三江源地区地形异质性对气候的影响分析

摘 要 基于三江源地区60 m×60 m分辨率的DEM栅格图像资料对该地区表征地形异质性地形起伏度、高程标准差、地表粗糙度指标进行计算分析，根据各气象台站1961—2010年气温资料和降水资料，分析地形异质性对当地的气候的影响。结果表明：三江源地区的地形整体高程高，地表起伏度较大，南部和东南部是地形变化最为剧烈的区域，地形起伏度、高程标准差和地表粗糙度的绝对值均较大;中部和西部地区地势变化小，地形起伏度小，高程标准差和地表粗糙度也较小。在整个研究区域中，纬度相近区域的气候受地形异质性的影响效果明显，地形异质性大的区域气候表征为暖湿，降水多且气温高。

关键词 地形异质性;气温;降水;三江源地区

中图分类号：S16 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.23.070

对于地理研究来说，地形分析是最重要的基础性研究，其在地理学、生态学、人文学、土木学等相关研究中应用广泛，普遍作为最初研究对象，为进一步的研究和分析提供依据。异质性这一概念来源于生物学，地形的异质性可以简单理解为单位面积上地形的变化程度，指的是地形的不同性质和表现。18世纪以来，等高线地形图引入地形研究后，该地形图一直被应用至今，是研究地形情况的重要方法。

地球表面是连续不断的，地形异质性研究的重要数据之一就是DEM栅格数据。在DEM数据栅格单元，地形异质性可以理解为栅格单元内地形的复杂性和变异性，其不仅能够表示单元内地形的形态变异性，又能表现为单元内地形的高程变异[1]。国内外对于基于DEM数据地形分析的研究主要分为2方面：1）对不同尺度DEM数据精确度的研究;2）对DEM数据不确定性引起的问题研究，也就是DEM数据的尺度对地形表达的精度影响和DEM尺度对地形分析、地学模型的影响分析等方面的研究[2-4]。

三江源地區的生态环境原始而独特，对外界的影响敏感而复杂，是中国面积最大的自然保护区，也是世界高海拔地区生物多样性最集中的自然保护区，这一地区的生态多样性保护显得格外重要[5-6]。基于此，研究该地区的地形异质性对气候的影响。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域和数据资料

1.1.1 研究区域

三江源地区是指长江、黄河、澜沧江源头地区，位于青海省南部，青藏高原腹地，以山地地貌为主，山脉绵延、地势高耸、地形复杂，海拔为3 335～6 564 m，地形起伏相对较小，地貌皆受地质构造控制。该地区气候条件特殊，地面寒冷分化作用强烈，但区域内人为因素对自然环境的影响相对较弱，区内的自然植被演替、河流湖泊演变等自然过程基本保持着天然原始的状态，生态多样性突出。

1.1.2 数据资料

获取三江源地区1961—2010年16个气象站观测的气温和降水数据。该16个气象观测点分别是沱沱河、清水河、五道梁、杂多、曲麻莱、玛多、囊谦、玉树、同德、兴海、达日、久治、班玛、玛沁、河南、泽库。为保证数据的连续性和完整性，对各站点的相关数据进行筛选处理，发现贵德、玛沁和泽库气象站数据有缺失，剔除这3个气象站数据，最终获得13个站点的完整数据进行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 地形起伏度

地形起伏度是反映地形纵向变化的指标，指最大高差与最小高差的差值，能在一定程度上反映某地区地形的变化差异和地面的起伏状况[7]。

地形起伏度计算公式如下：

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变形特性，一般定义为地表单元的曲面面积和其在水平面上的投影面积之比。

1.2.3 高程分析

标准差这一数学上经常被使用的参数引用到地形变化的相关描述中时，可以反映某些数据与标准数据的相离情况。高程标准差刻画了高程的变化情况，是栅格单元内地形变异的量度指标，反映了各点高程与高程平均值的离散程度。

在利用高程标准差进行地形描述时，当栅格单元尺寸与山坡坡长接近或一致时，高程标准差反映了栅格单元内地形的高程变异;而栅格单元尺寸与山坡坡长不一致时，高程标准差能给出地貌景观单元的粗糙程度。

2 结果与分析

2.1 地形起伏度

三江源地区地形起伏度处理结果如图1所示。从图中可以看出，整个区域内的地形起伏度较大，特别是在东部和中南部区域的起伏度在图像显示为高亮的白色，起伏度值大，局部地区达到了1 700 m左右，地形落差大，异质性明显。

2.2 地表粗糙度

地表粗糙度计算结果见图2，可以看出，区域内东部和中南部曲率值较高的地方和曲率值较低的地方斑点密集且多变，中部和整个西部的曲率值相对较为单一，相邻区域变化不明显，曲率值在数值上较接近0。说明三江源地区东部和中南部地区凹凸程度多变且凹凸程度较大，地形较为粗糙，而中部和西部地区凹凸程度变化相对于来说较缓和，地形的粗糙度也较平缓。

