湖北省復(fù)雜地形影響下降水精細(xì)化分布特征研究

孫朋杰，王必強(qiáng)，陳正洪，張 榮，簡仕略

（1.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430074；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院，武漢 430074）

降水的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)對(duì)于環(huán)境影響評(píng)估、區(qū)域氣候分析、水資源評(píng)價(jià)以及水文過程模擬、生態(tài)修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域具有十分重要的意義。但受地形、環(huán)流等多種因素的影響，降水具有強(qiáng)烈的時(shí)空差異性，受局地地形、下墊面影響明顯，山區(qū)降水體現(xiàn)的尤為突出。許多學(xué)者對(duì)降水的空間分布、分型進(jìn)行了大量研究，指出降水分布具有明顯的地區(qū)性差異［1-3］。傳統(tǒng)降水觀測(cè)主要依靠地面雨量計(jì)來進(jìn)行，雖然精度較高，但受站點(diǎn)分布等因素的影響，難以充分反映降水時(shí)空分布的差異［4］。

關(guān)于區(qū)域降水的估算和模擬，已有研究多從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。一是通過空間插值方法，該方法能反映空間數(shù)據(jù)的自相關(guān)特性，但由于受到觀測(cè)站點(diǎn)稀疏的影響，插值精度存在不確定性，因而難以反映地形地貌對(duì)降水空間分布的影響。二是通過衛(wèi)星遙感資料的定量反演［4，5］，該方法主要基于衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)區(qū)域降水量時(shí)空分布進(jìn)行估算，但由于受衛(wèi)星資料的數(shù)據(jù)空間分辨率影響，難以進(jìn)行復(fù)雜地形降水的時(shí)空精細(xì)分析。三是通過統(tǒng)計(jì)回歸的方法進(jìn)行分析［6，7］，通過建立降水與空間要素間的關(guān)系模型，建立降水與地理地形等影響因子間的關(guān)系，其在研究范圍較小、影響降水分布的因子明確且相互獨(dú)立時(shí)效果較好，但同樣由于降水實(shí)測(cè)站點(diǎn)稀疏的原因，可供驗(yàn)證其估算結(jié)果的雨量觀測(cè)站少，應(yīng)用不同估算和模擬方法得出山區(qū)降水分布規(guī)律的研究結(jié)果不同。

就湖北省而言，地處華中腹地，山地占56%，丘陵崗地占24%，平原湖區(qū)占20%。境內(nèi)三面環(huán)山，地勢(shì)為西、北、東三面高起，中部向南敞開，呈馬蹄形分布。由于其特殊的地理位置和復(fù)雜多樣的地形地貌，使得降水空間分布差異明顯。由于省內(nèi)國家氣象觀測(cè)站多設(shè)在低山和平原處，高海拔的山地處雨量數(shù)據(jù)缺失，因此，估算和模擬能反映湖北省實(shí)際降水的時(shí)空分布特征，特別是能反映山區(qū)降水特征就顯得尤為重要。近年來，湖北省氣象部門已在全省范圍內(nèi)建設(shè)無人值守的區(qū)域氣象自動(dòng)觀測(cè)站2 600多個(gè)，觀測(cè)包括溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水等多個(gè)要素，用于氣象預(yù)警、決策服務(wù)、預(yù)報(bào)驗(yàn)證等多個(gè)方面。由于區(qū)域氣象觀測(cè)站多建在野外，包括山地丘陵地區(qū)，可對(duì)小尺度降水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很好地彌補(bǔ)了常規(guī)氣象站點(diǎn)稀疏的不足。本研究嘗試?yán)萌? 000多個(gè)區(qū)域氣象站降水觀測(cè)資料，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)（DEM），分區(qū)域構(gòu)建降水與地理因子的模型，建立復(fù)雜地形影響下的湖北省降水精細(xì)化分布特征。

1 資料與方法

1.1 降水分區(qū)研究

考慮湖北省實(shí)際地形，地勢(shì)大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。為了進(jìn)一步分析山地降水垂直分布特征，根據(jù)空間分布連續(xù)性原則，在保證區(qū)域氣候特征相對(duì)相似性的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)域劃分為8 個(gè)不同區(qū)域，分區(qū)建立降水模型。區(qū)域具體劃分如圖1 所示，Ⅰ區(qū)為鄂東北大別山區(qū)，主要包括鄂東北黃岡區(qū)域；Ⅱ區(qū)為鄂東南幕阜山區(qū)，主要包括鄂東南咸寧、黃石區(qū)域；Ⅲ區(qū)為鄂北桐柏山區(qū)，主要包括隨州、孝感、荊門、襄陽部分區(qū)域；Ⅳ區(qū)為江漢平原區(qū)域，主要包括武漢、荊州、天門、仙桃、潛江等區(qū)域；Ⅴ區(qū)為鄂西北秦巴山區(qū)，主要包括十堰、襄陽區(qū)域；Ⅵ區(qū)為神農(nóng)架林區(qū)；Ⅶ區(qū)為三峽河谷地區(qū)，包含神農(nóng)架南坡及宜昌地區(qū)；Ⅷ區(qū)為鄂西南山區(qū)，主要包括恩施、宜昌的五峰區(qū)域。

