基于GIS的辽宁环渤海区降雨时空分布特征

张 程

(盘锦市水利勘测设计有限公司，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

降雨是指在大气中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天气现象。大气中的水气几乎全部集中于对流层中，温度越高，大气可以容纳的水汽含量就越多，反之就越少。降雨对农业生产和灌区灌溉制度的制定均具有重要作用[1]。

环渤海地区包括华北平原、黄淮海平原和辽河平原，是我国农业发达地区之一。辽宁环渤海地区是重要的粮食生产地，是全国重要的水稻、油料作物和水果生产基地[2]。在自然条件下，降雨丰富、剧烈，会引发自然水体能够缓慢地从贫营养状态变到富营养状态。但是人类活动对自然环境的影响使大量富含营养物质被排放到自然水体中，随着排放量的增加，自然水体快速进化为富营养水体，与此同时降雨较少则成为半干旱区农业发展的关键限制因素[3-5]。对辽宁环渤海地区的降雨规律进行分析有助于了解该地区降雨的规律继而为灌区指导抗旱和建设绿色生态灌区提供科学的依据。

1 研究数据

数据使用的雨量数据是来自中国气象局东北区域气象中心，选取了辽宁环渤海区域内时间跨度大、数据记录全、空间代表性强的10个气象站(营口站、大洼站、丹东站等10个气象站)。提取了辽宁环渤海区域1960-2015年的历年降雨数据。其他地区采用克里金插值法进行空间插值处理。表1为各气象站的基本概况。

表1 气象站概况

2 研究方法

2.1 累计距平的计算方法

距平是指气候要素值与多点平均值的偏差，比平均值高的数据即为正距平，低于平均值的数据即为为负距平，累计距平为距平值的累加，该指标可以用来判断辽宁环渤海区域1965-2015年间的长期降雨变化趋势，从该图像中能够判断温度突变的大致时间。计算公式如下:

(1)

式中：xi为变量；n为样本数，t为xi所对应的时间，本研究采用5a趋势滑动平均来显示其变化趋势。

2.2 滑动平均法

滑动平均法是一种简单平滑预测方法，其原理是根据时间顺序进行逐项推移，按照次序计算包含一定数量的序列平均值，通过对比就能够得到整个时段的变化趋势。因此，时间序列的数值受周期波动和随机波动影响时，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，便可以使用滑动平均法降低甚至消除这些因素的影响，就能够得到相应数列的变化趋势。

2.3 克里金插值法

ArcGIS空间分析是一个空间知识发现和挖掘的过程；是基于地理对象空间布局的地理数据分析技术。借助ArcGIS的克里金插值工具对辽宁环渤海地区的降雨进行空间分析，获得研究区域降雨更加直观的空间分布。探究降雨在时间上的分布规律可以为不同地区和不同时段降雨对处理水体富营养化提供技术分析。

kriging插值作为地统计学中的一种插值方法。在全面分析考虑数据之间彼此的关系后，对每一个数据赋予各自的权重系数，通过加权平均法得到估计值[6]。克里金插值公式为：

(2)

(3)

同时满足无偏估计的条件：

(4)

3 研究结果

3.1 降雨年际变化特征

通过计算线性趋势法和滑动平均法研究项目地区年降水资料计算得出的降水量年际变化曲线如图1所示。通过曲线可以直观地发现辽宁环渤海地区降水的明显波动变化。1964年研究区域年降雨量最大，为1123.8mm；2014年年降雨量最少，为449.3 mm，在整个时段中，降雨量总体变化为缓慢降低。降速达到11.267mm/10a。多年平均降水量为703.44 mm。

图1 辽宁环渤海地区降水量年际变化曲线

根据辽宁环渤海地区年降水的累计距平曲线的变化特点(见图2)，可以发现在1960-1967年间，年降雨量的累计距平曲线波动增加；从1968-2009年研究区域年降水量的累计距平曲线波动下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整个时段中，辽宁环渤海地区的总体年降雨量累计距平曲线呈波动下降趋势。

图2 辽宁环渤海地区历史年降水累计距平曲线

3.2 基于GIS的降雨空间变化特征分析

统计各个取样点的年平均降雨量数据进行克里金插值分析，得到如图3所示的辽宁环渤海地区将于分布图：

图3 辽宁环渤海地区降雨分布图

从图3辽宁环渤海地区降雨空间分布图中可以看到研究区域降雨量呈现“东多西少”的空间分布特征。所有的研究区域中，营口大石桥地区的降雨量在700mm左右；东部丹东三个取样点的降雨量在750(mm)以上，南部大连地区的降雨量由西向东逐渐增加；锦州南部地区降雨线较为集中，东西降雨量变化较大。

3.3 降雨量年内变化规律

从辽宁环渤海地区10个气象站点得到的气象资料中筛选出每月的平均降水﹐进行了年内的统计分析，分析结果见图4。

图4 辽宁环渤海地区各月份平均降水

由图4可知，研究区域内降水量表现为单峰曲线。降雨量快速上升阶段为1月-7月，在7月份达到了最高峰值。8月-12月降雨量又快速下降，作物生长季(5月份—9月份)5月份年平均降雨量为53.62mm，6月份年平均降雨量为85.17mm，7月份年平均降雨量为187.66mm，8月份年平均降雨量为172.49mm，9月份年平均降雨量为66.57mm。生长季降水最为丰沛，日均降水量达到了3.68mm/d。

辽宁环渤海地区长时间内的年平均降雨量呈现波动下降的趋势，降速达到了11.267mm/10a，该地区属温带大陆性气候，全年降雨总体表现为夏秋多冬春少。但由于丹东南面临海，北部又是马蹄形环山，特殊的地理位置和地形因素使得丹东地区的降雨量要略多余其他地区。而凌海、盘锦、大石桥等地区，却由于纬度位置等因素，降雨量低于丹东地区，这就导致了降雨量的东西分布差异。

4 结 论

GIS分析表明，辽宁环渤海地区的年内降雨有较为明显的时间和空间分布差异，研究区域的年平均降雨量呈现波动下降的趋势。从1968-2009年研究区域年降水量的累计距平曲线波动下降；2010年以后又有所升高。但是在1960-2015整个时段中，辽宁环渤海地区的总体年降雨量累计距平曲线呈波动下降趋势。所有的研究区域中，营口大石桥地区的降雨量在700mm左右；东部丹东三个取样点的降雨量在750(mm)以上，南部大连地区的降雨量由西向东逐渐增加；锦州南部地区降雨线较为集中，东西降雨量变化较大。研究区域内降水量表现为单峰曲线。降雨量快速上升阶段为1月-7月，在7月份达到了最高峰值。