2.3 高程标准差

通过高程等值线处理描述三江源地区高程变化如图3所示。根据图3等值线处理结果看出，三江源地区高程等值线东部和南部较为密集，变化较大，因而研究区东南部和南部地形起伏变化大，山体坡度大，山体高耸，地形多峡谷、悬崖;西部、北部和中部地区高程值虽然高，属高原山地地形，但是地形纵向变化较小，整体较为平坦。研究区中东部和南部多为河流纵向切割山体形成的巨大峡谷，河流蕴藏势能非常丰富，随着时间的流逝，等值线在这一区域的变化会更加明显;中部、西部和北部地区由于地势相对于平坦，冰川融水不易流出，天然的冻土资源自然形成了很多沼泽、湖泊等湿地类型，湿地资源丰富。区域内的等值线以500 m作为间隔，东部和中南部等高线密集，其他区域等高线稀疏，等高线越密集，地形越是崎岖，起伏度越大，异质性越明显。

2.4 三江源地区气温及降水变化

2.4.1 三江源地区气温变化

根据三江源地区的相关流域范围，对数据较全的13个气象站进行了相关区域划分，具体划分如下：囊谦、杂多属澜沧江源区;达日、兴海、玛多、久治、河南属黄河源区;玉树、曲麻莱、清水河、五道梁、沱沱河、班玛属长江源区。

对三江源地区13个气象台站1961—2010年气温数据进行处理，结果见图4。可以看出，全区域平均气温虽然高低往复，但是整体上升趋势十分显著。说明在全球气候变暖的大背景下，三江源地区气候正在向暖湿方向转变。

2.4.2 三江源地区降水变化

对三江源地区16个气象台站1961—2010年降水数据进行处理，结果如图5所示。可以看出，虽然三江源地区降水量有增有减，但是整个区域的降水增加趋势明显，部分地区降水量急剧增加，21世纪初增加尤为明显。从空间上看，位于东南地区的站点降水增加明显高于其他地区，整个区域的增加趋势大致从东南向西北递减。

2.5 空间异质性对气候变化的影响

在进行分析的过程中，汇总了三江源地区13个气象站的地形信息，三江源地区地形异质性数据和气候数据研究如表1。

對表中的数据利用相关系数进行相关性分析，如表2所示。

由表2可以得出，地形异质性的4个指标对三江源地区的气温和降水的空间分布影响程度为：在气温的空间分布方面，地表粗糙度指标和降水、气温分布均呈负相关关系且对降水的影响较大，而对气温影响不太明显。

相对来说，高程标准差和地形起伏度对气温和降水的空间分布的贡献较大一些，在同一纬度带内，地形异质性大的地区，气候较为暖湿;地形异质性小的地区，气候较为干冷。

3 结论

三江源地区位于世界屋脊——青藏高原腹地，气候类型为典型的山地高原气候，常年气候干冷，地形以山地高原为主。区域内的东部和中南部地形异质性大，地形起伏度大，高程标准差和地表粗糙度也较大，因而降水多，气温高，气候相对暖湿;区域的中部和西部地形异质性小，地形起伏度小，因而气候寒冷，降水稀少，自然情况恶劣。区域的东南部是区域内雨水最丰沛的地区，植被种类、覆盖率和生物种类也均较高，区域的西部是生态环境最恶劣的地区，也是最脆弱的区域。

参考文献：

[1] 韩富江，王德刚，丁维凤，等.DEM栅格单元地形异质性的量度指标研究[J].地理与地理信息科学，2010，26（4）：7-11.

[2] 韩羽.DEM栅格单元异质性对多尺度地形分析的影响[D].西安：西北大学，2009.

[3] 马建超，林广发，陈友飞，等.DEM栅格单元异质性对地形湿度指数提取的影响分析[J].地球信息科学学报，2011，13（2）：157-163.

[4] 高瑞睿，李雪梅，高培.地形异质性对天山山区气候的影响分析[J].干旱区地理，2017，40（1）：197-203.

[5] 李晨松.循环生态——三江源生态系统的保护与建设[J].青海科技，2014（2）：28-31.

[6] 卢慧，丛静，刘晓，等.三江源区高寒草甸植物多样性的海拔分布格局[J].草业学报，2015，24（7）：197-204..

[7] 王让虎，张树文，蒲罗曼，等.基于ASTER GDEM和均值变点分析的中国东北地形起伏度研究[J].干旱区资源与环境，2016，30（6）：49-54.

[8] 常国刚，李凤霞，李林.三江源湿地变化与修复[M].气象出版社，2011.

（责任编辑：刘昀）

收稿日期：2019-07-11

基金项目：地质调查创新平台评估与成果转化项目“退化及未利用土地整治重点实验室前沿发展研究与人才培养”（CDD1918-10）。

作者简介：武丹（1992—），女，甘肃张掖人，硕士，助理工程师，研究方向为土地工程技术、土地信息化。E-mail： 843969970@qq.com。