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地球信息科学学报 >

2014 , Vol. 16 >Issue 4: 575 - 581

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00575

基于GIS的汉江流域水汽输送与降水时空模式研究

  • 梁文谦 ,
  • 易善桢* ,
  • 曾小凡 ,
  • 李宏宏 ,
  • 孙燕
展开
  • 华中科技大学水电与数字化工程学院 数字流域湖北省重点实验室,武汉 430074
*通讯作者：易善桢(1965-),男,教授,博士生导师,研究方向为地理信息科学及水资源。E-mail：

作者简介：梁文谦(1988-),男,硕士生,研究方向为水资源与地理信息系统应用。E-mail：

收稿日期: 2013-04-24

  要求修回日期: 2013-12-20

  网络出版日期: 2014-07-10

基金资助

国家自然科学基金项目(41371368、41101258)

华中科技大学专项基金(1162)

收起

The Spatio-Temporal Distribution of Water Vapor Transport and Precipitation over Hanjiang River Basin Based on GIS

  • LIANG Wenqian ,
  • YI Shanzhen* ,
  • LI Honghong ,
  • ZHEN Xiaofan ,
  • SUN Yan
Expand
  • College of Hydropower and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
*Corresponding author: YI Shanzhen, E-mail:

Received date: 2013-04-24

  Request revised date: 2013-12-20

  Online published: 2014-07-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

水汽输送及降水模式对流域水文模型及水资源研究具有重要意义。汉江流域水资源对南水北调以及下游生态环境有重要影响,研究汉江流域水汽输送和降水的时空分布特征是水文模拟和水资源环境管理的基础。本文利用NCEP/NCAR再分析资料和汉江流域19个气象站点的降水资料,以及GIS数据库和分析工具,分析了汉江流域的水汽通量、可降水量、实测降水量和降水转换率的计算方法;以汉江流域1998年7月的气候再分析资料和降水资料为例,计算并分析了汉江流域1998年7月可降水量与实测降水量的空间分布特征,以及降水转化率的分布特征;探讨了水汽输送、可降水量、实测降水量,以及降水转化率的相关性和空间分布特征。通过分析汉江流域1981-2010年的可降水量和实际降水量的分布表明,汉江流域可降水量与降水量变化趋势基本相同,降水转换率近年有所增加。

关键词： 水汽输送; 可降水量; 降水量; 时空分布; 汉江流域

本文引用格式

梁文谦 , 易善桢* , 曾小凡 , 李宏宏 , 孙燕 . 基于GIS的汉江流域水汽输送与降水时空模式研究[J]. 地球信息科学学报, 2014 , 16(4) : 575 -581 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00575

Abstract

The spatio-temporal distributions of water vapor transport and precipitation are important factors for hydrologic modeling and water resources planning. The precipitation in Hanjiang River Basin is an important factor to South-to-North Water Diversion Project. At the same time, the water resources utilization of Hanjiang River Basin has significant impact on the downstream ecologic environment of Hangjiang River. The research of spatio-temporal distribution of water vapor transport and precipitation is a foundation for hydrologic modeling, water resources utilization and environment management for Hanjiang River Basin. First, a work flowhart was designed based on climate reanalysis data, station precipitation data and GIS. Based on GIS tools, by using NCEP/ NCAR monthly reanalysis data and precipitation data of 19 meteorological stations in Hanjiang River Basin, the paper has provided methods for calculating water vapor transport, precipitable water, measured precipitation and the conversion rate from precipitable water to actual precipitation. Using the climate reanalysis data and precipitation data in the July of 1998 as the experiment data, the spatial distribution of precipitable water, measured precipitation and the conversion rate from precipitable water to actual precipitation were calculated and visualized based on GIS. The spatial changing trends of the distributions are analyzed. The paper has explored the spatio-temporal distribution and relationships among water vapor transport, precipitable water, measured precipitation and the conversion rate. The temporal distribution of precipitable water and measured precipitation during 1981-2010 were analyzed, and the results indicated that the changing trends of precipitable water and measured precipitation are similar, and the conversion rate from precipitable water to actual precipitation has increased in recent years in Hanjiang River Basin.

