基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的鄱陽湖流域降雨空間差異分析

原立峰，楊桂山，李恒鵬，張?jiān)鲂?/p>

（1.南京郵電大學(xué) 地理與生物信息學(xué)院，南京210003；2.中科院 南京地理與湖泊研究所，南京210008；3.教育部 虛擬地理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210046；4.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210037）

降雨作為多數(shù)地理模型，尤其是分布式水文模型中的主要輸入項(xiàng)，其空間分布不均勻性對(duì)流域產(chǎn)匯流的形成起著決定性作用，降雨的空間分布規(guī)律是影響徑流和泥沙模擬的主要因素［1－2］。如何識(shí)別在全球氣候變化和人類活動(dòng)雙重背景下的水文特征要素變化，找出規(guī)律，已成為水文水資源研究中的熱點(diǎn)問題之一。由于降雨是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響，具有很強(qiáng)的不確定性，所以降雨的時(shí)空分布研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注［3－5］。目前，對(duì)降雨空間分布特征的研究主要集中在空間插值方法應(yīng)用［6－8］、新理論和新方法應(yīng)用［9－10］、地形要素對(duì)降雨空間分布的影響［11］等方面。鄱陽湖作為我國最大、也是水質(zhì)最好的淡水湖，在中國素有“大陸之腎”的美譽(yù)，被列為世界濕地和生物多樣性保護(hù)熱點(diǎn)地區(qū)，環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。然而，對(duì)于該流域降雨空間分布的相關(guān)研究成果尚不多見。本文以搜集到的鄱陽湖流域1960—2008年間16個(gè)氣象站點(diǎn)逐月降雨實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)，對(duì)流域多年平均降雨、代際降雨以及季節(jié)性降雨的空間分布特征進(jìn)行分析，揭示流域降雨空間變異及規(guī)律，從而為該區(qū)域水文水資源研究和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供部分理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于江西省北部，長(zhǎng)江中下游交接處南岸，地理范圍為北緯28°22′—29°45′，東經(jīng)115°22′—116°45′。鄱陽湖是一個(gè)季節(jié)性、吞吐性湖泊，它承接贛江、撫河、信江、饒河、修水及其它直接入湖的中小河流來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口向北注入長(zhǎng)江［12］。鄱陽湖流域東、西、南群山環(huán)抱，地勢(shì)較高，與北部低海拔的鄱陽湖區(qū)形成一個(gè)完整的流域。流域內(nèi)山地占36%，丘陵占42%，崗地和平原占12%，水面占10%。流域?qū)儆跂|南季風(fēng)區(qū)的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，降水豐沛，雨熱同季，四季分明。年平均降水量為1 400～1 800 mm，50%左右的降水集中在4—6月，蒸發(fā)量為700～800 mm。流域內(nèi)降雨徑流時(shí)空分布不均，年內(nèi)、年際變化明顯，具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性，且洪旱災(zāi)害頻繁［13］。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與研究方法

鄱陽湖流域降雨月值資料來自“中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”（http：∥cdc.c ma.gov.cn／）。搜集鄱陽湖流域內(nèi)修水、宜春、吉安、寧岡、遂川、贛州、廬山、波陽、景德鎮(zhèn)、南昌、樟樹、貴溪、玉山、南城、廣昌和尋烏共16個(gè)國家級(jí)氣象站1960—2008年逐月降雨資料，按月求和統(tǒng)計(jì)出年降雨數(shù)據(jù)，采用算數(shù)平均法對(duì)個(gè)別站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，并利用貝葉斯法對(duì)這16個(gè)站點(diǎn)的降雨資料進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，全部通過95%置信度檢驗(yàn)。研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布見圖1。

由于地統(tǒng)計(jì)分析需要空間數(shù)據(jù)具有正態(tài)分布特征，所以在進(jìn)行降雨空間插值之前，采用QQPl ot分布圖對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)流域16個(gè)站點(diǎn)多年平均降雨量數(shù)據(jù)的QQ圖檢測(cè)結(jié)果基本呈一條直線，說明原始數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，無需對(duì)其進(jìn)行變換，可直接用于空間插值。

圖1 鄱陽湖流域氣象站點(diǎn)分布示意圖

本研究采用反距離權(quán)插法（Inverse Distance Weighted，IDW）對(duì)16個(gè)氣象站點(diǎn)多年平均降雨及其代際變化進(jìn)行空間插值，分析流域內(nèi)降雨的空間分布特征；對(duì)1960—2008年流域內(nèi)16個(gè)站點(diǎn)春、夏、秋、冬各季節(jié)降雨的平均值、方差和變異系數(shù)等數(shù)量特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用非參數(shù)檢驗(yàn)Kol mogor ov－Smi mov（K-S）方法檢驗(yàn)季節(jié)性降雨數(shù)據(jù)分布特征，分析流域降雨隨季節(jié)變化的空間差異；用GS＋軟件進(jìn)行變異函數(shù)分析，得到參數(shù)值，選擇最優(yōu)模型；并利用Arc GIS的地統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展模塊進(jìn)行降雨空間Kriging插值分析［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域多年平均降雨量空間分布特征

