基于地统计学和GIS的鄱阳湖流域降雨空间差异分析

2013-09-14原立峰杨桂山李恒鹏张增信

水土保持研究 2013年4期

原立峰，杨桂山，李恒鹏，张增信

（1.南京邮电大学地理与生物信息学院，南京210003；2.中科院南京地理与湖泊研究所，南京210008；3.教育部虚拟地理环境重点实验室，南京210046；4.南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室，南京210037）

降雨作为多数地理模型，尤其是分布式水文模型中的主要输入项，其空间分布不均匀性对流域产汇流的形成起着决定性作用，降雨的空间分布规律是影响径流和泥沙模拟的主要因素［1－2］。如何识别在全球气候变化和人类活动双重背景下的水文特征要素变化，找出规律，已成为水文水资源研究中的热点问题之一。由于降雨是一个非常复杂的过程，受到多种因素的影响，具有很强的不确定性，所以降雨的时空分布研究受到众多学者的关注［3－5］。目前，对降雨空间分布特征的研究主要集中在空间插值方法应用［6－8］、新理论和新方法应用［9－10］、地形要素对降雨空间分布的影响［11］等方面。鄱阳湖作为我国最大、也是水质最好的淡水湖，在中国素有“大陆之肾”的美誉，被列为世界湿地和生物多样性保护热点地区，环鄱阳湖生态经济区建设已经上升为国家战略。然而，对于该流域降雨空间分布的相关研究成果尚不多见。本文以搜集到的鄱阳湖流域1960—2008年间16个气象站点逐月降雨实测资料为基础，运用地统计学方法和GIS技术，对流域多年平均降雨、代际降雨以及季节性降雨的空间分布特征进行分析，揭示流域降雨空间变异及规律，从而为该区域水文水资源研究和生态环境建设提供部分理论和实践依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游交接处南岸，地理范围为北纬28°22′—29°45′，东经115°22′—116°45′。鄱阳湖是一个季节性、吞吐性湖泊，它承接赣江、抚河、信江、饶河、修水及其它直接入湖的中小河流来水，经调蓄后由湖口向北注入长江［12］。鄱阳湖流域东、西、南群山环抱，地势较高，与北部低海拔的鄱阳湖区形成一个完整的流域。流域内山地占36%，丘陵占42%，岗地和平原占12%，水面占10%。流域属于东南季风区的亚热带季风气候，气候温和，降水丰沛，雨热同季，四季分明。年平均降水量为1 400～1 800 mm，50%左右的降水集中在4—6月，蒸发量为700～800 mm。流域内降雨径流时空分布不均，年内、年际变化明显，具有明显的季节性和区域性，且洪旱灾害频繁［13］。

1.2 数据预处理与研究方法

鄱阳湖流域降雨月值资料来自“中国气象科学数据共享服务网”（http：∥cdc.c ma.gov.cn／）。搜集鄱阳湖流域内修水、宜春、吉安、宁冈、遂川、赣州、庐山、波阳、景德镇、南昌、樟树、贵溪、玉山、南城、广昌和寻乌共16个国家级气象站1960—2008年逐月降雨资料，按月求和统计出年降雨数据，采用算数平均法对个别站点缺失数据进行插补订正，并利用贝叶斯法对这16个站点的降雨资料进行一致性检验，全部通过95%置信度检验。研究区气象站点分布见图1。

由于地统计分析需要空间数据具有正态分布特征，所以在进行降雨空间插值之前，采用QQPl ot分布图对降雨数据进行分析。对流域16个站点多年平均降雨量数据的QQ图检测结果基本呈一条直线，说明原始数据符合正态分布，无需对其进行变换，可直接用于空间插值。

