廣東省北江流域坡向與海拔對汛期降水量的影響

梁勝華 張 靈 千懷遂 李明霞 鄒小碩

(廣州大學地理科學學院,廣州 510006)

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廣東省北江流域坡向與海拔對汛期降水量的影響

梁勝華*張 靈 千懷遂 李明霞 鄒小碩

(廣州大學地理科學學院,廣州 510006)

利用1956—2000年廣東省北江流域40個水文站逐月降水量資料，統(tǒng)計北江流域汛期降水量與山地坡向及海拔高度的關(guān)系特征。利用地理加權(quán)回歸(GWR)方法消除站點空間位置不同帶來的宏觀地理因子影響后，進行多年平均汛期降水量隨海拔高度變化的相關(guān)分析，根據(jù)其點聚程度分區(qū)，研究降水量隨海拔高度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：廣東省北江流域汛期降水量總體上呈緯向空間分布，由南至北逐漸減少，其中多雨區(qū)位于北江流域的東南部；在流域中部的英德至流域南部的清遠之間的干流附近存在穩(wěn)定的多雨中心。4個子區(qū)域最大降水量高度不同，由南至北分別為77.3 m，408.4 m，353.6 m和376.9 m，相對應(yīng)的最大降水量分別為1566.2 mm，1467.4 mm，1295.9 mm 和1151.5 mm。廣東省北江流域汛期降水量變差系數(shù)由西南至東北依次增大，說明降水量的年際變化呈北大南小的空間分布規(guī)律。

北江流域； 坡向； 海拔； 最大降水量高度

引 言

降水量隨海拔高度的變化受多種因素影響，對多山嶺復(fù)合山系而言，尤為突出。對于地形性降水的空間分異研究，20世紀70—80年代[1-3]人們多采用單一山坡的不同海拔高度的氣象觀測資料進行研究，用多元回歸分析方法建立它們之間的穩(wěn)定性關(guān)系[4-9]。盡管也考慮了宏觀地理因子的影響，但相關(guān)方法很難直接用于多山嶺復(fù)合山系研究中。且僅從回歸分析方法研究地形與降水量之間的關(guān)系，尚不足以直觀說明地形對降水量影響的空間分布特征[10]。近10年，人們結(jié)合數(shù)字高程模型及空間插值的方法，將降水量由離散點插值為連續(xù)分布的面狀信息研究山區(qū)降水量隨海拔高度的變化[11-13]，但因為站點的位置及密度均受地形條件制約[14]，當觀測資料稀疏且地形復(fù)雜時, 插值準確度難以保證。同時，也未考慮山嶺之間的相互影響，因此，對于多山嶺復(fù)合山系的研究來講，仍是個缺憾。

本文在利用克里金插值法對降水量進行插值之前，對影響降水量空間分布的宏觀地理因子進行地理加權(quán)回歸(GWR)處理，對降水量和地形因子進行回歸分析，根據(jù)降水量的空間分布特征、降水量隨海拔高度變化的不同參數(shù)，將地形按不同坡地方位進行分區(qū)[15-17],利用分區(qū)站點連片的原則和不同分區(qū)的降水量的連片結(jié)果加以驗證。

1 研究區(qū)域和資料處理

北江是珠江流域第二大水系，流域面積為46710 km2(其中廣東省內(nèi)部分占流域總面積的92%)， 主要流經(jīng)廣東省韶關(guān)、清遠地區(qū)，流域內(nèi)大部分為山區(qū)和丘陵。流域降水量多、強度大，降水多集中在汛期的4—9月，其汛期降水量可占全年降水量的70%以上[18]。以前涉及北江流域降水量的研究大都將北江流域嵌套在大尺度范圍內(nèi)[19-24]，對北江流域降水量特征的研究鮮見報道。

本文研究區(qū)域為廣東省內(nèi)的北江流域(圖1)，1956—2000年降水量資料來自北江流域的40個水文站，30 m×30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)源自www.csdb.cn.