為了能直觀地顯示鄱陽湖流域降雨量的空間分布特征，利用Arc GIS軟件的Geostatistical Analyst地統(tǒng)計(jì)空間分析模塊中的IDW插值方法對(duì)流域內(nèi)16個(gè)氣象站點(diǎn)的多年平均降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到流域平均降雨量空間分布（圖2）。

圖2 多年平均降雨等值線

從圖2中可以看出，年均降雨量等值線圖中出現(xiàn)了兩個(gè)比較明顯的極值中心：第一個(gè)是以貴溪為代表的1 848 mm高值中心，位于流域東北方向；第二個(gè)是以贛州為代表的1 439 mm低值中心，位于流域西南方向。南昌站位于流域西北方向，多年平均降雨為1 560 mm，處于兩極值之間?？梢娵蛾柡饔蚪涤炅康目臻g分布整體呈現(xiàn)為由西南向東北，以及由西北向東北梯次遞增的趨勢(shì)。

2.2 流域代際降雨量時(shí)空差異特征

為分析流域1960—2008年間不同年代降雨量的時(shí)空分異，采用Arc GIS地統(tǒng)計(jì)空間分析模塊中的IDW插值方法，對(duì)16個(gè)站點(diǎn)不同年代的降雨分布進(jìn)行了空間插值，對(duì)插值結(jié)果按照“Geo metric Interval法”分為10等，插值結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，1960s流域降雨量空間分布為由西南向東北依次遞增，最大降雨量出現(xiàn)在贛東玉山、貴溪一帶，可達(dá)2 432.49～3 943.95 mm；最小降雨量出現(xiàn)在贛南的贛州、遂川地區(qū)，僅1 361.58～1 378.35 mm。1970s的降雨量空間分布依舊是由西南向東北依次遞增，但降雨高值中心由贛東玉山一帶移至贛北廬山附近，最大值達(dá)到1 943.29～2 060.35 mm，降雨低值中心依舊為贛南贛州、吉安一帶，最小值為1 430.52～1 478.14 mm。1980s的降雨量空間分布特征和20世紀(jì)70年代并無太大差別，降雨高值中心依舊在廬山一帶，最大值達(dá)到1 896.14～1 950.66 mm，降雨低值中心也依舊是贛南遂川附近，最小值為1 378.7～1 445.28 mm。進(jìn)入1990s，流域降雨量較20世紀(jì)70、80年代明顯增多，整個(gè)贛北廬山、景德鎮(zhèn)、玉山、貴溪一帶的年均降雨量都接近2 000 mm或在2 000 mm以上，降雨高值中心廬山站的年降雨量達(dá)到2 139.65～2 275.92 mm，降雨低值中心贛南遂川、贛州一帶的降雨量也達(dá)到了1 496.88～1 588.14 mm。降雨空間分布呈現(xiàn)為由西南向東北的條帶式分割特征。從流域降雨的空間分布上可以看出，進(jìn)入21世紀(jì)以后，流域降雨量較20世紀(jì)90年代明顯減少，流域西部修水、宜春和南部的贛州一帶的降雨量較少，僅有1 413.12～1 446.07 mm，而流域北部降雨高值中心廬山一帶的降雨量達(dá)到1 839.55～1 927.29 mm，贛東部的玉山、貴溪和廣昌一帶降雨量也比較多，達(dá)到1 700 mm以上。

2.3 流域季節(jié)性降雨量時(shí)空分異特征

區(qū)域化變量既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，其隨機(jī)性特征可用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行描述，降雨在空間上呈隨機(jī)分布，其變異系數(shù)（Cv）的大小反映了隨機(jī)變量的離散程度，即可以表征降雨空間變異性的大小。變異系數(shù)Cv≤0.1時(shí)，呈弱變異性，0.1＜Cv≤1為中等變異性，Cv≥1呈強(qiáng)變異性［15］。統(tǒng)計(jì)分析表明，鄱陽湖流域16個(gè)氣象站點(diǎn)各季節(jié)多年平均降雨量屬弱或中等變異（表1）。

圖3 不同年代降雨量空間插值

表1 鄱陽湖流域16個(gè)氣象站四季平均降雨量描述性統(tǒng)計(jì)

