基于ArcGIS的晋北黄土高原区降水量时空分布特征研究

吕雁翔

(山西省大同市水文水资源勘测站，山西 大同 037043)

0 引言

降水是水文变化过程的核心驱动源，是大气中水分循环和能量交换的主要组成部分[1]，对水文水资源及生态系统有着重要作用，是影响自然环境和社会经济发展的重要因素之一[2]。降水量变化受自然因素及人类活动等多重因素的影响，相对于全球性的持续变暖趋势，降水变化格局及其区域分异有更大的不确定性和复杂性[3]，已成为水文学和气象学方面的研究重点方向[4]。

降水是山西省水资源的重要来源，是山西省人民生活和经济发展的命脉，晋北黄土高原区作为山西省的特殊区域，其降雨空间分布的不均匀性十分显著，影响区域产流产沙、土壤侵蚀的空间变化[5]。因此，对晋北黄土高原区降水量时空分布特征研究变得十分迫切，有助于合理利用晋北降水资源和有效监管水资源。

1 研究区概况与资料

1.1 研究区概况

本文选取晋北黄土高原大同、朔州市(以下简称“同朔”)15县(区)为研究对象，位于山西省北部盆地中心，晋冀蒙三省区交界处，黄土高原东北边缘；北隔长城与内蒙古自治区乌兰察布市接壤，东与河北省张家口市、保定市相接，西南与省内忻州市毗邻，其中大同市距首都北京市约350 km，距省会太原市约280 km，是山西省重要的能源化工基地之一；辖有南郊区、新荣区、大同县、阳高县、天镇县、浑源县、灵丘县、广灵县、左云县、朔城区、平鲁区、山阴县、怀仁县、应县、右玉县11县4区，总面积24753 km2；属于典型的干旱半干旱地区，降水量小且时空分布不均。

区内河流分别属于海河流域永定河水系、大清河水系和黄河流域黄河水系，主要河流有桑干河、黄水河、御河、淤泥河、十里河、浑河、壶流河、南洋河、西洋河、唐河、沙河、苍头河和偏关河。设有雨量站315处，站网密度达78.6 km2/站。同朔河流水系图见图1。

图1 同朔河流水系图

1.2 选用资料

本文选用研究区1956年～2016年60 a的各雨量站日降水量资料，进行不同系列年均降水量在15县(区)的时空分布情况研究。

2 研究方法

2.1 各县(区)不同系列年均降水量计算方法

首先通过60 a的各雨量站日降水资料得出各站的年降水量，然后基于ArcGIS读取各县(区)纬度分区为1′的左经度、右经度以及相对应的纬度值，形成各县(区)的经纬度网格；将其与各雨量站经纬度以及年降水数据一并输入至通过编程开发好的“经纬网格法面均雨量”计算程序中，运用经纬网格法计算得出60 a各县(区)的年降水量；此后应用算术平均法分别求得1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年各县(区)的年均降水量，其中系列按照第一次、第二次、第三次全国水资源调查评价系列进行间断性划分。

2.2 各县(区)不同系列年均降水量空间分布图绘制方法

本文采用ArcGIS 10.1中文版对各县(区)不同系列年均降水量空间分布图进行绘制。

2.2.1 基础图层准备

将全国山洪灾害调查评价时中国水利水电科学研究院下发的大同市、朔州市以及相关15县(区)的面图层加载至ArcGIS中，命名为“县(区)面”。

2.2.2 不同系列年均降水量数据准备

将通过“经纬网格法”和“算术平均法”计算得到的15县(区)不同系列年均降水量数据进行摘录，可通过两种方法录入至ArcGIS“县(区)面”图层属性表中。

一是右键打开“县(区)面”图层属性表，点击“表选项”下的“添加字段”选项分别添加名称为“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”四个字段，将字段类型均设置为“双精度”；然后点击工具栏的“编辑”—“开始编辑”选项对“县(区)面”图层进行编辑，将摘录出的不同系列年均降水量数据输入至属性表中相应县(区)的位置。

二是将15县(区)1956年～2016年、1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年均降水量数据摘录至excel表中，其中第一列是“县(区)名称”，县(区)名称要与ArcGIS中“县(区)面”图层属性表中的县(区)名称以及顺序一致；第二至五列分别为“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”，将对应系列的年均降水量数据录入至相应位置；在ArcGIS中内容列表右键点击“县(区)面”图层，选择“连接和关联”—“连接”选项，在弹出的对话框中按要求输入相应内容即可。

2.2.3 不同系列年均降水量分布图绘制

不同系列年均降水量数据准备完毕后，双击“县(区)面”图层，打开属性表，选择“符号系统”—“图表”—“条形图/柱状图”，然后选中出柱状图的一个或多个字段，点击“确定”即可生成不同系列的降水量分布柱状图。年均降水量分布图见图2(a)、图2(b)。

(a)1956年～2016年

3 结果分析

由图2(a)可知：1956年～2016年均降水量灵丘县最大为473.5 mm，处于450 mm～500 mm之间，为最强降水状态；浑源县次之为439.0 mm，处于400 mm～450 mm之间，与广灵县435.5 mm、朔城区419.9 mm、应县414.1 mm、平鲁区412.7 mm、右玉县409.8 mm、阳高县403.8 mm并处同一等级，为良好降水状态，最大值与最小值相差35.2mm；其余县(区)左云县399.4 mm、天镇县397.3 mm、山阴县392.2 mm、大同县390.2 mm、新荣区381.0 mm、南郊区375.4 mm、怀仁县374.4 mm降水最弱，处于350 mm～400 mm之间，为最弱降水状态，最大值与最小值相差25.0 mm。同时由图可知，1956年～2016年均降水量从怀仁县、南郊区、新荣区等中间县(区)向东西两侧广灵县与平鲁区不断增大，至最东南端灵丘县达到最大。

由图2(b)可知：1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三系列各县(区)年均降水量略有不同。其中各县(区)1956年～1980系列年均降水量均处于最大；1981年～2000系列除新荣区外，其余县(区)年均降水量均处于最低；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；三个不同系列年均降水量除新荣区外，其余县(区)均呈“浅V”型。同时由图可知，三个不同系列中，灵丘县(498.5 mm、455.2 mm、456.3 mm)、浑源县(466.9 mm、415.1 mm、425.1 mm)、广灵县(467.2 mm、410.5 mm、417.0 mm)的年均降水量均位于前三位，怀仁县(395.6 mm、353.8 mm、367.0 mm)、新荣区(399.1 mm、369.0 mm、368.0 mm)、南郊区(387.7 mm、360.4 mm、374.8 mm)的年均降水量均位于后三位，其余县区系列年均降水量处于中间位置。

由图2(a)和图2(b)对比可知，不论是1956年～2016年60 a长系列均值还是1956年～1980年、1981年～2000年、2001年～2016年三个短系列均值，最大值均位于灵丘县，最小值位于南郊区或者怀仁县。这与实际情况灵丘县地势高、气候湿润，南郊区与怀仁县地势平坦、气候干燥相吻合。

4 结语

本文主要基于经纬网格法、算术平均法和ArcGIS 10.1软件对晋北黄土高原区同朔15县(区)不同系列年均降水量时空分布特征进行研究，并对研究结果进行了详细分析。结果表明，晋北黄土高原区年均降水量小且时空分布极其不均。研究结果的分析对晋北黄土高原区的降水量和水资源的合理利用有着重要的意义。