圖1 廣東省北江流域水文站分布 Fig.1 Hydrological site map in Beijiang River Basins of Guangdong Province

2 擬合方法與結(jié)果分析

山地上任意一點降水量均在地形因素R(α,β)、地方海拔高度R(h)和宏觀地理因子R(φ,θ)共同影響下形成[25]，

R=R1(α,β)+R2(h)+R3(φ,θ)+ε。

(1)

式(1)中，R為山地任意一點降水量，α為坡度，β為坡向，R1為坡度與坡向影響的降水量，h為海拔高度，R2為海拔高度影響的降水量，φ和θ分別為緯度和經(jīng)度，R3為緯度和經(jīng)度影響的降水量，ε為隨機誤差。

2.1 坡度因子處理方法

坡度表示地表面的陡緩程度，其對降水量的影響主要體現(xiàn)在對氣流的抬升作用方面。通常，坡度越大，風速的垂直梯度越大，對氣流的抬升作用也越大，導致降水的垂直梯度變化也增加。對研究區(qū)域地形分析表明：該流域坡度均較平緩，平均坡度僅為13°，坡度小于45°的區(qū)域占研究區(qū)域的98.9%左右，所選的40個站除白芒站坡度高于45°以外，其余站點均小于45°。傅抱璞[26]指出，當α在0°～45°之間變化時，無論是在背風坡面還是迎風坡面，坡度對降水量的影響在實際計算中可以忽略不計，故在本文分析中對坡度因子(α)不予考慮。

2.2 宏觀地理因子處理方法

由于各觀測站分布于不同的地理位置，利用不同地理位置的海拔高度和降水量反映兩者關(guān)系，由此得出的結(jié)論與實際情況會有較大出入[27]。為了盡可能消除地理因子帶來的影響，利用地理加權(quán)回歸模型[28]將空間位置嵌入降水量資料中，以某站所在的地理位置到其他各站的地理位置的距離作為權(quán)函數(shù)，對降水量進行局部加權(quán)最小二乘方法逐點估計。即通過地理加權(quán)，使各觀測站近似地被看作處于同一地理位置，以此消除宏觀地理因子的影響。

在地理加權(quán)回歸模型中，特定區(qū)域的回歸系數(shù)不再利用全部信息獲得的假定常數(shù)，而利用鄰近觀測值的子樣本信息進行局域回歸估計，是隨空間上局部地理位置變化而變化的變數(shù)。通過各地理位置上的參數(shù)估計值隨地理位置的變化情況，可以非常直觀地探討空間關(guān)系的非平穩(wěn)性。

本文以截尾型的bi_square函數(shù)為權(quán)函數(shù)，利用交叉驗證方法(CV)選擇最優(yōu)帶寬，以海拔高度為解釋變量，多年平均汛期降水量為被解釋量，對降水量進行地理加權(quán)回歸。GWR模型可表示為

Yi=β0(μi,vi)+β1(μi,vi)Xi+εi，

i=1，2，3，...，20。

(2)

式(2)中，Yi為第i個站的多年平均汛期降水量,Xi為第i個站的海拔高度,(μi，vi)為經(jīng)度和緯度，β0(μi，vi) 為多年平均汛期降水量隨空間位置即經(jīng)、緯度發(fā)生的變化，β1(μi，vi)為多年平均汛期降水量隨海拔高度的變化率。

經(jīng)GWR回歸后模型的擬合優(yōu)度(R2)為0.71，條件函數(shù)顯著低于30，模型效果較好。

2.3 坡向因子處理方法

坡向指地形坡面朝向，風向與山脈迎風坡夾角越大，氣流的輻合上升作用也越大，山的迎風坡為多雨中心。相應(yīng)地，盛行風的背風坡則形成了降水稀少、氣候干燥的少雨區(qū)。因此，山體所處的不同坡向位置，會對降水量大小產(chǎn)生影響。研究山地坡向?qū)邓康挠绊?，首先要進行坡向劃分，但在宏觀區(qū)域研究中，要對每一山體進行坡向劃分幾乎不可能。研究表明，不同坡向?qū)邓绊懙牟町愔饕w現(xiàn)在降水量隨海拔高度的變化率上[17]。因此，如果根據(jù)降水量隨海拔高度變化的不同參數(shù)確定山體的不同方位和坡向[29]，那么坡向?qū)邓挠绊憣㈦[含于分區(qū)之中。

2.4 分區(qū)擬合結(jié)果

2.4.1 分區(qū)擬合步驟

首先將GWR估算的降水量與相應(yīng)的海拔高度點繪在坐標圖上(圖2)，以其點聚的相關(guān)程度作為劃分標準。由圖2可看出，有4條變化率顯著不同的降水量隨高度變化曲線，4條曲線的擬合優(yōu)度由上至下分別為0.69，0.88，0.70以及0.65，擬合效果尚可。