图1 鄱阳湖流域气象站点分布示意图

本研究采用反距离权插法（Inverse Distance Weighted，IDW）对16个气象站点多年平均降雨及其代际变化进行空间插值，分析流域内降雨的空间分布特征；对1960—2008年流域内16个站点春、夏、秋、冬各季节降雨的平均值、方差和变异系数等数量特征进行统计分析，利用非参数检验Kol mogor ov－Smi mov（K-S）方法检验季节性降雨数据分布特征，分析流域降雨随季节变化的空间差异；用GS＋软件进行变异函数分析，得到参数值，选择最优模型；并利用Arc GIS的地统计分析扩展模块进行降雨空间Kriging插值分析［14］。

2 结果与分析

2.1 流域多年平均降雨量空间分布特征

为了能直观地显示鄱阳湖流域降雨量的空间分布特征，利用Arc GIS软件的Geostatistical Analyst地统计空间分析模块中的IDW插值方法对流域内16个气象站点的多年平均降雨量数据进行空间插值，得到流域平均降雨量空间分布（图2）。

图2 多年平均降雨等值线

从图2中可以看出，年均降雨量等值线图中出现了两个比较明显的极值中心：第一个是以贵溪为代表的1 848 mm高值中心，位于流域东北方向；第二个是以赣州为代表的1 439 mm低值中心，位于流域西南方向。南昌站位于流域西北方向，多年平均降雨为1 560 mm，处于两极值之间。可见鄱阳湖流域降雨量的空间分布整体呈现为由西南向东北，以及由西北向东北梯次递增的趋势。

2.2 流域代际降雨量时空差异特征

为分析流域1960—2008年间不同年代降雨量的时空分异，采用Arc GIS地统计空间分析模块中的IDW插值方法，对16个站点不同年代的降雨分布进行了空间插值，对插值结果按照“Geo metric Interval法”分为10等，插值结果见图3。

从图3中可以看出，1960s流域降雨量空间分布为由西南向东北依次递增，最大降雨量出现在赣东玉山、贵溪一带，可达2 432.49～3 943.95 mm；最小降雨量出现在赣南的赣州、遂川地区，仅1 361.58～1 378.35 mm。1970s的降雨量空间分布依旧是由西南向东北依次递增，但降雨高值中心由赣东玉山一带移至赣北庐山附近，最大值达到1 943.29～2 060.35 mm，降雨低值中心依旧为赣南赣州、吉安一带，最小值为1 430.52～1 478.14 mm。1980s的降雨量空间分布特征和20世纪70年代并无太大差别，降雨高值中心依旧在庐山一带，最大值达到1 896.14～1 950.66 mm，降雨低值中心也依旧是赣南遂川附近，最小值为1 378.7～1 445.28 mm。进入1990s，流域降雨量较20世纪70、80年代明显增多，整个赣北庐山、景德镇、玉山、贵溪一带的年均降雨量都接近2 000 mm或在2 000 mm以上，降雨高值中心庐山站的年降雨量达到2 139.65～2 275.92 mm，降雨低值中心赣南遂川、赣州一带的降雨量也达到了1 496.88～1 588.14 mm。降雨空间分布呈现为由西南向东北的条带式分割特征。从流域降雨的空间分布上可以看出，进入21世纪以后，流域降雨量较20世纪90年代明显减少，流域西部修水、宜春和南部的赣州一带的降雨量较少，仅有1 413.12～1 446.07 mm，而流域北部降雨高值中心庐山一带的降雨量达到1 839.55～1 927.29 mm，赣东部的玉山、贵溪和广昌一带降雨量也比较多，达到1 700 mm以上。

2.3 流域季节性降雨量时空分异特征

区域化变量既有随机性又有结构性，其随机性特征可用经典统计学进行描述，降雨在空间上呈随机分布，其变异系数（Cv）的大小反映了随机变量的离散程度，即可以表征降雨空间变异性的大小。变异系数Cv≤0.1时，呈弱变异性，0.1＜Cv≤1为中等变异性，Cv≥1呈强变异性［15］。统计分析表明，鄱阳湖流域16个气象站点各季节多年平均降雨量属弱或中等变异（表1）。

