衡。

图2东北地区各市多年平均降水量

3.2东北地区降水量空间分布模型

利用ArcGIS的Geostatisticsanalyst工具对东北地区降水量栅格像素进行空间拟合,并基于模型决定系数、残差大小进行模型优选,得到其半方差结构(图3)。可知,其分布特征符合高斯模型,其块金值为143.67,基太值145690,在61026m距离处半方差值达到稳定性,拟合模型表达式为:143.67*Nugget+143670*Stable(61026,2)。据此计算其块金结构为0.10%,<25%,表明区域降水量具有强烈空间自相关性,即降水量空间分布具有稳定的结构性规律,并且该规律性具有极低的变率。朱蕾等在县域研究表明其块金结构为0.2,属于强烈空间自相关性,刘金涛等研究也得到类似结果,说明降水量空间分布并非随机,而是多种因素形成的规律性结果。

图3东北地区降水量分布半方差结构

3.3东北地区降水量空间分布

将东北地区降水量栅格资料进行空间可视化与制图综合处理,得到区域降水量空间分布位图(图4)。统计显示区域降水量介于144-1304mm之间,空间相差1160mm,平均值为490.5mm,标准差达153.1mm,变异系数为31.21%,属于中等变异性。总体来看东北地区降水量呈带状不均衡分布,在局部其分布特征存在差异。例如在西北和西部地区降水量丰度趋势面呈向东凸起;在区域东部的三江平原地区其趋势面则相反,呈西向凸起;而中东部平原向辽南滨海地区则趋势面向北。这种分布格局主要与地形、水汽运行过程密切相关。区域西部、西北部受大兴安岭山脉阻挡以及海陆位置影响,海洋水汽在运移过程中逐渐损失,造成降水量地带性减少。三江平原西缘由于处在迎风坡,有利于形成地形雨。而辽河、松嫩平原地区的受敞口地形影响,海洋水汽自南部滨海进入内陆后产生运移损失,降水量呈现自南向北减少。

图4东北地区降水量空间分布

图5中趋势拟合曲线直观描述了东北地区降水量空间趋势特征。可知在东西方向上(x),降水量呈指数函数分布,东部降水量高于西部;在南北方向上(y)呈U型分布,北部和南部降水量高于中部,其中南部也高于北部。

东北地区降水量空间趋势如图5所示。

图5东北地区降水量空间趋势

3.4东北地区降水量空间分区

东北地区经度跨度范围达23°,维度跨度为15°,自然带由滨海景观延伸至内陆沙漠带,降水量丰都具有空间差异性。基于中国地理自然分区,将多年平均降水量按照干旱区(0-200mm)、半干旱区(200-400mm)、半湿润区(400-800mm)和湿润区(>800mm)的分级标准对东北地区降水量进行空间区划,得到结果如图6所示。利用ArcGIS的reclass进行重分类后进行面积统计,表明不同降水量丰度的栅格像素数量为167318、1336719、4001632、221449个,各区域分布面积依次为干旱区(2.92%)、半干旱区(23.345%)、半湿润区(69.87%)和湿润区(3.87%)。其中湿润区集中于区域东南部的丹东、恒仁以及浑江、通化、本溪的部分地区;干旱区分布于区域最西端的锡林浩特沙漠地区。

图6东北地区降水量自然区划

4、结论

基于降水量开源数据和空间分析方法,揭示了东北地区降水量空间分布特征。东北地区经纬度跨度范围大,呈现温带季风与温带大陆性气候特征,加之地形影响,降水量呈现不均衡分布。从降水量丰度来看,全区分属湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区,其中以半湿润区占优。从空间分布来看,降水量在经度方向上呈现U型分布,也表现出由南向北减少特征,在纬度方向自西向东增加,局部地区降水量不具有全局规律。

参考文献：

[1]张皓,刘宇鹏,赵有德,等.清镇市2015年气象数据分析[J].浙江农业科学,2017,58(02):323-325.

蔡学博.东北地区降水量空间分布研究[J].黑龙江水利科技,2020,48(04):52-54.