變異函數(shù)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行空間變異分析的前提是變量或變量的轉(zhuǎn)化值必須符合正態(tài)分布，以消除比例效應(yīng)。樣點(diǎn)原始數(shù)據(jù)經(jīng)K-S法檢驗(yàn)后的參數(shù)值測(cè)定認(rèn)為，流域降雨量顯示出一定的偏斜效應(yīng)（表1）。顯著水平值（K-S值）0.05，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，能直接在變異函數(shù)分析系統(tǒng)中使用。

經(jīng)GS＋7.0軟件分析得到鄱陽湖流域降雨空間變異函數(shù)模型有關(guān)參數(shù)值（表2），其中塊金效應(yīng)值（C0）表示小于取樣尺度和分析誤差等引起的隨機(jī)方差，C值表示由結(jié)構(gòu)因素引起的結(jié)構(gòu)方差，基臺(tái)值（C0＋C）表示數(shù)據(jù)序列的最大方差，反映系統(tǒng)內(nèi)的總變異。結(jié)構(gòu)效應(yīng)值C／（C0＋C）表示結(jié)構(gòu)方差占總方差的比例，即數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，反映出降雨的空間依賴性。通常，C／（C0＋C）＞75%時(shí)說明空間相關(guān)性極強(qiáng)，其空間異質(zhì)性主要是由空間結(jié)構(gòu)性因素引起的；在25%～75%時(shí)具有中等空間相關(guān)性；當(dāng)＜25%時(shí)空間相關(guān)性較弱［16］。變程表征了區(qū)域變量的空間自相關(guān)范圍，即流域各站點(diǎn)降雨的空間自相關(guān)距離。樣本間距小于變程的樣點(diǎn)具有空間自相關(guān)性，大于變程的樣點(diǎn)則不相關(guān)。

表2 鄱陽湖流域降雨函數(shù)變異模型及其參數(shù)

由表2可以看出，春、夏、秋、冬四季的C／（C0＋C）值均大于75%，說明流域季節(jié)性降雨的空間相關(guān)性強(qiáng)。以秋季降雨指數(shù)模型為例，C／（C0＋C）值為82.7%，大于75%，表明降雨具有高度的空間自相關(guān)性，是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響的結(jié)果，其中，隨機(jī)因素的影響占17.3%，結(jié)構(gòu)性因素的影響占82.7%。

選擇線性、球狀、指數(shù)和高斯4種模型模擬研究區(qū)域季節(jié)性降雨空間變異規(guī)律，鑒于最優(yōu)模型的選擇取決于變異函數(shù)理論模型的4個(gè)擬合參數(shù)，首先考慮決定系數(shù)R2，其次是殘差RSS，然后是變程和塊金值的大小。依據(jù)該原則，認(rèn)為高斯模型對(duì)于四季降雨空間分布的擬合程度好，其中冬季的擬合系數(shù)最低，為0.616，故在該流域應(yīng)選用高斯模型進(jìn)行降雨季節(jié)空間插值。基于高斯模型的流域各季節(jié)降雨模擬結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出，研究區(qū)域1960—2008年間各季節(jié)降雨中，春季降雨以貴溪、玉山和廣昌一帶最大，范圍為692～724 mm，遂川一帶最小，范圍為503～545 mm；夏季降雨以廬山一帶最大，范圍為733～803 mm，遂川、贛州和吉安一帶最小，范圍為457～491 mm；秋季降雨以廬山、玉山一帶最大，范圍為287～342 mm；南城、廣昌一帶最小，范圍為188～200 mm；冬季降雨以玉山一帶最大，范圍為251～262 mm，遂川、贛州、尋烏一帶最小，范圍為184～195 mm。

圖4 流域1960－2008年間各個(gè)季節(jié)降雨量空間分布

3 結(jié)論

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GIS技術(shù)，能夠很好地反映鄱陽湖流域1960—2008年間降雨量的時(shí)空分異規(guī)律。研究表明：（1）鄱陽湖流域年均降雨量形成了兩個(gè)比較明顯的極值中心：一是以貴溪為代表的1 848 mm高值中心，位于流域東北方向；二是以贛州為代表的1 439 mm低值中心，位于流域西南方向。流域多年平均降雨量的空間分布整體呈現(xiàn)為由西南向東北，以及由西北向東北梯次遞增的趨勢(shì)；分析其原因主要與北亞熱帶氣候受大陸冷高壓和西太平洋副熱帶高壓影響有關(guān)。（2）降雨年代際變化空間差異分析表明：代際降雨高值中心一般發(fā)生在廬山和玉山一帶，降雨低值中心發(fā)生在贛南贛州、遂川一帶；（3）降雨季節(jié)變化的空間分析表明：鄱陽湖流域16個(gè)站點(diǎn)各季節(jié)多年平均降雨屬弱或中等變異。此外，高斯模型對(duì)于四季降雨空間模擬擬合程度好，故在該流域應(yīng)該選用高斯模型進(jìn)行降雨季節(jié)變化空間插值。

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