图3 不同年代降雨量空间插值

表1 鄱阳湖流域16个气象站四季平均降雨量描述性统计

变异函数对区域化变量进行空间变异分析的前提是变量或变量的转化值必须符合正态分布，以消除比例效应。样点原始数据经K-S法检验后的参数值测定认为，流域降雨量显示出一定的偏斜效应（表1）。显著水平值（K-S值）0.05，数据符合正态分布，能直接在变异函数分析系统中使用。

经GS＋7.0软件分析得到鄱阳湖流域降雨空间变异函数模型有关参数值（表2），其中块金效应值（C0）表示小于取样尺度和分析误差等引起的随机方差，C值表示由结构因素引起的结构方差，基台值（C0＋C）表示数据序列的最大方差，反映系统内的总变异。结构效应值C／（C0＋C）表示结构方差占总方差的比例，即数据序列的结构效应，反映出降雨的空间依赖性。通常，C／（C0＋C）＞75%时说明空间相关性极强，其空间异质性主要是由空间结构性因素引起的；在25%～75%时具有中等空间相关性；当＜25%时空间相关性较弱［16］。变程表征了区域变量的空间自相关范围，即流域各站点降雨的空间自相关距离。样本间距小于变程的样点具有空间自相关性，大于变程的样点则不相关。

表2 鄱阳湖流域降雨函数变异模型及其参数

由表2可以看出，春、夏、秋、冬四季的C／（C0＋C）值均大于75%，说明流域季节性降雨的空间相关性强。以秋季降雨指数模型为例，C／（C0＋C）值为82.7%，大于75%，表明降雨具有高度的空间自相关性，是结构性因素和随机性因素共同影响的结果，其中，随机因素的影响占17.3%，结构性因素的影响占82.7%。

选择线性、球状、指数和高斯4种模型模拟研究区域季节性降雨空间变异规律，鉴于最优模型的选择取决于变异函数理论模型的4个拟合参数，首先考虑决定系数R2，其次是残差RSS，然后是变程和块金值的大小。依据该原则，认为高斯模型对于四季降雨空间分布的拟合程度好，其中冬季的拟合系数最低，为0.616，故在该流域应选用高斯模型进行降雨季节空间插值。基于高斯模型的流域各季节降雨模拟结果见图4。

从图4中可以看出，研究区域1960—2008年间各季节降雨中，春季降雨以贵溪、玉山和广昌一带最大，范围为692～724 mm，遂川一带最小，范围为503～545 mm；夏季降雨以庐山一带最大，范围为733～803 mm，遂川、赣州和吉安一带最小，范围为457～491 mm；秋季降雨以庐山、玉山一带最大，范围为287～342 mm；南城、广昌一带最小，范围为188～200 mm；冬季降雨以玉山一带最大，范围为251～262 mm，遂川、赣州、寻乌一带最小，范围为184～195 mm。

图4 流域1960－2008年间各个季节降雨量空间分布

3 结论

利用地统计学方法，结合GIS技术，能够很好地反映鄱阳湖流域1960—2008年间降雨量的时空分异规律。研究表明：（1）鄱阳湖流域年均降雨量形成了两个比较明显的极值中心：一是以贵溪为代表的1 848 mm高值中心，位于流域东北方向；二是以赣州为代表的1 439 mm低值中心，位于流域西南方向。流域多年平均降雨量的空间分布整体呈现为由西南向东北，以及由西北向东北梯次递增的趋势；分析其原因主要与北亚热带气候受大陆冷高压和西太平洋副热带高压影响有关。（2）降雨年代际变化空间差异分析表明：代际降雨高值中心一般发生在庐山和玉山一带，降雨低值中心发生在赣南赣州、遂川一带；（3）降雨季节变化的空间分析表明：鄱阳湖流域16个站点各季节多年平均降雨属弱或中等变异。此外，高斯模型对于四季降雨空间模拟拟合程度好，故在该流域应该选用高斯模型进行降雨季节变化空间插值。

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