基于ArcGIS的晉北黃土高原區降水量時空分布特征研究

呂雁翔

(山西省大同市水文水資源勘測站，山西 大同 037043)

0 引言

降水是水文變化過程的核心驅動源，是大氣中水分循環和能量交換的主要組成部分[1]，對水文水資源及生態系統有著重要作用，是影響自然環境和社會經濟發展的重要因素之一[2]。降水量變化受自然因素及人類活動等多重因素的影響，相對于全球性的持續變暖趨勢，降水變化格局及其區域分異有更大的不確定性和復雜性[3]，已成為水文學和氣象學方面的研究重點方向[4]。

降水是山西省水資源的重要來源，是山西省人民生活和經濟發展的命脈，晉北黃土高原區作為山西省的特殊區域，其降雨空間分布的不均勻性十分顯著，影響區域產流產沙、土壤侵蝕的空間變化[5]。因此，對晉北黃土高原區降水量時空分布特征研究變得十分迫切，有助于合理利用晉北降水資源和有效監管水資源。

1 研究區概況與資料

1.1 研究區概況

本文選取晉北黃土高原大同、朔州市(以下簡稱“同朔”)15縣(區)為研究對象，位于山西省北部盆地中心，晉冀蒙三省區交界處，黃土高原東北邊緣；北隔長城與內蒙古自治區烏蘭察布市接壤，東與河北省張家口市、保定市相接，西南與省內忻州市毗鄰，其中大同市距首都北京市約350 km，距省會太原市約280 km，是山西省重要的能源化工基地之一；轄有南郊區、新榮區、大同縣、陽高縣、天鎮縣、渾源縣、靈丘縣、廣靈縣、左云縣、朔城區、平魯區、山陰縣、懷仁縣、應縣、右玉縣11縣4區，總面積24753 km2；屬于典型的干旱半干旱地區，降水量小且時空分布不均。

區內河流分別屬于海河流域永定河水系、大清河水系和黃河流域黃河水系，主要河流有桑干河、黃水河、御河、淤泥河、十里河、渾河、壺流河、南洋河、西洋河、唐河、沙河、蒼頭河和偏關河。設有雨量站315處，站網密度達78.6 km2/站。同朔河流水系圖見圖1。

圖1 同朔河流水系圖

1.2 選用資料

本文選用研究區1956年～2016年60 a的各雨量站日降水量資料，進行不同系列年均降水量在15縣(區)的時空分布情況研究。

2 研究方法

2.1 各縣(區)不同系列年均降水量計算方法

首先通過60 a的各雨量站日降水資料得出各站的年降水量，然后基于ArcGIS讀取各縣(區)緯度分區為1′的左經度、右經度以及相對應的緯度值，形成各縣(區)的經緯度網格；將其與各雨量站經緯度以及年降水數據一并輸入至通過編程開發好的“經緯網格法面均雨量”計算程序中，運用經緯網格法計算得出60 a各縣(區)的年降水量；此后應用算術平均法分別求得1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年各縣(區)的年均降水量，其中系列按照第一次、第二次、第三次全國水資源調查評價系列進行間斷性劃分。

2.2 各縣(區)不同系列年均降水量空間分布圖繪制方法

本文采用ArcGIS 10.1中文版對各縣(區)不同系列年均降水量空間分布圖進行繪制。

2.2.1 基礎圖層準備

將全國山洪災害調查評價時中國水利水電科學研究院下發的大同市、朔州市以及相關15縣(區)的面圖層加載至ArcGIS中，命名為“縣(區)面”。

2.2.2 不同系列年均降水量數據準備

將通過“經緯網格法”和“算術平均法”計算得到的15縣(區)不同系列年均降水量數據進行摘錄，可通過兩種方法錄入至ArcGIS“縣(區)面”圖層屬性表中。

一是右鍵打開“縣(區)面”圖層屬性表，點擊“表選項”下的“添加字段”選項分別添加名稱為“1956年～2016年均降水量”“1956年～1980年均降水量”“1981年～2000年均降水量”以及“2001年～2016年均降水量”四個字段，將字段類型均設置為“雙精度”；然后點擊工具欄的“編輯”—“開始編輯”選項對“縣(區)面”圖層進行編輯，將摘錄出的不同系列年均降水量數據輸入至屬性表中相應縣(區)的位置。

