基于GIS和RDA唐山市降水量空間分布及其影響因素

鄺田萌

（河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山063000）

1 研究區概況

唐山位于河北省華北、渤海北岸，全市面積13.472km2。區域地勢自北向南傾向，形成丘陵山地、平原地形，高程介于0～843m之間。由于位居歐亞大陸東岸中緯度沿海地區，受氣候環流與熱力效應形成溫帶季風性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強，年均溫12.5℃，多年平均降水量在500～700mm之間。唐山市水系屬渤海外流區，河流短小、比降低，有春汛和夏汛。區域降水主要集中在5～9月，冬半年降水稀缺。

2 研究方法

采用冗余Redundancy Analysis（RDA），以降水量為目標變量，以環境因子為解釋變量，定量解析不同環境因子對降水量空間分布的影響。RDA分析法拓展了多元線性回歸理念，能進行多變量直接進行梯度分析，并將變量集之間的線性關系直觀反映在同一直角坐標系中。在進行RDA分析過程中降水量排序得分的尺度比例選用標準偏差法，并將其進行[（log（x+1）]的轉換，以減弱特異值影響[6]。

根據相關學者研究經驗，確定了影響唐山市降水量空間分布的三維因素，依次為地形因素、下墊面因素和海陸位置。其中地形因素依次為海拔、坡度、坡向；下墊面因素為NDVI、到河流距離；海陸位置因素為經度、緯度。坡向數據按式（1）處理：

式中 ASP為坡向指數，aspect坡向實測角度值，ASP越大，表示坡向越向陽。冗余分析是基于R 3.03平臺，運用Vegan數據包的Varpart函數析取，單因子重要性在RDA程序中由permutation函數進行Monte Carlo檢驗予以識別[3]。

3 數據來源與處理

依據唐山市氣象局和國家氣象中心提供氣象站點數據，提取唐山境內19個站點2011～2015年的逐日數據，以各站點年平均降水數據為基準。地形因子的提取以DEM為基礎，該數據來自地理空間數據云官網，空間分辨率為30m，應用ArcGIS軟件的Spatial Analysis模塊的Surface功能提取其坡度、坡向。NDVI數據基于該市Landsat OLI影像提取。河流距離的計算以唐山市5級以上河流為地圖，提取各站點到最近河流的距離。以站點分布為底圖，將DEM和NDVI柵格采取值提取至點的方法，獲取各個站點相關環境因子屬性。

4 結果與分析

4.1 唐山市降水量空間分布特征

唐山市年降水量空間分布如圖1。Kriging插值顯示，全境降水量介于570～783mm之間，降水量在東西方向呈帶狀延伸，自南向北增加分布。北部山地丘陵區降水量最豐富，可達700mm以上，中部地區降水量在610～700mm之間，南部僅為610mm以下。以縣區為單位統計顯示，遷西縣降水量最豐富，可達723.89mm，遵化市次之，為704.41mm，遷安、玉田、豐潤、灤縣、開灤、灤南等地的降水量介于600～700mm之間，分別為638.6，639.99，646.68，645.86，607.79，605.51mm， 唐海、曹妃甸、樂亭依次為588.38，582.68，586.06mm。

圖1 唐山市降水量空間分布

4.2 降水量空間分布與環境因子相關性分析

圖1直觀顯示了唐山市降水量空間分布不均，從其經向分布來看，其在東西方向上差異性較小，從其緯向來看，其南北差異性明顯，由此可知，唐山市降水量具有緯度地帶性特征。唐山市降水量與DEM空間分布一致，北部山地丘陵區地勢較高，且為迎風坡，對海洋來的水汽具有一定的阻擋和抬升作用，易于成云致雨；而南部平坦地區地形開闊，無法有效匯集水汽，因而降水較少。由圖1可知，唐山市NDVI與降水分布格局相似，田恬等研究表明，植被覆蓋能夠增強地表粗糙度從而減緩水汽運移，加之其水汽涵養能力，有助于增加降水量。

Person相關分析顯示了各環境因子與降水量之間的關系。降水量與地形因子和下墊面因子呈正相關關系，與海拔、坡向、坡度的相關性系數為0.662，0.534，0.239，在0.01或0.05水平上顯著，與到河流距離因子相關系數為0.097，與經度呈負相關，相關系數為-0.104，未達到5%水平信度檢驗；降水量與緯度在0.01水平上呈極顯著相關，相關系數0.785。

4.3 降水量空間分布與環境因子冗余分析

經RDA排序，各類環境因子特征值為0.532，表明其對降水空間分布的解釋能力較好，4個主成分軸的無蹤數據依次為41.08%，28.56%，15.29%，8.85%，累積總方差為93.78%。如圖2，不同類型環境因子對降水空間分布的影響程度存在差異。可知，地形因素、下墊面因素和海陸位置因素分別獨立解釋了0.214，0.076，0.098的信息，地形—下墊面因素、下墊面—海陸位置因素、地形—海陸位置因素的組合效應分別解釋了0.028，0.047，0.035的信息；三類因素共同解釋了0.034的信息。從各類因素綜合效應來看，地形因素共解釋了0.311的信息，下墊面因素和海陸位置因素的解釋能力則分別是0.185，0.214，表明唐山市降水量空間分布的主導因素是地形特征。

圖2 環境因子對降水量空間分布影響

此前相關研究著重分析了唐山市降水隨時間變化規律，忽視了空間異質性特征，而本文側重于其降水空間分布模式的研究，定量分離了各類環境因素對降水分布的影響。

5 結語

區域地形特征是引起降水量呈自北向南遞減分布格局的主控因素。區域降水在北部燕山地區較豐富，有利于該區生態環境發展，同時也應注意其洪澇災害。