三江源地區地形異質性對氣候的影響分析

摘 要 基于三江源地區60 m×60 m分辨率的DEM柵格圖像資料對該地區表征地形異質性地形起伏度、高程標準差、地表粗糙度指標進行計算分析，根據各氣象臺站1961—2010年氣溫資料和降水資料，分析地形異質性對當地的氣候的影響。結果表明：三江源地區的地形整體高程高，地表起伏度較大，南部和東南部是地形變化最為劇烈的區域，地形起伏度、高程標準差和地表粗糙度的絕對值均較大;中部和西部地區地勢變化小，地形起伏度小，高程標準差和地表粗糙度也較小。在整個研究區域中，緯度相近區域的氣候受地形異質性的影響效果明顯，地形異質性大的區域氣候表征為暖濕，降水多且氣溫高。

關鍵詞 地形異質性;氣溫;降水;三江源地區

中圖分類號：S16 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.23.070

對于地理研究來說，地形分析是最重要的基礎性研究，其在地理學、生態學、人文學、土木學等相關研究中應用廣泛，普遍作為最初研究對象，為進一步的研究和分析提供依據。異質性這一概念來源于生物學，地形的異質性可以簡單理解為單位面積上地形的變化程度，指的是地形的不同性質和表現。18世紀以來，等高線地形圖引入地形研究后，該地形圖一直被應用至今，是研究地形情況的重要方法。

地球表面是連續不斷的，地形異質性研究的重要數據之一就是DEM柵格數據。在DEM數據柵格單元，地形異質性可以理解為柵格單元內地形的復雜性和變異性，其不僅能夠表示單元內地形的形態變異性，又能表現為單元內地形的高程變異[1]。國內外對于基于DEM數據地形分析的研究主要分為2方面：1）對不同尺度DEM數據精確度的研究;2）對DEM數據不確定性引起的問題研究，也就是DEM數據的尺度對地形表達的精度影響和DEM尺度對地形分析、地學模型的影響分析等方面的研究[2-4]。

三江源地區的生態環境原始而獨特，對外界的影響敏感而復雜，是中國面積最大的自然保護區，也是世界高海拔地區生物多樣性最集中的自然保護區，這一地區的生態多樣性保護顯得格外重要[5-6]。基于此，研究該地區的地形異質性對氣候的影響。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域和數據資料

1.1.1 研究區域

三江源地區是指長江、黃河、瀾滄江源頭地區，位于青海省南部，青藏高原腹地，以山地地貌為主，山脈綿延、地勢高聳、地形復雜，海拔為3 335～6 564 m，地形起伏相對較小，地貌皆受地質構造控制。該地區氣候條件特殊，地面寒冷分化作用強烈，但區域內人為因素對自然環境的影響相對較弱，區內的自然植被演替、河流湖泊演變等自然過程基本保持著天然原始的狀態，生態多樣性突出。

1.1.2 數據資料

獲取三江源地區1961—2010年16個氣象站觀測的氣溫和降水數據。該16個氣象觀測點分別是沱沱河、清水河、五道梁、雜多、曲麻萊、瑪多、囊謙、玉樹、同德、興海、達日、久治、班瑪、瑪沁、河南、澤庫。為保證數據的連續性和完整性，對各站點的相關數據進行篩選處理，發現貴德、瑪沁和澤庫氣象站數據有缺失，剔除這3個氣象站數據，最終獲得13個站點的完整數據進行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 地形起伏度

地形起伏度是反映地形縱向變化的指標，指最大高差與最小高差的差值，能在一定程度上反映某地區地形的變化差異和地面的起伏狀況[7]。

地形起伏度計算公式如下：

RF=Hmax-Hmin（1）

其中RF指的是地形起伏度，Hmax指的是最大高程值，Hmin指的是最小高程值[8]。

1.2.2 地表粗糙度

地表粗糙度指的是地形水平方向的變形特性，一般定義為地表單元的曲面面積和其在水平面上的投影面積之比。

1.2.3 高程分析

標準差這一數學上經常被使用的參數引用到地形變化的相關描述中時，可以反映某些數據與標準數據的相離情況。高程標準差刻畫了高程的變化情況，是柵格單元內地形變異的量度指標，反映了各點高程與高程平均值的離散程度。

在利用高程標準差進行地形描述時，當柵格單元尺寸與山坡坡長接近或一致時，高程標準差反映了柵格單元內地形的高程變異;而柵格單元尺寸與山坡坡長不一致時，高程標準差能給出地貌景觀單元的粗糙程度。

2 結果與分析

2.1 地形起伏度

三江源地區地形起伏度處理結果如圖1所示。從圖中可以看出，整個區域內的地形起伏度較大，特別是在東部和中南部區域的起伏度在圖像顯示為高亮的白色，起伏度值大，局部地區達到了1 700 m左右，地形落差大，異質性明顯。

2.2 地表粗糙度

地表粗糙度計算結果見圖2，可以看出，區域內東部和中南部曲率值較高的地方和曲率值較低的地方斑點密集且多變，中部和整個西部的曲率值相對較為單一，相鄰區域變化不明顯，曲率值在數值上較接近0。說明三江源地區東部和中南部地區凹凸程度多變且凹凸程度較大，地形較為粗糙，而中部和西部地區凹凸程度變化相對于來說較緩和，地形的粗糙度也較平緩。