圖2 GWR估計的廣東省北江流域多年平均汛期降水量與海拔高度相關(guān)Fig.2 Correlation diagram of multi-year mean flood season rainfall to altitude in Beijiang River Basins of Guangdong Province

由圖2可初步認為，按照坡向差異大致可分為4個子區(qū)域，分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)。為進一步驗證子區(qū)域劃分的合理性，利用克里金法插值得到降水量分布圖(圖3)。由圖3可知，降水量由東南至西北依次遞減，且經(jīng)對圖2中的4條曲線求最大值后發(fā)現(xiàn)，4條曲線的最大值由Ⅰ區(qū)至Ⅳ區(qū)分別為1566.1 mm，1467.4 mm，1295.9 mm和1151.4 mm，這4個最大值反映的是研究區(qū)域降水量由東南至西北遞減的形式。由此考慮將Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)插值后的最大降水量作為分界線劃分出4個區(qū)域，檢驗4條曲線的相關(guān)點是否均有規(guī)律地分布在相對集中的區(qū)域內(nèi)。由圖3可知，這4條曲線的相關(guān)點絕大多數(shù)有規(guī)律地分布在按曲線最大值劃分的4個子區(qū)域內(nèi)。

圖3 廣東省北江流域多年平均汛期降水量分布及分區(qū)Fig.3 Multi-year mean flood season rainfall and partition in Beijiang River Basins of Guangdong Province

2.4.2 插值結(jié)果驗證

本研究采用交叉驗證方法對插值結(jié)果進行分析驗證，即移去1個已知水文站，用其他站點資料估計該站情況以檢驗插值精度的方法。研究過程中,對40個站的插值結(jié)果進行全交叉驗證，運用平均絕對誤差、最大偏離、最小偏離和均方根誤差作為檢驗參數(shù)。平均絕對誤差、最大偏離和最小偏離表示的是預(yù)測值與真值之間的殘差大小，殘差值的大小可用于衡量源數(shù)據(jù)的預(yù)測值與真值之間的一致性，殘差值越小，表明預(yù)測值與真值之間的誤差越??；均方根誤差用來衡量預(yù)測值同真值之間的偏差，均方根誤差越小，預(yù)測值就越接近于真值。經(jīng)檢驗，平均絕對誤差、最大偏離、最小偏離和均方根誤差分別為-1.78 mm，141.18 mm，1.30 mm和58.02 mm。即采用克里金法插值本研究區(qū)域內(nèi)的降水量分布，插值效果較好,可以得到較精確的降水量預(yù)測值。

2.4.3 擬合結(jié)果分區(qū)特征

從整體上看，研究區(qū)域位于南嶺南側(cè)，相對于由南海而來的暖濕夏季風為迎風坡，且在北江附近為一向南張開的喇叭口凹陷區(qū)。從南嶺向南伸出幾條山嶺，其中北江西側(cè)平行分布著西北—東南走向的羅殼山和大東山，北江東側(cè)為平行分布的青云山和滑石山。大東山和滑石山之間的距離非常狹窄，它們與南嶺主體合圍而成韶關(guān)盆地；羅殼山和青云山之間則為較寬闊的平地。因此，相對于夏季風而言，可將該區(qū)域的地形分為南嶺主體迎風坡區(qū)、大東山—滑石山迎風坡區(qū)、大東山—滑石山背風坡和韶關(guān)盆地地區(qū)、北江下游平地區(qū)這4個子區(qū)域。

無論是從坡向分區(qū)還是依據(jù)汛期降水量特征的劃分均表明研究區(qū)域可劃分為4個子區(qū)域。經(jīng)地理加權(quán)回歸后整個研究區(qū)域可看作是具有同一經(jīng)緯度的山體，又由于該區(qū)域按坡向分區(qū)，則可將4個子區(qū)域分別視為該山體所在的不同坡向區(qū)域。4個子區(qū)域各有不同的區(qū)域和降水量特征。

Ⅰ區(qū)位于北江流域下游(圖4a),平均坡向為178°，平均高程為172.3 m，平均坡度為10.8°，且背靠羅殼、大東、滑石、青云4座山。Ⅰ區(qū)夏季盛行來自海洋的東南季風，空氣高溫、高濕且接近飽和，微凸地貌抬升、前方山地阻擋以及喇叭口地形輻合效應(yīng)使之成為一個穩(wěn)定的多雨中心區(qū)。Ⅰ區(qū)汛期最大降水量位于山麓地帶77.3 m處，其最大汛期降水量為1566.1 mm。最大汛期降水量出現(xiàn)在北江干流與其兩條支流(連江和濱江)的匯合處，Ⅰ區(qū)的高程明顯高于四周，故當暖濕氣流途徑此處時，遇到此凸地的阻滯，在此地形成降水量峰值。

