蔡學(xué)博

(康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 康平 110500)

降水量是維系自然生態(tài)環(huán)境友好發(fā)展的基礎(chǔ)要素之一，對(duì)于保持土地生產(chǎn)能力、促進(jìn)植被生長、平衡水資源供需具有重要意義，同時(shí)作為地球生態(tài)系統(tǒng)中特殊的能量流動(dòng)與轉(zhuǎn)換紐帶，降水量空間分布影響著景觀生態(tài)演變、經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步。受全球氣候變化、水循環(huán)過程干擾影響，全球乃至局部的降水量極具空間差異性。研究其分布格局，可深入理解氣候系統(tǒng)耗散過程與不同環(huán)境因素耦合關(guān)系，并為農(nóng)業(yè)氣候資源高效利用、生態(tài)過程建模提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)[1]。

1 研究區(qū)域

本研究中東北地區(qū)不僅包含黑龍江、吉林、遼寧省域，還指內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部局部地區(qū)，經(jīng)緯度跨度介于E115°33'35″-134°58'28，38°N43'15″-53°33'35″，面積達(dá)133.441萬km2，占全國陸地領(lǐng)土面積的13.89%。由于位于亞歐大陸東岸中高緯度，受副熱帶高壓帶與副極地低壓帶的季風(fēng)環(huán)流影響與海陸位置效應(yīng)，形成溫帶季風(fēng)、溫帶大陸性氣候，全年四季分明、雨熱同期、冬季漫長，積溫從南向北減少，依次分屬中溫帶、寒溫帶，年平均氣溫在-1.3℃-10.5℃之間，降水量為250-1000m，跨列濕潤區(qū)至干旱區(qū)。東北地區(qū)地形分異特征明顯，西側(cè)大興安嶺、與東側(cè)的長白山地呈平行狀南北縱列，北部的小興安嶺呈西北東西連亙，區(qū)域東短為三江平原，中南部為松嫩平原和遼河平原，高程介于0-2638m。東北地區(qū)地形圖如圖1所示。

圖1 東北地區(qū)地形圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

文章所用的降水量柵格資料來自中國科學(xué)數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)是由Wang等人2000-2012年753個(gè)地面氣象觀測(cè)站的降水量日值觀測(cè)資料，結(jié)合30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，采用氣象資料專業(yè)插值技術(shù)Anusplin處理得到的，其空間分辨率為1km，數(shù)據(jù)格式為柵格tif。該數(shù)據(jù)能夠反映21世紀(jì)以來東北地區(qū)平均降水量背景特征。

2.2 空間分區(qū)統(tǒng)計(jì)

降水柵格資料展示了空間面域降水量數(shù)值分布，為明確其區(qū)域性差異，以東北地市44個(gè)市州為統(tǒng)計(jì)尺度，利用空間分區(qū)的方法提取各地降水量均值。

2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是揭示空間分布變量分布模式的有效方法之一。其基本原理是自然狀態(tài)下區(qū)域化變量分布與空間位置有關(guān)，通常距離越近相關(guān)性越強(qiáng)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)基于變量的空間位置度量空間權(quán)重，進(jìn)而界定變量空間分布自相關(guān)性。其供述如下：

(1)

式中：γ為半方差值，其表征了區(qū)域化變量與空間距離h之間的關(guān)系，當(dāng)h為0時(shí)，若γ不為0，則此時(shí)γ為塊金值C0，N(h)為h距離上所有觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，Z(xi)和Z(xi+h)分別空間置xi和xi+h處的實(shí)測(cè)值，當(dāng)h增大至A時(shí)，若γ達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，則此時(shí)γ為基臺(tái)值C0+C，塊基比C0/(C0+C)反映了變量空間自相關(guān)性程度，其值介于0-1。

3 降水量分布

3.1 東北地區(qū)各市降水量分布

圖2為東北地區(qū)44 市(地、市、盟、州)多年平均降水量。不同地區(qū)降水量差異性較大，其中錫林浩特地區(qū)年均降水量最少，僅為248.2mm，丹東市降水量最豐富，達(dá)到1048.5mm。

統(tǒng)計(jì)顯示，年均降水量不足400mm的地市為通遼、錫林浩特、赤峰3地，有10地市的年降水量介于600-800mm，超過800mm降水量的為渾江、通化、恒仁、本溪、丹東5市。降水量作為區(qū)域水資源重要來源，降水量區(qū)域性差異加劇了水資源供應(yīng)不均衡。

