复杂地形气候区降水量等值线绘制方法研究

　　摘要：降水量等值线是反映水资源变化规律的重要方式，也是推求无资料地区水文要素的重要参考依据。然而，在地形复杂、气候多样的地区，采用常规方法绘制降水量等值线存在一定困难。以云南省为例，通过分析实测降雨资料变化规律，研究复杂地形气候区降水量等值线绘制方法。研究表明：依据水汽输送情况和降雨分析成果，采用ArcGIS软件自动绘制与人机交互经验修订相结合的方式，绘制出的等值线符合降水空间分布特性。研究成果可为水资源空间分布规律的研究提供依据，为我国第三次水资源调查评价等值线图绘制提供技术支撑。

　　关键词：降水量等值线;绘制方法;ArcGIS;复杂地形气候区;云南省

　　水資源调查评价是国家自然资源调查的重要内容。近年来，我国水资源保护问题突出、水安全形势严峻，迫切需要开展水资源调查评价工作，以摸清各地区水资源的变化状况，为今后制定水资源战略规划、实施重大水利工程建设、落实最严格水资源管理制度、促进水生态文明建设提供可靠的基础。近期，全国开展了第三次水资源调查评价工作，降水量等值线图绘制是地表水资源评价的一项重要工作任务[1]。

　　20世纪80年代，全国第一次水资源评价时，依据雨量站位置和降水量数值在纸质地图上手工绘制等值线图，采用求积仪逐块量算区域降水量，工作繁琐、人工耗费大。21世纪初，随着计算机技术应用的普及和提高，谢伙生等[2-4]开始研究计算机编程自动绘制等值线技术。近年来，在区域水资源评价中，技术工作者利用各种插值方法和成熟软件，自动生成降水等值线图[5-6]。其中，ArcGIS软件功能较强，具有较好的分析、编译矢量数据和空间数据的功能，在实际工作中得到了广泛应用[7-14]。

　　软件自动绘制等值线通常适用于平原地区，在地形气候条件复杂的地区，自动绘制的等值线尚无法准确地反映地形和气候条件的影响，需要进行人工修正。本文以云南省为例，在ArcGIS软件生成的等值线图基础上，充分研究区域降水时空分布特征，利用人工经验进行人机交互修订，绘制的降水量等值线图能够尽可能符合云南高原山区降水分布特性。

　　1 研究背景

　　1.1 研究区概况

　　云南省位于青藏高原东南和云贵高原西部，境内山高谷深、地形复杂，特别是元江河谷和云岭山脉一线以西部分，是横断山脉纵谷区，相对高差大，形成了复杂的地形气候区;其所处的地理位置也是孟加拉湾西南暖湿气流进入我国的唯一通道，水汽含量丰富。因此，云南省复杂的地形形成了独特的气候特性，全省的降水分布差异较大[15]。云南复杂地形气候孕育了六大江河水系，即长江、珠江、红河、澜沧江、怒江和伊洛瓦底江流域。长江流域横跨云南北部，从西藏进入云南后，自攀枝花到横江为川滇界河;珠江流域位于东部与东南部，与贵州、广西接壤;红河、澜沧江、怒江和伊洛瓦底江流域属于西南诸河，分布在云南西部和南部。其中，滇西北怒江、澜沧江和金沙江从北向南在直线30 km区域穿过，是著名的“三江并流区”。

　　在第一次水资源调查评价时，唐一清等[16]对云南省年降水年径流等值线进行了深入研究，利用1 a多时间，在纸质地图上手工绘制等值线图。在第二次调查评价期间，利用Mapinfo软件矢量化纸质地图，经1 a左右时间，在电子地图上手工绘制等值线图。在第三次水资源调查评价工作中，充分利用ArcGIS技术，采用计算机自动绘制和人工经验交互修订相结合的方式，2个月内就完成了降水量等值线的绘制工作。

