吳沙沙，韓中陽，姜彥玉

(1.山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 250200；3.山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

研究數(shù)據(jù)為中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的甘肅省內氣象站點逐日觀測資料。鑒于數(shù)據(jù)可得性，并力求所有站點數(shù)據(jù)時間序列同一，選取了25個臺站(圖1)，降水信息的時間跨度為1981-2016年。其中部分臺站資料缺失或不完善，參照常規(guī)方法予以插補[1-3]。研究尺度分為年、季、月三種，其中季節(jié)尺度劃分為：3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12-2月為冬季。通過ArcGIS10.5進行空間分析。

1.2 空間分析方法

降水量具有時空分布地帶性的特點，為衡量其區(qū)域化空間格局，通常采用地統(tǒng)計學方法進行研究。地統(tǒng)計學是Matheron創(chuàng)立的一種空間統(tǒng)計方法，其通過鄰近度觀測檢測空間連續(xù)性變量變量的隨機不恒定變化與空間位置之間的關系，以界定其影響因素的重要性并估測分布特征[8]。半方差函數(shù)(Semivariogram)是地統(tǒng)計學的理論基礎，本研究主要應用其中的面域模式解釋土壤空間變異結構，其計算公式如下：

(1)

式中：h為空間間距； N(h)表示間距為h所有觀測點對數(shù)；Z(xi)和Z (xi+h)分別空間置xi和xi+h處的實測值。設定h=0時，γ(h)的值為塊金方差C0；隨著h的增大，γ(h)維持在穩(wěn)定水平時，該處γ(h)為基臺值C0+C；此時點對間距為變程A0，變量在變程范圍內的臨近空間上具有良好自相關性，超出變程，自相關性消失。塊基比C0/(C0+C)可度量變量空間不恒定性的影響因素的作用大小，即空間結構。根據(jù)變量在局部存在空間自相關性，可對其廣域特征進行估算，即使用Kriging插值法，公式如下：

(2)

式中：Z(x0) 、Z(xi)分別表示表示變量在x0、xi處的估計值、實測值，λ表示臨近點對其影響程度，即權值[2-5]。

2 降水量分析

2.1 降水量經(jīng)典統(tǒng)計分析

基于各站點逐日資料安裝年季口徑進行統(tǒng)計分析，得到云南省季候降水量基本特征(表1)可知?？芍?，云南省年均總降水量達1 082.22±328.88 mm，屬于濕潤區(qū)，其中極大極小值依次為1 732.70、642.67 mm，變化幅度較大，變異系數(shù)達0.31，屬于中等程度變異。夏季降水量約占全年降水量的1/2強，達576.44±172.85 mm，極大極小值為872.03、576.64 mm，變異系數(shù)最小，僅為0.29。秋季降水豐度次之，為256.45±77.81 mm，變異系數(shù)為0.30。春季降水量達197.77±111.90 mm，變異系數(shù)為0.563，表明其年際波動性較大。冬季降水不足全年的1/10，僅為51.37±40.69 mm，其變異系數(shù)最大，達0.79。經(jīng)過K-M單樣本檢驗，年季降水量均通過5%水平信度檢驗，表明其符合正太分布，適宜于采用地統(tǒng)計學方法進行空間分析。

表1 研究區(qū)降水量描述性統(tǒng)計特征

2.2 GS+環(huán)境下降水量空間結構分析

GS+作為專業(yè)地統(tǒng)計分析軟件，涵蓋了指數(shù)Exponential、線性linear、球面Sphracial、高斯Gaussian等多種空間擬合函數(shù)。通過Excel格式文件將變量空間集合導入，通過semivariance分析功能分別計算其在多種函數(shù)模型下的擬合精度，根據(jù)決定系數(shù)R2接近于1、RSS接近于0的原則，選取年季降水量空間最佳函數(shù)，并以5k為步長起算塊金值C0+C、基臺值C和變程Range。得到結果如下所示，可知，就研究區(qū)春季降水量空間分布而言，以球面函數(shù)擬合最佳，其塊金值在60 km步長處達到穩(wěn)定，說明其空間自相關距離較近，在該尺度范圍內降水空間關聯(lián)性強，統(tǒng)計得到其塊金系數(shù)為0.27，接近于25%，說明其具有強烈空間自相關性。研究區(qū)面積廣大，夏季季風活躍且地形、人為活動對氣候的影響更加敏感，依圖可知(圖1)夏季降水量空間自相關范圍較大，約超過150 km，說明西南、東南季風在廣域尺度對降水有影響，其最佳擬合模型為線性，塊金系數(shù)為0.14。區(qū)域空間上的秋季降水量在30 km距離以上其塊金效應趨于穩(wěn)定，符合高斯擬合模型，在0～30 km之間塊金值由0.031迅速增加至0.036，隨后穩(wěn)定在0.17的水平，說明改空間結構中以基臺效應為主，其塊金系數(shù)為0.13，呈現(xiàn)強烈空間自相關性。冬季降水量空間特性以球面模型擬合最優(yōu)，其初始塊金值為0.033，穩(wěn)定塊金值為0.096，變程約為45 km，塊金系數(shù)較小，僅為0.11。受各季節(jié)降水量空間分布綜合影響，研究區(qū)年降水量空間結構性如圖2-e所示，其最佳擬合模型為球面模型，在60 km步長處塊金值趨于穩(wěn)定，說明就年尺度而言，該地降水量自相似距離空間為60 km，超出改范圍，其空間關聯(lián)以及可預測性消失；塊金系數(shù)表明，其屬于強烈空間自相關(0.16)。

