湖北省復雜地形影響下降水精細化分布特征研究

孫朋杰，王必強，陳正洪，張 榮，簡仕略

（1.湖北省氣象服務中心，武漢 430074；2.中國氣象局氣象干部培訓學院湖北分院，武漢 430074）

降水的監測及預報對于環境影響評估、區域氣候分析、水資源評價以及水文過程模擬、生態修復等多個領域具有十分重要的意義。但受地形、環流等多種因素的影響，降水具有強烈的時空差異性，受局地地形、下墊面影響明顯，山區降水體現的尤為突出。許多學者對降水的空間分布、分型進行了大量研究，指出降水分布具有明顯的地區性差異［1-3］。傳統降水觀測主要依靠地面雨量計來進行，雖然精度較高，但受站點分布等因素的影響，難以充分反映降水時空分布的差異［4］。

關于區域降水的估算和模擬，已有研究多從以下幾個方面進行。一是通過空間插值方法，該方法能反映空間數據的自相關特性，但由于受到觀測站點稀疏的影響，插值精度存在不確定性，因而難以反映地形地貌對降水空間分布的影響。二是通過衛星遙感資料的定量反演［4，5］，該方法主要基于衛星降水數據對區域降水量時空分布進行估算，但由于受衛星資料的數據空間分辨率影響，難以進行復雜地形降水的時空精細分析。三是通過統計回歸的方法進行分析［6，7］，通過建立降水與空間要素間的關系模型，建立降水與地理地形等影響因子間的關系，其在研究范圍較小、影響降水分布的因子明確且相互獨立時效果較好，但同樣由于降水實測站點稀疏的原因，可供驗證其估算結果的雨量觀測站少，應用不同估算和模擬方法得出山區降水分布規律的研究結果不同。

就湖北省而言，地處華中腹地，山地占56%，丘陵崗地占24%，平原湖區占20%。境內三面環山，地勢為西、北、東三面高起，中部向南敞開，呈馬蹄形分布。由于其特殊的地理位置和復雜多樣的地形地貌，使得降水空間分布差異明顯。由于省內國家氣象觀測站多設在低山和平原處，高海拔的山地處雨量數據缺失，因此，估算和模擬能反映湖北省實際降水的時空分布特征，特別是能反映山區降水特征就顯得尤為重要。近年來，湖北省氣象部門已在全省范圍內建設無人值守的區域氣象自動觀測站2 600多個，觀測包括溫度、風速、風向、降水等多個要素，用于氣象預警、決策服務、預報驗證等多個方面。由于區域氣象觀測站多建在野外，包括山地丘陵地區，可對小尺度降水進行監測，很好地彌補了常規氣象站點稀疏的不足。本研究嘗試利用全省2 000多個區域氣象站降水觀測資料，結合地理信息數據（DEM），分區域構建降水與地理因子的模型，建立復雜地形影響下的湖北省降水精細化分布特征。

1 資料與方法

1.1 降水分區研究

考慮湖北省實際地形，地勢大致為東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。為了進一步分析山地降水垂直分布特征，根據空間分布連續性原則，在保證區域氣候特征相對相似性的基礎上，將研究區域劃分為8 個不同區域，分區建立降水模型。區域具體劃分如圖1 所示，Ⅰ區為鄂東北大別山區，主要包括鄂東北黃岡區域；Ⅱ區為鄂東南幕阜山區，主要包括鄂東南咸寧、黃石區域；Ⅲ區為鄂北桐柏山區，主要包括隨州、孝感、荊門、襄陽部分區域；Ⅳ區為江漢平原區域，主要包括武漢、荊州、天門、仙桃、潛江等區域；Ⅴ區為鄂西北秦巴山區，主要包括十堰、襄陽區域；Ⅵ區為神農架林區；Ⅶ區為三峽河谷地區，包含神農架南坡及宜昌地區；Ⅷ區為鄂西南山區，主要包括恩施、宜昌的五峰區域。

圖1 湖北省降水研究區域劃分情況

1.2 數據來源

本研究所用的降水資料來自于湖北省82 個國家級氣象觀測站及分布在全省的2 005 個區域氣象站（部分站點由于觀測數據缺失等原因沒有采用）降水觀測資料，如圖2 所示。所取觀測時段為區域氣象站觀測質量較好的2016—2018 年3 個完整年每日20：00—20：00 的降水觀測資料。

圖2 研究所采用的氣象觀測站點分布情況

1.3 方法

本研究總體思路是利用氣象觀測站點的降水觀測資料，結合ArcGis 軟件，提取站點所在的數字高程資料（DEM）的經度、緯度、高度、坡度、坡向［8-10］等屬性信息，分區域建立基于地形影響的精細化降水方程，最終繪制分辨率為1 km 的湖北省降水分布（圖3）。