Ⅱ區(qū)處于北江中游地區(qū)(圖4b)，暖濕氣流到達Ⅱ區(qū)時，雖然水汽含量已有所下降，但由于Ⅱ區(qū)的平均海拔相對較高，平均高程為346.8 m，平均坡度為13.9°，均高于Ⅰ區(qū)，且Ⅱ區(qū)西面有西北—東南走向的羅殼山，背靠大東山，處于山嶺的迎風坡。當氣流進入該地時，由于喇叭口效應(yīng)，引起氣流輔合上升，促進對流發(fā)展形成為云雨。所以Ⅱ區(qū)汛期降水量雖較Ⅰ區(qū)有所下降，但總的來說仍較為充足。汛期最大降水量高度位于Ⅱ區(qū)的408.4 m 處，汛期最大降水量為1467.4 mm。

圖4 廣東省北江流域分區(qū)高程 (a)Ⅰ區(qū),(b)Ⅱ區(qū),(c)Ⅲ區(qū),(d)Ⅳ區(qū)Fig.4 The partition elevation map in Beijiang River Basins of Guangdong Province(a)Area Ⅰ,(b)Area Ⅱ,(c)Area Ⅲ,(d)Area Ⅳ

Ⅲ區(qū)位于北江中上游(圖4c)，具有在整個研究區(qū)域內(nèi)最高的平均高程450.8 m以及最高的平均坡度14.3°，且有廣東最高峰石坑崆。雖然有高山阻擋所引起氣流抬升、對流加強的因素，但由于暖濕氣流經(jīng)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)后，水汽含量已減少，且該區(qū)位于大東山—滑石山背風一側(cè)的韶關(guān)盆地，從Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)，降水量降低非常明顯。汛期最大降水量高度位于Ⅲ區(qū)的353.5 m處，汛期最大降水量為1295.9 mm。

Ⅳ區(qū)位于北江上游的南嶺南麓(圖4d)，平均坡向為180°，Ⅳ區(qū)山體的走勢大多為東—西走向為迎風坡，且海拔較高，平均高程為411.8 m。平均坡度為13.4°。Ⅳ區(qū)降水量較少，其汛期最大降水量僅為1151.4 mm，位于該區(qū)的376.9 m處。Ⅳ區(qū)汛期降水量隨海拔高度變化平緩，說明汛期降水量在Ⅳ區(qū)的不同海拔高度上變化不大，且為少雨中心，主要因為暖濕氣流到達此處時，水汽含量較Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)顯著減少，致使海拔高度變化也不足以使該區(qū)降水量出現(xiàn)較大起伏。

2.5 降水量年際變化特征

不同特征高度的平均降水量具有不同的空間分布變化特征，但不同特征高度降水量是否也會體現(xiàn)出相應(yīng)的年際氣候變化特征，本文利用降水量變差系數(shù)反映降水量年際變化的相對大小。若變差系數(shù)大，則該點年降水量變化大，不穩(wěn)定；若變差系數(shù)小，則各年的降水量變化不大，相對平穩(wěn)。

變差系數(shù)CV的計算利用地理加權(quán)回歸后的40個站的汛期降水量標準差與其平均值的比值獲得，結(jié)果顯示：1956—2000年40個站CV介于0.190至0.270之間，最大值位于烏逕，最小值位于北市附近。由廣東省北江流域汛期降水變差系數(shù)的分布(圖5)可知，北江流域年汛期降水變差系數(shù)由西南至東北依次增大，說明降水的年際變化呈北大南小的空間分布規(guī)律，這也與北江流域北部多山地南部地勢較平的地形有關(guān)。

圖5 1956—2000年廣東省北江流域汛期降水量變差系數(shù)分布Fig.5 CV of flood season rainfall in Beijiang River Basins of Guangdong Province from 1956 to 2000

若將CV與海拔高度進行相關(guān)分析，則可看出在不同特征高度處降水量的年際氣候變化特征。經(jīng)計算所得的結(jié)果并未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系，這與山嶺對氣流的攔截效應(yīng)和暖濕氣流的強度有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