圖1 研究區(qū)年/季降水量半方差函數(shù)圖

2.3 ArcMap窗口下降水量空間分布分析

先啟動ArcGis10.5組件中的Arcmap窗口，單擊菜單欄Customize的選項，選擇Extension選項，從中勾選Spatial Analysis功能，從而獲取空間分析權限。再將鼠標放置Arcmap窗口上方空白處并單擊右鍵，從目錄中勾選Geostatistical Analyst模塊，由此開始執(zhí)行地統(tǒng)計分析。選擇地統(tǒng)計導向(Geostatistical Wizard)功能，在Dataset目錄中加載空間矢量文件，在目標Id中選擇降水量，Methods欄中設置為Geostatistical method中的Ordionary Kriging方法，由于前述分析可知該空間序列變量未能通過5%水平達的信心度檢驗，因而在data transportation 中設置為log轉換模式，使之符合地統(tǒng)計分析的正態(tài)分布要求?；谇笆?.2部分分析結果，在優(yōu)化模型里分別選擇表2中的結果，關鍵參數(shù)依次為model type、foot length、C0、C等，設置完成后運行模型，插值得到研究區(qū)降水量空間分布圖，其結果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)年/季降水量空間分布圖

研究區(qū)春季降水量空間分布具有明顯的地帶性特征，其中西北部的貢山附近為高值聚集區(qū)，降水量可達600 mm，由于該地位于藏南河谷地區(qū)，地形自西南向東北傾斜呈斜面漏斗狀，春季時分印度洋上西南季風活躍帶來豐富的水汽，加之東部地形抬升與組歌從而形成雨極，而其他地區(qū)降水量明顯較少。降水量低值區(qū)位于麗江、楚雄、昆明、會澤等滇北地區(qū)，值域介于76～150 mm；隨后降水量由滇中向滇南增加。夏季降水量總體呈現(xiàn)自南向北減少的格局，區(qū)間介于304～872 mm之間，其中勐臘、瀾滄、瑞麗等地夏季降水可達600 mm以上，而西北部的德欽等地降水量最少，僅為304～400 mm，滇中和東北部大部分地區(qū)降水量在400～500 mm之間。秋季雨量帶在夏季的基礎上整體向西南部劇聚集，瀾滄地區(qū)成為雨極，西北部的德欽、中甸等地為干極，其分布趨勢為自西南向東北地帶性減少。區(qū)域冬季降水量介于9～214 mm之間，雨極與春季降水量雨極位置相似，主要受到西南季風控制，而橫斷山東部的楚雄等地受到雨影效應影響，形成干極，降水偏少，介于0～50 mm之間，滇中大部分地區(qū)降水為50～100 mm之間，滇南可達150 mm以上?？臻g差值顯示區(qū)域年降水量值介于642～1 732 mm之間，這與各站點實際觀測范圍(874～1 623 mm)相異，主要由于插值預測過程中產生了信息傳遞誤差，然而這并不影響對降水趨勢面的解析。降水量高值區(qū)呈帶狀沿著西北貢山、滇西南和滇南分布，自此向北-東北方向遞減。

3 結語

云南省地處青藏高原東南向中南半島延伸地帶，由于地理位置特殊性而受到青藏高原高壓、西南季風和東南季風綜合影響，區(qū)域復雜的氣候環(huán)境對降水時空分布產生了深刻影響。統(tǒng)計分析可知，該省降水量集中于夏季，結合省情可知，易于誘發(fā)洪澇、泥石流等自然災害；春季升溫快、作物生產需水量大，而當季降水較少特點造成潛在春旱。云南省地域面積廣大，降水在空間上呈現(xiàn)不均衡分布特點，并且隨著西南、東南季風帶的變化，降水中心也發(fā)生運移。