圖1 湖北省降水研究區(qū)域劃分情況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的降水資料來自于湖北省82 個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站及分布在全省的2 005 個(gè)區(qū)域氣象站（部分站點(diǎn)由于觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失等原因沒有采用）降水觀測(cè)資料，如圖2 所示。所取觀測(cè)時(shí)段為區(qū)域氣象站觀測(cè)質(zhì)量較好的2016—2018 年3 個(gè)完整年每日20：00—20：00 的降水觀測(cè)資料。

圖2 研究所采用的氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布情況

1.3 方法

本研究總體思路是利用氣象觀測(cè)站點(diǎn)的降水觀測(cè)資料，結(jié)合ArcGis 軟件，提取站點(diǎn)所在的數(shù)字高程資料（DEM）的經(jīng)度、緯度、高度、坡度、坡向［8-10］等屬性信息，分區(qū)域建立基于地形影響的精細(xì)化降水方程，最終繪制分辨率為1 km 的湖北省降水分布（圖3）。

圖3 技術(shù)流程

1.3.1 數(shù)值質(zhì)量控制 由于本研究所用區(qū)域氣象站點(diǎn)眾多且分布不均，部分站點(diǎn)會(huì)因缺乏維護(hù)造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，因此需對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。采用氣候?qū)W界限值檢查、臺(tái)站或區(qū)域極值檢查、要素間內(nèi)部一致性檢查、時(shí)間一致性檢查以及空間一致性檢查等方法［11］，對(duì)區(qū)域站資料進(jìn)行檢查，最終采用了2 005 個(gè)區(qū)域站點(diǎn)資料進(jìn)行研究。

1.3.2 Arcgis 空間數(shù)據(jù)分析 包括空間數(shù)據(jù)的采集與組織、空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理、柵格數(shù)據(jù)的空間分析、地形因子提取、空間數(shù)據(jù)插值等。

1.3.3 反距離權(quán)重插值 反距離權(quán)重插值（Inverse distance to a power）［12］是一種圓滑的加權(quán)平均插值法，它的權(quán)系數(shù)是隨著離確定網(wǎng)格點(diǎn)距離的增加而下降，這個(gè)過程是運(yùn)用方次參數(shù)進(jìn)行控制。距確定數(shù)據(jù)點(diǎn)距離較近的點(diǎn)有一個(gè)較高的權(quán)重份額，屬于較大的方次，距確定數(shù)據(jù)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)權(quán)重份額分配比較均勻，屬于較小的方次。當(dāng)進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)，柵格數(shù)據(jù)內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的值都需要計(jì)算，根據(jù)從該網(wǎng)格點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)之間的距離賦予該數(shù)據(jù)點(diǎn)權(quán)值和方次，其與距離大小呈反比。表達(dá)方程式如下所示。

式中，Z0是點(diǎn) 0 的估計(jì)值；Zi是已知點(diǎn)i的z；di是已知點(diǎn)i與點(diǎn)0 之間的距離；k是距離的冪，顯著影響內(nèi)插的結(jié)果；s為在估算中用到的已知點(diǎn)的數(shù)目。

1.3.4 多元線性回歸 方法較為簡單，具體參見統(tǒng)計(jì)類書籍。

1.3.5 誤差檢驗(yàn)方法 評(píng)估建立的降水模型效果，采用下列指標(biāo)作為效果指標(biāo)。

1）平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）。

式中，xij表示某個(gè)點(diǎn)的模型模擬值；xi表示該點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。

2）相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)。對(duì)所建降水模型的模擬值與站點(diǎn)實(shí)測(cè)值，需計(jì)算兩者相關(guān)系數(shù)。

式中，xki表示某個(gè)點(diǎn)的模型模擬值表示建立模型模擬值樣本的平均值；xli表示該點(diǎn)的實(shí)測(cè)值表示實(shí)測(cè)樣本的平均值。