圖3 技術流程

1.3.1 數值質量控制 由于本研究所用區域氣象站點眾多且分布不均，部分站點會因缺乏維護造成數據缺測，因此需對觀測資料進行數據控制。采用氣候學界限值檢查、臺站或區域極值檢查、要素間內部一致性檢查、時間一致性檢查以及空間一致性檢查等方法［11］，對區域站資料進行檢查，最終采用了2 005 個區域站點資料進行研究。

1.3.2 Arcgis 空間數據分析 包括空間數據的采集與組織、空間數據的轉換與處理、柵格數據的空間分析、地形因子提取、空間數據插值等。

1.3.3 反距離權重插值 反距離權重插值（Inverse distance to a power）［12］是一種圓滑的加權平均插值法，它的權系數是隨著離確定網格點距離的增加而下降，這個過程是運用方次參數進行控制。距確定數據點距離較近的點有一個較高的權重份額，屬于較大的方次，距確定數據點距離較遠的點權重份額分配比較均勻，屬于較小的方次。當進行插值計算時，柵格數據內每個網格點的值都需要計算，根據從該網格點到觀測點之間的距離賦予該數據點權值和方次，其與距離大小呈反比。表達方程式如下所示。

式中，Z0是點 0 的估計值；Zi是已知點i的z；di是已知點i與點0 之間的距離；k是距離的冪，顯著影響內插的結果；s為在估算中用到的已知點的數目。

1.3.4 多元線性回歸 方法較為簡單，具體參見統計類書籍。

1.3.5 誤差檢驗方法 評估建立的降水模型效果，采用下列指標作為效果指標。

1）平均絕對百分比誤差（MAPE）。

式中，xij表示某個點的模型模擬值；xi表示該點的實測值。

2）相關系數及顯著性檢驗。對所建降水模型的模擬值與站點實測值，需計算兩者相關系數。

式中，xki表示某個點的模型模擬值表示建立模型模擬值樣本的平均值；xli表示該點的實測值表示實測樣本的平均值。

2 降水模型建立與特征分析

2.1 降水模型建立

將湖北省研究區域劃分為8 個不同地區，分區建立降水模型。以Ⅰ區為例，Ⅰ區共用到203 個區域自動站2016—2018 年降水日值觀測資料，通過Arcgis 提取203 個站點的地理信息，本研究提取經度、緯度、高度、坡度、坡向5 個因子。嘗試利用SPSS軟件，采用多元線性回歸等方法，將多個變量因子進行篩選，建立3 年平均降水與地形因子間的模型。

Ⅰ區降水模型如下：

r=221.4x-8.1y+0.2h+0.9p+0.01a-23 927.9

式中，r為年降水量（mm）；x為經度（°）；y為緯度（°）；h為高度（m）；p為坡度（°）；a為坡向。

從建立的模型來看，降水與高度、坡度、坡向呈正相關關系，地形高度每增加100 m，降水量增加20 mm/年。將建立的降水模型帶入地形資料，得到Ⅰ區降水的空間分布（圖4）。

圖4 模擬的Ⅰ區降水空間分布

運用相同方法，分別建立各區降水模型，如表1所示。

將建立的各區降水模型帶入地形資料，得到各區降水的空間分布，再利用ArcGis 合并功能，將各區降水進行合并處理，最終得到考慮復雜地形影響的分辨率為1 km 的湖北省降水空間分布（圖5）。

表1 各區域建立的降水模型

圖5 湖北省模擬年平均降水分布

2.2 降水模型精度檢驗

為驗證各區所建降水模型的準確性，將8 個區域各氣象站點實際降水與模型模擬值進行對比。將各區域氣象站點地理信息帶入建立的降水模型，得到各站點降水模擬值，計算模擬值與實際值的平均絕對百分比誤差（MAPE）及進行相關性分析和顯著性檢驗。從檢驗結果（表2）來看，各區域站點降水實測值與模擬值的相關系數均通過0.01 的顯著性檢驗，相關系數在0.360～0.692，除Ⅴ區外，其他區域相關系數均在0.5 以上。誤差方面，MAPE在7.95%～12.67%。Ⅴ區的降水實測與模擬的相關系數最低，平均絕對百分比誤差也為最大，可能是由于該區域位于湖北省西北部，南部受高大的神農架阻擋，降水條件不僅受地形、地貌等地理要素影響，同時受到整體下墊面作用和局地小氣候等多因素的制約，相互作用和影響較為復雜，故計算的誤差較大。整體統計，模擬的全省降水準確率為89.5%。

同時，將全省2 005 個區域站近3 年平均降水量進行插值，與模擬的降水分布進行對比。由圖6 可以看到，模擬值與實際降水分布趨勢一致，說明建立的降水模型能較好地反映實際降水情況。