二是將15縣(區)1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年均降水量數據摘錄至excel表中，其中第一列是“縣(區)名稱”，縣(區)名稱要與ArcGIS中“縣(區)面”圖層屬性表中的縣(區)名稱以及順序一致；第二至五列分別為“1956年～2016年均降水量”“1956年～1980年均降水量”“1981年～2000年均降水量”以及“2001年～2016年均降水量”，將對應系列的年均降水量數據錄入至相應位置；在ArcGIS中內容列表右鍵點擊“縣(區)面”圖層，選擇“連接和關聯”—“連接”選項，在彈出的對話框中按要求輸入相應內容即可。

2.2.3 不同系列年均降水量分布圖繪制

不同系列年均降水量數據準備完畢后，雙擊“縣(區)面”圖層，打開屬性表，選擇“符號系統”—“圖表”—“條形圖/柱狀圖”，然后選中出柱狀圖的一個或多個字段，點擊“確定”即可生成不同系列的降水量分布柱狀圖。年均降水量分布圖見圖2(a)、圖2(b)。

(a)1956年～2016年

3 結果分析

由圖2(a)可知：1956年～2016年均降水量靈丘縣最大為473.5 mm，處于450 mm～500 mm之間，為最強降水狀態；渾源縣次之為439.0 mm，處于400 mm～450 mm之間，與廣靈縣435.5 mm、朔城區419.9 mm、應縣414.1 mm、平魯區412.7 mm、右玉縣409.8 mm、陽高縣403.8 mm并處同一等級，為良好降水狀態，最大值與最小值相差35.2mm；其余縣(區)左云縣399.4 mm、天鎮縣397.3 mm、山陰縣392.2 mm、大同縣390.2 mm、新榮區381.0 mm、南郊區375.4 mm、懷仁縣374.4 mm降水最弱，處于350 mm～400 mm之間，為最弱降水狀態，最大值與最小值相差25.0 mm。同時由圖可知，1956年～2016年均降水量從懷仁縣、南郊區、新榮區等中間縣(區)向東西兩側廣靈縣與平魯區不斷增大，至最東南端靈丘縣達到最大。

由圖2(b)可知：1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三系列各縣(區)年均降水量略有不同。其中各縣(區)1956年～1980系列年均降水量均處于最大；1981年～2000系列除新榮區外，其余縣(區)年均降水量均處于最低；2001年～2016系列年均降水量略有回升，但是仍低于1956年～1980系列年均值；三個不同系列年均降水量除新榮區外，其余縣(區)均呈“淺V”型。同時由圖可知，三個不同系列中，靈丘縣(498.5 mm、455.2 mm、456.3 mm)、渾源縣(466.9 mm、415.1 mm、425.1 mm)、廣靈縣(467.2 mm、410.5 mm、417.0 mm)的年均降水量均位于前三位，懷仁縣(395.6 mm、353.8 mm、367.0 mm)、新榮區(399.1 mm、369.0 mm、368.0 mm)、南郊區(387.7 mm、360.4 mm、374.8 mm)的年均降水量均位于后三位，其余縣區系列年均降水量處于中間位置。

由圖2(a)和圖2(b)對比可知，不論是1956年～2016年60 a長系列均值還是1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三個短系列均值，最大值均位于靈丘縣，最小值位于南郊區或者懷仁縣。這與實際情況靈丘縣地勢高、氣候濕潤，南郊區與懷仁縣地勢平坦、氣候干燥相吻合。

4 結語

本文主要基于經緯網格法、算術平均法和ArcGIS 10.1軟件對晉北黃土高原區同朔15縣(區)不同系列年均降水量時空分布特征進行研究，并對研究結果進行了詳細分析。結果表明，晉北黃土高原區年均降水量小且時空分布極其不均。研究結果的分析對晉北黃土高原區的降水量和水資源的合理利用有著重要的意義。