2 降水模型建立與特征分析

2.1 降水模型建立

將湖北省研究區(qū)域劃分為8 個(gè)不同地區(qū)，分區(qū)建立降水模型。以Ⅰ區(qū)為例，Ⅰ區(qū)共用到203 個(gè)區(qū)域自動(dòng)站2016—2018 年降水日值觀測(cè)資料，通過Arcgis 提取203 個(gè)站點(diǎn)的地理信息，本研究提取經(jīng)度、緯度、高度、坡度、坡向5 個(gè)因子。嘗試?yán)肧PSS軟件，采用多元線性回歸等方法，將多個(gè)變量因子進(jìn)行篩選，建立3 年平均降水與地形因子間的模型。

Ⅰ區(qū)降水模型如下：

r=221.4x-8.1y+0.2h+0.9p+0.01a-23 927.9

式中，r為年降水量（mm）；x為經(jīng)度（°）；y為緯度（°）；h為高度（m）；p為坡度（°）；a為坡向。

從建立的模型來看，降水與高度、坡度、坡向呈正相關(guān)關(guān)系，地形高度每增加100 m，降水量增加20 mm/年。將建立的降水模型帶入地形資料，得到Ⅰ區(qū)降水的空間分布（圖4）。

圖4 模擬的Ⅰ區(qū)降水空間分布

運(yùn)用相同方法，分別建立各區(qū)降水模型，如表1所示。

將建立的各區(qū)降水模型帶入地形資料，得到各區(qū)降水的空間分布，再利用ArcGis 合并功能，將各區(qū)降水進(jìn)行合并處理，最終得到考慮復(fù)雜地形影響的分辨率為1 km 的湖北省降水空間分布（圖5）。

表1 各區(qū)域建立的降水模型

圖5 湖北省模擬年平均降水分布

2.2 降水模型精度檢驗(yàn)

為驗(yàn)證各區(qū)所建降水模型的準(zhǔn)確性，將8 個(gè)區(qū)域各氣象站點(diǎn)實(shí)際降水與模型模擬值進(jìn)行對(duì)比。將各區(qū)域氣象站點(diǎn)地理信息帶入建立的降水模型，得到各站點(diǎn)降水模擬值，計(jì)算模擬值與實(shí)際值的平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）及進(jìn)行相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)。從檢驗(yàn)結(jié)果（表2）來看，各區(qū)域站點(diǎn)降水實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)均通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)在0.360～0.692，除Ⅴ區(qū)外，其他區(qū)域相關(guān)系數(shù)均在0.5 以上。誤差方面，MAPE在7.95%～12.67%。Ⅴ區(qū)的降水實(shí)測(cè)與模擬的相關(guān)系數(shù)最低，平均絕對(duì)百分比誤差也為最大，可能是由于該區(qū)域位于湖北省西北部，南部受高大的神農(nóng)架阻擋，降水條件不僅受地形、地貌等地理要素影響，同時(shí)受到整體下墊面作用和局地小氣候等多因素的制約，相互作用和影響較為復(fù)雜，故計(jì)算的誤差較大。整體統(tǒng)計(jì)，模擬的全省降水準(zhǔn)確率為89.5%。

同時(shí)，將全省2 005 個(gè)區(qū)域站近3 年平均降水量進(jìn)行插值，與模擬的降水分布進(jìn)行對(duì)比。由圖6 可以看到，模擬值與實(shí)際降水分布趨勢(shì)一致，說明建立的降水模型能較好地反映實(shí)際降水情況。

表2 各區(qū)域所建模型的準(zhǔn)確率分析

圖6 湖北省實(shí)際年平均降水分布（2016—2018 年）

2.3 降水空間特征分析

從模擬的年平均降水分布圖5 可以看出，全省大部分地區(qū)年降水量介于600～2 100 mm，總分布趨勢(shì)是北少南多。同緯度相比，平原少，山區(qū)多。山區(qū)相比，則背風(fēng)面少，迎風(fēng)面多。其分布趨勢(shì)由北向南呈遞增趨勢(shì)，鄂西南、鄂東南、鄂東北3 個(gè)區(qū)域?yàn)榻邓孔疃鄥^(qū)域，這與之前普遍認(rèn)為的湖北省降水最多的鄂西南、鄂東南2 個(gè)區(qū)域（圖5）有明顯差別。

就降水分區(qū)而言，從圖7 可以看到，在鄂東北大別山地區(qū)（I 區(qū)），降水呈從西向東逐漸增多的趨勢(shì)。東北部的大別山區(qū)，降水量最大，年降水量達(dá)1 700 mm 左右。空間降水分布很好地反映了山地降水垂直變化特征，即在達(dá)到最大降水高度之前，降水隨海拔增加而增大。這與僅利用全省82 個(gè)國家氣象站降水資料建立的降水分布差別較大，后者反映在鄂東北地區(qū)降水較為均勻，為1 300 mm 左右（圖8，源自《湖北省公共氣象服務(wù)手冊(cè)》（2015 版）［13］），未體現(xiàn)地形對(duì)降水的影響。