本文利用廣東省北江流域40個水文站逐月降水量資料，分析該區(qū)域降水量空間分布特征：

1) 多年平均汛期降水量隨海拔的變化呈明顯的區(qū)域分異特征，總體呈緯向空間分布，由南至北可劃分出4個子區(qū)域，4個子區(qū)域的最大降水量高度分別為77.3 m，408.4 m，353.6 m和376.9 m，相對應(yīng)的最大降水量分別為1566.2 mm，1467.4 mm，1295.9 mm和1151.5 mm。

2) 1956—2000年汛期降水量的年際變化具有明顯的區(qū)域分異特征，降水量變差系數(shù)由南向北逐漸變大，最大值(0.270)位于烏逕，最小值(0.190)位于北市附近，總體呈北大南小的空間分布規(guī)律。

廣東省北江流域降水量隨海拔變化的緯向空間分布規(guī)律，主要與區(qū)內(nèi)的地形具有明顯的區(qū)域分異特征相關(guān)，由南至北分別為北江下游向南張開的喇叭口凹陷區(qū)、由大東山和滑石山與南嶺主體合圍而成的韶關(guān)盆地、大東山—滑石山迎風坡區(qū)以及南嶺主體迎風坡區(qū)等4個子區(qū)域。

1956—2000年廣東省北江流域汛期降水量呈北大南小的空間分布規(guī)律，一方面與該區(qū)域北部山地海拔較高、南部海拔較低地形因素有關(guān)，另一方面與山嶺對氣流的攔截效應(yīng)和暖濕氣流的強度有關(guān)，當暖濕氣流較弱時，南部山嶺的攔截效應(yīng)相對比較強，南部山嶺的攔截使暖濕氣流的水汽含量減少，而使該區(qū)域北部的降水量年際變化增大。

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Effects of Slope and Altitude on the Precipitation During the Flood Season in Beijiang River Basins of Guangdong Province

Liang Shenghua Zhang Ling Qian Huaisui Li Mingxia Zou Xiaoshuo

(InstituteofGeographicalScience,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006)

To study the spatial differentiation phenomena of precipitation in composite-mountain system, the relationship between the mountain slope, altitude and the precipitation of Beijiang River Basins during the flood season is analyzed with the method of multi-factor separation, using monthly precipitation data from 1959 to 2000 collected from 40 hydrologic stations. In order to eliminate effects of macro geographical factors, the data heterogeneity caused by different locations of hydrologic stations is resolved by using the geographically weighted regressing (GWR) method. The correlation diagram of the multi-year mean precipitation and the altitude is constructed according to the evaluation from GWR, and it is divided into four sub-areas based on the point scattering. On the basis of the division, the correlation between the precipitation change and altitude is researched. According to the changing rate of precipitation with the altitude, Beijiang River Basins are partitioned, and effects of warm air through the upstream and downstream on precipitation change with altitude are studied.

The result shows that the distribution of the multi-year mean precipitation during the flood season in Beijiang River Basins is perpendicular to parallel and it decreases from the south to the north. The rainy area is in the southeast of the basin and the mainstream from Yingde to Qingyuan is a stable rainy center. With the change of altitude, precipitation curve shape of the composite-mountain system can be summarized as the parabolic type. The variation of precipitation with the change of altitude in composite-mountain system is related to the precipitation interception effect of warm air through the upstream and downstream of the ridge. Varying characteristics of the average precipitation during the flood season in Beijiang River Basins demonstrate the obvious regional differentiation, it can be divided into four sub-regions, and there are different maximal precipitation in different sub-areas. From the south to the north, altitudes are 77.3 m, 408.4 m, 353.6 m, 376.9 m and the maximum precipitation are 1566.2 mm, 1467.5 mm, 1295.9 mm, 1151.5 mm, respectively. The precipitation during the flood season in Beijiang River Basins gradually increases from south to north, which means that the annual variation of precipitation presents spatial distribution regularities, bigger in north and smaller in south. This is associated with interception effect of mountains to the airflow and warm air strength. When the warm air is stronger, the interception effect on airflow upstream mountain water is relatively small. When the warm air flow is weak, the interception effect of upstream mountains is relatively strong.

Beijiang River Basins; slope; altitude; maximum precipitation altitude

10.11898/1001-7313.20150309

國家自然科學基金項目(51210013)

梁勝華,張靈,千懷遂,等. 廣東省北江流域坡向與海拔對汛期降水量的影響. 應(yīng)用氣象學報，2015，26(3)：338-345.

2014-09-19收到， 2015-01-05收到再改稿。

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