表2 各區域所建模型的準確率分析

圖6 湖北省實際年平均降水分布（2016—2018 年）

2.3 降水空間特征分析

從模擬的年平均降水分布圖5 可以看出，全省大部分地區年降水量介于600～2 100 mm，總分布趨勢是北少南多。同緯度相比，平原少，山區多。山區相比，則背風面少，迎風面多。其分布趨勢由北向南呈遞增趨勢，鄂西南、鄂東南、鄂東北3 個區域為降水量最多區域，這與之前普遍認為的湖北省降水最多的鄂西南、鄂東南2 個區域（圖5）有明顯差別。

就降水分區而言，從圖7 可以看到，在鄂東北大別山地區（I 區），降水呈從西向東逐漸增多的趨勢。東北部的大別山區，降水量最大，年降水量達1 700 mm 左右?？臻g降水分布很好地反映了山地降水垂直變化特征，即在達到最大降水高度之前，降水隨海拔增加而增大。這與僅利用全省82 個國家氣象站降水資料建立的降水分布差別較大，后者反映在鄂東北地區降水較為均勻，為1 300 mm 左右（圖8，源自《湖北省公共氣象服務手冊》（2015 版）［13］），未體現地形對降水的影響。

圖7 湖北省中東部區域降水特征分布

圖8 利用湖北省82 個國家氣象站降水資料建立的平均降水量分布

在鄂東南的幕阜山區（Ⅱ區），降水呈從北向南逐漸增多的趨勢，降水量最大值出現在南部高大的幕阜山區，以通山、通城、崇陽三縣南部靠近幕阜山脈的部分降水量最多，年降水量為1 800 mm 左右，較僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數值偏多200～300 mm/年，也是湖北省降水量最多的地區之一，是有名的“暴雨窩子”。從東南部太平洋攜帶的暖濕氣流遇到幕阜山脈的阻擋，水汽在地形抬升過程中形成降雨，造成該區域降水量豐富。在Ⅲ區，降水隨地形呈帶狀分布，降水量大值區分布在北部的桐柏山、中部的大洪山及西部與鄂西山地交界的山地處，年降水量高值區在1 600 mm 左右。在江漢平原（Ⅳ區），降水呈現東多西少的特征，高值區在武漢、鄂州等地，年降水量在1 700 mm 左右。

從圖9 可以看到，鄂西北區域（Ⅴ區）降水普遍偏少，年降水量在690～1 300 mm，降水高值區域位于遠安、南漳等地，大部區域年降水量在800 mm 左右。在神農架林區（Ⅵ區），由于西南部高大的大巴山脈阻擋，從西南部印度洋輸送的水汽爬升，在該區域的南部降水較多，年降水量在1 500 mm 左右。水汽翻過大巴山后，降水量在東北部區域隨著海拔的降低而減少。

三峽河谷地區（Ⅶ區），降水量在河谷兩側逐漸增加，且河谷南側（巴東、秭歸、宜都）的降水量大于北側（興山、夷陵、當陽）。鄂西南（Ⅷ區）以鶴峰區域降水量最大，年降水量達2 000 mm（較僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數值偏多300～400 mm/年），這也是全省降水量最多的區域。從地形方面分析，鶴峰縣境內地形西北高、東南低，多山間小盆地，平均海拔1 147 m，是湖北省高山縣之一，東南方向輸送來的水汽，沿武陵山脈一路抬升，使得該地降水充沛。

此外，部分山地丘陵地區受地形影響，降水明顯多于周邊區域，說明山區降水在達到最大降水高度之前，降水量隨海拔升高而增加。

圖9 湖北省西部山區降水特征分布

3 小結與討論

本研究利用湖北省2 005 個區域自動站和82 個國家氣象站近3 年降水數據，結合DEM 經度、緯度、高度、坡度、坡向5 類地形因子，分8 個區域分別建立了降水模型，并進行了檢驗，得到如下結論。

1）模擬的湖北省年降水分布特征與實際降水分布較為一致，建立的模型模擬降水準確率為89.5%，所建模型能較好地反映實際降水情況。

2）全省大部分地區年降水量總分布趨勢是北少南多。同緯度相比，平原少，山區多。山區相比，背風面少，迎風面多。鄂西南、鄂東南、鄂東北3 個區域為降水量最多區域，這與之前普遍認為的湖北省降水量最多的鄂西南、鄂東南2 個區域有明顯差別。

3）考慮山地、經緯度等影響要素后，模擬的年降水量在山區數值明顯較之前僅通過國家氣象站降水資料建立的降水量分布數值偏多，其中，在鄂東南區域數值偏多200～300 mm，在鄂西南區域偏多300～400 mm，在鄂東北區域偏多300 mm 左右。

4）所建立的湖北省降水分布模型能反映出高海拔地區降水量明顯高于周邊低海拔區域的特征。