圖2 東北地區(qū)各市多年平均降水量

3.2 東北地區(qū)降水量空間分布模型

利用ArcGIS的Geostatistics analyst工具對(duì)東北地區(qū)降水量柵格像素進(jìn)行空間擬合，并基于模型決定系數(shù)、殘差大小進(jìn)行模型優(yōu)選，得到其半方差結(jié)構(gòu)(圖3)?？芍?，其分布特征符合高斯模型，其塊金值為143.67，基太值145690，在61026m距離處半方差值達(dá)到穩(wěn)定性，擬合模型表達(dá)式為：143.67*Nugget+143670*Stable(61026,2)。據(jù)此計(jì)算其塊金結(jié)構(gòu)為0.10%，<25%，表明區(qū)域降水量具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性，即降水量空間分布具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性規(guī)律，并且該規(guī)律性具有極低的變率。朱蕾等在縣域研究表明其塊金結(jié)構(gòu)為0.2，屬于強(qiáng)烈空間自相關(guān)性，劉金濤等研究也得到類似結(jié)果，說明降水量空間分布并非隨機(jī)，而是多種因素形成的規(guī)律性結(jié)果。

圖3 東北地區(qū)降水量分布半方差結(jié)構(gòu)

3.3 東北地區(qū)降水量空間分布

將東北地區(qū)降水量柵格資料進(jìn)行空間可視化與制圖綜合處理，得到區(qū)域降水量空間分布位圖(圖4)。統(tǒng)計(jì)顯示區(qū)域降水量介于144-1304mm之間，空間相差1160mm，平均值為490.5mm，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)153.1mm，變異系數(shù)為31.21%，屬于中等變異性?？傮w來看東北地區(qū)降水量呈帶狀不均衡分布，在局部其分布特征存在差異。例如在西北和西部地區(qū)降水量豐度趨勢(shì)面呈向東凸起；在區(qū)域東部的三江平原地區(qū)其趨勢(shì)面則相反，呈西向凸起；而中東部平原向遼南濱海地區(qū)則趨勢(shì)面向北。這種分布格局主要與地形、水汽運(yùn)行過程密切相關(guān)。區(qū)域西部、西北部受大興安嶺山脈阻擋以及海陸位置影響，海洋水汽在運(yùn)移過程中逐漸損失，造成降水量地帶性減少。三江平原西緣由于處在迎風(fēng)坡，有利于形成地形雨。而遼河、松嫩平原地區(qū)的受敞口地形影響，海洋水汽自南部濱海進(jìn)入內(nèi)陸后產(chǎn)生運(yùn)移損失，降水量呈現(xiàn)自南向北減少。

圖4 東北地區(qū)降水量空間分布

圖5中趨勢(shì)擬合曲線直觀描述了東北地區(qū)降水量空間趨勢(shì)特征。可知在東西方向上(x)，降水量呈指數(shù)函數(shù)分布，東部降水量高于西部；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。

東北地區(qū)降水量空間趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 東北地區(qū)降水量空間趨勢(shì)

3.4 東北地區(qū)降水量空間分區(qū)

東北地區(qū)經(jīng)度跨度范圍達(dá)23°，維度跨度為15°，自然帶由濱海景觀延伸至內(nèi)陸沙漠帶，降水量豐都具有空間差異性?；谥袊乩碜匀环謪^(qū)，將多年平均降水量按照干旱區(qū)(0-200mm)、半干旱區(qū)(200-400mm)、半濕潤區(qū)(400-800mm)和濕潤區(qū)(>800mm)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)東北地區(qū)降水量進(jìn)行空間區(qū)劃，得到結(jié)果如圖6所示。利用ArcGIS的reclass進(jìn)行重分類后進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，表明不同降水量豐度的柵格像素?cái)?shù)量為167318、1336719、4001632、221449個(gè)，各區(qū)域分布面積依次為干旱區(qū)(2.92%)、半干旱區(qū)(23.345%)、半濕潤區(qū)(69.87%)和濕潤區(qū)(3.87%)。其中濕潤區(qū)集中于區(qū)域東南部的丹東、恒仁以及渾江、通化、本溪的部分地區(qū)；干旱區(qū)分布于區(qū)域最西端的錫林浩特沙漠地區(qū)。

圖6 東北地區(qū)降水量自然區(qū)劃

4 結(jié) 論

基于降水量開源數(shù)據(jù)和空間分析方法，揭示了東北地區(qū)降水量空間分布特征。東北地區(qū)經(jīng)緯度跨度范圍大，呈現(xiàn)溫帶季風(fēng)與溫帶大陸性氣候特征，加之地形影響，降水量呈現(xiàn)不均衡分布。從降水量豐度來看，全區(qū)分屬濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)，其中以半濕潤區(qū)占優(yōu)。從空間分布來看，降水量在經(jīng)度方向上呈現(xiàn)U型分布，也表現(xiàn)出由南向北減少特征，在緯度方向自西向東增加，局部地區(qū)降水量不具有全局規(guī)律。