圖7 湖北省中東部區(qū)域降水特征分布

圖8 利用湖北省82 個(gè)國家氣象站降水資料建立的平均降水量分布

在鄂東南的幕阜山區(qū)（Ⅱ區(qū)），降水呈從北向南逐漸增多的趨勢(shì)，降水量最大值出現(xiàn)在南部高大的幕阜山區(qū)，以通山、通城、崇陽三縣南部靠近幕阜山脈的部分降水量最多，年降水量為1 800 mm 左右，較僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數(shù)值偏多200～300 mm/年，也是湖北省降水量最多的地區(qū)之一，是有名的“暴雨窩子”。從東南部太平洋攜帶的暖濕氣流遇到幕阜山脈的阻擋，水汽在地形抬升過程中形成降雨，造成該區(qū)域降水量豐富。在Ⅲ區(qū)，降水隨地形呈帶狀分布，降水量大值區(qū)分布在北部的桐柏山、中部的大洪山及西部與鄂西山地交界的山地處，年降水量高值區(qū)在1 600 mm 左右。在江漢平原（Ⅳ區(qū)），降水呈現(xiàn)東多西少的特征，高值區(qū)在武漢、鄂州等地，年降水量在1 700 mm 左右。

從圖9 可以看到，鄂西北區(qū)域（Ⅴ區(qū)）降水普遍偏少，年降水量在690～1 300 mm，降水高值區(qū)域位于遠(yuǎn)安、南漳等地，大部區(qū)域年降水量在800 mm 左右。在神農(nóng)架林區(qū)（Ⅵ區(qū)），由于西南部高大的大巴山脈阻擋，從西南部印度洋輸送的水汽爬升，在該區(qū)域的南部降水較多，年降水量在1 500 mm 左右。水汽翻過大巴山后，降水量在東北部區(qū)域隨著海拔的降低而減少。

三峽河谷地區(qū)（Ⅶ區(qū)），降水量在河谷兩側(cè)逐漸增加，且河谷南側(cè)（巴東、秭歸、宜都）的降水量大于北側(cè)（興山、夷陵、當(dāng)陽）。鄂西南（Ⅷ區(qū)）以鶴峰區(qū)域降水量最大，年降水量達(dá)2 000 mm（較僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數(shù)值偏多300～400 mm/年），這也是全省降水量最多的區(qū)域。從地形方面分析，鶴峰縣境內(nèi)地形西北高、東南低，多山間小盆地，平均海拔1 147 m，是湖北省高山縣之一，東南方向輸送來的水汽，沿武陵山脈一路抬升，使得該地降水充沛。

此外，部分山地丘陵地區(qū)受地形影響，降水明顯多于周邊區(qū)域，說明山區(qū)降水在達(dá)到最大降水高度之前，降水量隨海拔升高而增加。

圖9 湖北省西部山區(qū)降水特征分布

3 小結(jié)與討論

本研究利用湖北省2 005 個(gè)區(qū)域自動(dòng)站和82 個(gè)國家氣象站近3 年降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合DEM 經(jīng)度、緯度、高度、坡度、坡向5 類地形因子，分8 個(gè)區(qū)域分別建立了降水模型，并進(jìn)行了檢驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

1）模擬的湖北省年降水分布特征與實(shí)際降水分布較為一致，建立的模型模擬降水準(zhǔn)確率為89.5%，所建模型能較好地反映實(shí)際降水情況。

2）全省大部分地區(qū)年降水量總分布趨勢(shì)是北少南多。同緯度相比，平原少，山區(qū)多。山區(qū)相比，背風(fēng)面少，迎風(fēng)面多。鄂西南、鄂東南、鄂東北3 個(gè)區(qū)域?yàn)榻邓孔疃鄥^(qū)域，這與之前普遍認(rèn)為的湖北省降水量最多的鄂西南、鄂東南2 個(gè)區(qū)域有明顯差別。

3）考慮山地、經(jīng)緯度等影響要素后，模擬的年降水量在山區(qū)數(shù)值明顯較之前僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數(shù)值偏多，其中，在鄂東南區(qū)域數(shù)值偏多200～300 mm，在鄂西南區(qū)域偏多300～400 mm，在鄂東北區(qū)域偏多300 mm 左右。

4）所建立的湖北省降水分布模型能反映出高海拔地區(qū)降水量明顯高于周邊低海拔區(qū)域的特征。