　　1.2 数据资料

　　在云南省第三次水资源调查评价工作中，根据站点分布情况，在六大流域范围内共选用2 657个雨量站点资料，分析各年度分区降水量和降水时空分布特征。按照《全国水资源调查评价技术细则》要求，选用降水资料完整且具有同步系列的雨量站点绘制1956～2016年和1980～2016年多年平均降水量等值线图[1]。经插补延长，云南省1956～2016年完整降水系列的站点共434个，站网密度883 km2/个;1980～2016年完整降水系列的站点共984个，站网密度389 km2/个。总体而言，云南省具有长降水系列的雨量站站网密度不大、分布不均匀，对部分地区的降水量变化情况控制不足[17-18]，很多地区仍是水文要素空白区。各流域站点情况见表1。

　　2 研究方法

　　2.1 ArcGIS自动绘制等值线

　　依靠计算机完成ArcGIS自动绘制等值线方法，耗时短，对专业知识水平的要求较低，在水文要素变化不大的平原地区应用效果较好。ArcGIS具有较强的空间数据处理能力，采用该软件提供的样条函数法绘制降水量等值线[19]。

　　样条函数法中，使用二维最小曲率样条法，将点插值成栅格表面，将一个数学函数与指定数量的最近输入点进行拟合，数值稳定性和收敛性较好，自动生成的等值线平滑、美观。

　　2.2 等值线修正方法

　　受复杂地形气候的影响，ArcGIS软件无法识别各地区降水之间的联系，单纯靠软件系统绘制等值线图，会出现螺旋状的高值区或低值区等不合理现象。因此，采用ArcGIS软件初步绘制的等线图为工作基础，根据实测降水量的空间分布特征及变化趋势，结合地形条件和水汽来源，综合分析各条等值线的数值和走向，合理判断其变化趋势，必要时进行修正。

　　在实际运用中，首先在地形气候复杂的横断山脉、乌蒙山脉、哀牢山脉等地区建立降水随高程变化关系，分析雨量站未控区降水量的变化情况。根据高程情况推求降水量数值，作为资料空白区降水量的参考依据。然后根据地形、水汽来源和高程变化情况，调整和修订软件自动绘制的等值线。

　　3 研究成果

　　3.1 自动绘制等值线

　　采用ArcGIS软件绘制降水量等值线，需要准备雨量站的基本要素，如站名、经纬度和年平均降水量等。将1∶25万比例尺的行政分区界线、等高线和雨量站点属性表等基础信息导入ArcGIS软件图层。在工具箱模块“Spatial Analyst Tools”中，选择插值分析的样条函数法分析功能，选择多年平均降水量要素进行插值分析(见图1)。生成空间插值栅格数据后，再选择表面分析工具中的等值线分析功能，将栅格数据中降水量相等的点自动连接成等值线。

　　云南东部为滇东高原盆地区、山岭短小、地形起伏不大，降水站点分布最为密集。自动绘制的降水量等值线基本符合降水地区分布规律，仅在梁王山、拱王山等局部需按照降水數据分析成果进行修订。云南西部和南部属于横断山脉峡谷区及南延地形，通过自动识别连接部分不同气候区相同降水量的点，自动绘制的多年平均降水量等值线图出现局部“各自为图”现象(见图2)。图2中出现多处降水量等值线闭合圈和等值线横跨山脉、斜交河流等不合理现象，不符合降水量地区分布规律。因此，需结合降水数据分析成果和地形气候条件，修订ArcGIS软件自动绘制的降水量等值线图。

　　3.2 等值线人机交互修订

　　受孟加拉湾西南暖湿气流和北部湾东南暖湿气流的影响，云南西南部伊洛瓦底江流域和东南部红河流域是全省两个降水量极高值区。伊洛瓦底江流域实测年降水量可达4 000 mm，红河流域可达3 500 mm。而暖湿气流难以到达的西北部金沙江河谷地带，降水量仅约200 mm。由于地形、气候对降水的影响显著[20]，需研究降水的空间分布特性，为修订等值线提供依据。

　　无实测资料地区等值线绘制需充分考虑地形和气候对雨量的影响，采用降水与高程的关系和地形变化推算等值线分布是绘制等值线的重要依据。根据雨量站实测降水资料和降水量分布规律，分片区建立降水与高程的关系，并推求雨量站空白区的降水分布趋势(见图3)。图3中，Ⅰ线为滇中北部的拱王山，Ⅱ线为昭通地区的南部，Ⅲ线为哀牢山中部，Ⅳ线为五莲峰及横江河谷，Ⅴ线为高黎贡山南部，Ⅵ线为邻近越南的哀牢山南部。