2.3 高程標準差

通過高程等值線處理描述三江源地區高程變化如圖3所示。根據圖3等值線處理結果看出，三江源地區高程等值線東部和南部較為密集，變化較大，因而研究區東南部和南部地形起伏變化大，山體坡度大，山體高聳，地形多峽谷、懸崖;西部、北部和中部地區高程值雖然高，屬高原山地地形，但是地形縱向變化較小，整體較為平坦。研究區中東部和南部多為河流縱向切割山體形成的巨大峽谷，河流蘊藏勢能非常豐富，隨著時間的流逝，等值線在這一區域的變化會更加明顯;中部、西部和北部地區由于地勢相對于平坦，冰川融水不易流出，天然的凍土資源自然形成了很多沼澤、湖泊等濕地類型，濕地資源豐富。區域內的等值線以500 m作為間隔，東部和中南部等高線密集，其他區域等高線稀疏，等高線越密集，地形越是崎嶇，起伏度越大，異質性越明顯。

2.4 三江源地區氣溫及降水變化

2.4.1 三江源地區氣溫變化

根據三江源地區的相關流域范圍，對數據較全的13個氣象站進行了相關區域劃分，具體劃分如下：囊謙、雜多屬瀾滄江源區;達日、興海、瑪多、久治、河南屬黃河源區;玉樹、曲麻萊、清水河、五道梁、沱沱河、班瑪屬長江源區。

對三江源地區13個氣象臺站1961—2010年氣溫數據進行處理，結果見圖4。可以看出，全區域平均氣溫雖然高低往復，但是整體上升趨勢十分顯著。說明在全球氣候變暖的大背景下，三江源地區氣候正在向暖濕方向轉變。

2.4.2 三江源地區降水變化

對三江源地區16個氣象臺站1961—2010年降水數據進行處理，結果如圖5所示。可以看出，雖然三江源地區降水量有增有減，但是整個區域的降水增加趨勢明顯，部分地區降水量急劇增加，21世紀初增加尤為明顯。從空間上看，位于東南地區的站點降水增加明顯高于其他地區，整個區域的增加趨勢大致從東南向西北遞減。

2.5 空間異質性對氣候變化的影響

在進行分析的過程中，匯總了三江源地區13個氣象站的地形信息，三江源地區地形異質性數據和氣候數據研究如表1。

對表中的數據利用相關系數進行相關性分析，如表2所示。

由表2可以得出，地形異質性的4個指標對三江源地區的氣溫和降水的空間分布影響程度為：在氣溫的空間分布方面，地表粗糙度指標和降水、氣溫分布均呈負相關關系且對降水的影響較大，而對氣溫影響不太明顯。

相對來說，高程標準差和地形起伏度對氣溫和降水的空間分布的貢獻較大一些，在同一緯度帶內，地形異質性大的地區，氣候較為暖濕;地形異質性小的地區，氣候較為干冷。

3 結論

三江源地區位于世界屋脊——青藏高原腹地，氣候類型為典型的山地高原氣候，常年氣候干冷，地形以山地高原為主。區域內的東部和中南部地形異質性大，地形起伏度大，高程標準差和地表粗糙度也較大，因而降水多，氣溫高，氣候相對暖濕;區域的中部和西部地形異質性小，地形起伏度小，因而氣候寒冷，降水稀少，自然情況惡劣。區域的東南部是區域內雨水最豐沛的地區，植被種類、覆蓋率和生物種類也均較高，區域的西部是生態環境最惡劣的地區，也是最脆弱的區域。

參考文獻：

[1] 韓富江，王德剛，丁維鳳，等.DEM柵格單元地形異質性的量度指標研究[J].地理與地理信息科學，2010，26（4）：7-11.

[2] 韓羽.DEM柵格單元異質性對多尺度地形分析的影響[D].西安：西北大學，2009.

[3] 馬建超，林廣發，陳友飛，等.DEM柵格單元異質性對地形濕度指數提取的影響分析[J].地球信息科學學報，2011，13（2）：157-163.

[4] 高瑞睿，李雪梅，高培.地形異質性對天山山區氣候的影響分析[J].干旱區地理，2017，40（1）：197-203.

[5] 李晨松.循環生態——三江源生態系統的保護與建設[J].青海科技，2014（2）：28-31.

[6] 盧慧，叢靜，劉曉，等.三江源區高寒草甸植物多樣性的海拔分布格局[J].草業學報，2015，24（7）：197-204..

[7] 王讓虎，張樹文，蒲羅曼，等.基于ASTER GDEM和均值變點分析的中國東北地形起伏度研究[J].干旱區資源與環境，2016，30（6）：49-54.

[8] 常國剛，李鳳霞，李林.三江源濕地變化與修復[M].氣象出版社，2011.

（責任編輯：劉昀）

收稿日期：2019-07-11

基金項目：地質調查創新平臺評估與成果轉化項目“退化及未利用土地整治重點實驗室前沿發展研究與人才培養”（CDD1918-10）。

作者簡介：武丹（1992—），女，甘肅張掖人，碩士，助理工程師，研究方向為土地工程技術、土地信息化。E-mail： 843969970@qq.com。