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(cè)局，河北 唐山063000）

1 研究區(qū)概況

唐山位于河北省華北、渤海北岸，全市面積13.472km2。區(qū)域地勢(shì)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(qū)，受氣候環(huán)流與熱力效應(yīng)形成溫帶季風(fēng)性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強(qiáng)，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(qū)，河流短小、比降低，有春汛和夏汛。區(qū)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(biāo)變量，以環(huán)境因子為解釋變量，定量解析不同環(huán)境因子對(duì)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(jìn)行多變量直接進(jìn)行梯度分析，并將變量集之間的線性關(guān)系直觀反映在同一直角坐標(biāo)系中。在進(jìn)行RDA分析過(guò)程中降水量排序得分的尺度比例選用標(biāo)準(zhǔn)偏差法，并將其進(jìn)行[（log（x+1）]的轉(zhuǎn)換，以減弱特異值影響[6]。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)，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(jīng)度、緯度。坡向數(shù)據(jù)按式（1）處理：

式中 ASP為坡向指數(shù)，aspect坡向?qū)崪y(cè)角度值，ASP越大，表示坡向越向陽(yáng)。冗余分析是基于R 3.03平臺(tái)，運(yùn)用Vegan數(shù)據(jù)包的Varpart函數(shù)析取，單因子重要性在RDA程序中由permutation函數(shù)進(jìn)行Monte Carlo檢驗(yàn)予以識(shí)別[3]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

依據(jù)唐山市氣象局和國(guó)家氣象中心提供氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，提取唐山境內(nèi)19個(gè)站點(diǎn)2011～2015年的逐日數(shù)據(jù)，以各站點(diǎn)年平均降水?dāng)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)。地形因子的提取以DEM為基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)，空間分辨率為30m，應(yīng)用ArcGIS軟件的Spatial Analysis模塊的Surface功能提取其坡度、坡向。NDVI數(shù)據(jù)基于該市Landsat OLI影像提取。河流距離的計(jì)算以唐山市5級(jí)以上河流為地圖，提取各站點(diǎn)到最近河流的距離。以站點(diǎn)分布為底圖，將DEM和NDVI柵格采取值提取至點(diǎn)的方法，獲取各個(gè)站點(diǎn)相關(guān)環(huán)境因子屬性。

4 結(jié)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(qū)降水量最豐富，可達(dá)700mm以上，中部地區(qū)降水量在610～700mm之間，南部?jī)H為610mm以下。以縣區(qū)為單位統(tǒng)計(jì)顯示，遷西縣降水量最豐富，可達(dá)723.89mm，遵化市次之，為704.41mm，遷安、玉田、豐潤(rùn)、灤縣、開(kāi)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(lè)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(huán)境因子相關(guān)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(jīng)向分布來(lái)看，其在東西方向上差異性較小，從其緯向來(lái)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(qū)地勢(shì)較高，且為迎風(fēng)坡，對(duì)海洋來(lái)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(qū)地形開(kāi)闊，無(wú)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(qiáng)地表粗糙度從而減緩水汽運(yùn)移，加之其水汽涵養(yǎng)能力，有助于增加降水量。

Person相關(guān)分析顯示了各環(huán)境因子與降水量之間的關(guān)系。降水量與地形因子和下墊面因子呈正相關(guān)關(guān)系，與海拔、坡向、坡度的相關(guān)性系數(shù)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(guān)系數(shù)為0.097，與經(jīng)度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.104，未達(dá)到5%水平信度檢驗(yàn)；降水量與緯度在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.785。

4.3 降水量空間分布與環(huán)境因子冗余分析

經(jīng)RDA排序，各類環(huán)境因子特征值為0.532，表明其對(duì)降水空間分布的解釋能力較好，4個(gè)主成分軸的無(wú)蹤數(shù)據(jù)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(huán)境因子對(duì)降水空間分布的影響程度存在差異?？芍?，地形因素、下墊面因素和海陸位置因素分別獨(dú)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(yīng)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(yīng)來(lái)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(dǎo)因素是地形特征。

圖2 環(huán)境因子對(duì)降水量空間分布影響

此前相關(guān)研究著重分析了唐山市降水隨時(shí)間變化規(guī)律，忽視了空間異質(zhì)性特征，而本文側(cè)重于其降水空間分布模式的研究，定量分離了各類環(huán)境因素對(duì)降水分布的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

區(qū)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(qū)域降水在北部燕山地區(qū)較豐富，有利于該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展，同時(shí)也應(yīng)注意其洪澇災(zāi)害。