　　根据实测资料，西南部伊洛瓦底江流域的降水量与高程呈正相关关系，河谷高程800 m，高黎贡山山脉高程4 000 m，降水量随着高程的增加由1 200 mm增至4 100mm，降水变化的梯度为91mm/100 m;东南部哀牢山，从海拔950 m的河谷到山顶2 300 m，降水量由1 800 mm增至3 000 mm，降水变化的梯度为89 mm/100m。其他地区降水量分布也采用此方法进行推算。

　　按照图3研究成果以及地区高程，推算云南主要山脉降水量成果(见表2)。以推算的降水量作为参考，再根据水汽输送方向和地形分布情况确定等值线的走向和分布，修订降水量等值线。

　　暖湿气流从西南和东南两个方向进入云南，等值线与迎风坡基本平行。同时受地形的影响，水汽沿河谷输送，等值线与山脉和河谷平行;在绘制高大山脉地区的等值线时要进行适当迂回，避免横穿主山体;在跨越较大河流时，应避免斜交。

　　云南地势北高南低，西南暖湿气流从西部、西南部通过云南进入我国腹地，一部分翻越高黎贡山，一部分从伊洛瓦底江、怒江河谷进入云南。由于地形的抬升作用，在迎风坡形成大量降水;同时受横断山脉地形的影响，水汽沿河谷向北输送，形成南北向的降水等值线分布趋势，见图4(a)。东南暖湿气流从低海拔处进入云南，受地形抬升作用，在国境线一带形成大量的地形雨，降雨分布与地形分布密切，形成东西向的降水等值线分布趋势。在哀牢山、无量山等地形的影响下，暖湿气流沿河谷向北输送，形成西北-东南向等值线分布趋势，见图4(b)。

　　由于实测降水、山脉、河谷等的影响，等值线会有弯曲变形和零碎化，但总体趋势不变。人工经验修订的降水量等值线图线型密实、排列紧凑，符合地形地貌变化特征和降水量地区分布规律(见图5)。

　　3.3 成果合理性分析

　　综合比较ArcGIS软件自动生成的降水量等值线和人工经验修订图可看出，在地形复杂、地势起伏较大的怒江、澜沧江、红河流域等横断山脉地区等值线走势和分布差异较大;地势较平坦的东部地区，则基本一致。

　　根据气候、地形、地理条件的分布规律检查线形分布的合理性，尤其是等值线分布与较大山脉走向、水汽输送方向的符合性;同时，根据降水分布规律，检查等值线高值区和低值区位置的合理性。

　　在地区分布符合地形气候规律的条件下，采用ArcGIS量算降水量等值线，并与逐年计算的分区降水量成果进行比较。1956～2016年降水量等值线图量算成果与水资源三级区套州市计算区的逐年系列多年平均降水量成果误差在-6%～6%之间，平均相差1%;1980～2016年降水量成果误差在-10%～6%之间，平均相差3%。两个系列的等值线图均满足误差不超过±10%的精度要求[1]。

　　4 结 语

　　降水量等值线图是地区降水分布规律的直观表现，在水利工作中应用广泛。因此，绘制降水量等值线图是水资源调查评价的重要工作之一。

　　云南省地形气候复杂，受地形和不同暖湿气流的影响，同一纬度、相同海拔高程地区的降水量差异较大。在复杂地形气候区，采用ArcGIS软件自动生成的等值线与修订后等值线量算值差异较大。由于无法识别各点降水之间的联系，自动绘制等值线图出现局部“各自为图”的现象，线型分布也不符合降水地区分布特性。采用ArcGIS软件自动生成与人机交互经验修订相结合的方式，更适用于绘制复杂地形等值线。该法综合了软件成图快和人工经验丰富的优点，减少了等值线绘制的难度和时间。绘制的等值线符合地区降水空间分布特性，提高了等值线的适用性。

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文章名称： 复杂地形气候区降水量等值线绘制方法研究

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