Key words： water vapor transport; precipitable water; precipitaion; spatio-temporal distribution; Hanjiang River Basin

1 引言

水汽输送和降水的时空模式与大气水资源的汇聚条件直接相关,对于水文建模、干旱研究、洪涝灾害及人工影响天气等有重要意义[1-3]。随着全球气候和流域环境变化的影响,流域水资源受极端天气影响越来越突出,表现出干旱、洪水、土壤侵蚀、土地退化等变化现象[4-5]。汉江是长江最大的支流,汉江流域丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,汉江流域中下游的江汉平原是湖北省重要的经济走廊。汉江流域水资源与环境的变化研究,对社会经济的可持续发展具有重要作用[6-7]。
流域降水模式直接受水汽输送时空结构和分布的影响。水汽输送的特征研究主要是用气象观测再分析资料对水汽输送通量分析,并用矢量场和等值线图表示[8-9]。水汽输送和降水时空模式及其图谱是反映水汽输送和降水特征与时空序列变化规律的一种信息处理与显示手段,时空模式及其图谱已经在水文、土地利用、海洋等领域得到应用[10-12]。近年来,有关文献对不同流域的水汽输送和降水转换率进行了研究[13-14]。但是,对于水汽输送、可降水量、实测降水量、降水转换率及其相关性的时空分布特点还缺乏研究。
本文对水汽输送时空模式进行了研究,提出了方法流程图,给出了水汽通量的计算、可降水量计算、降水转化率计算的公式;并利用NCEP/NCAR再分析资料和汉江流域气象站点实测降水资料,对汉江流域水汽输送和降水模式进行了计算和分析,包括汉江流域水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率的计算及其空间分布,结合部分监测站点数据对各个计算量之间的关系,以及可降水量与实测降水量的时间变化特征进行了分析。

2 水汽输送与降水时空模式的GIS方法

NCEP/NCAR再分析资料是美国国家环境预测中心(NCEP)/国家大气研究中心(NCAR)的气候资料[15]。利用NCEP/NCAR再分析资料,以及水汽输送通量计算公式,结合地面观测数据,利用GIS,研究水汽输送和降水时空模式和分布。

2.1 研究方法及流程

观测数据和再分析资料广泛用于水汽通量的计算。为了分析水汽输送时空分布和规律,本研究利用再分析资料及观测数据与统计分析方法和GIS工具,分析水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率等的时空分布特征,其流程如图1所示。
Fig.1 A flowchart of the research for spatio-temporal distribution of water vapor transport

图1 水汽输送时空模式研究方法及流程图

2.2 水汽输送分析及水汽通量的计算

从地表(ps)到300 hPa厚度的整层大气纬向水汽输送通量(Qu)及经向水汽输送通量(Qv)的计算方法如下[16-17]：
Q u ( λ , ϕ , t ) = 1 g ∫ 300 P s q ( λ , ϕ , p , t ) u ( λ , ϕ , p , t ) dp (1)
Q v ( λ , ϕ , t ) = 1 g ∫ 300 P s q ( λ , ϕ , p , t ) v ( λ , ϕ , p , t ) dp (2)
其中,ps为地面气压;q为比湿;u为纬向风;v为径向风;g为重力加速度。水汽输送通量的单位为kgm-1s-1。

2.3 可降水量的计算

大气可降水量是指任一单位截面积大气柱中所含的水汽质量,它的含义是,如果气柱内的水汽全部凝结降落后,在气柱底部所形成的水层深度,即可降水量。大气可降水量的计算是基于空气比湿对垂直气压的积分,一般计算公式为[18-21]：
W = 1 g ∫ p s p qdp (3)
其中,W为水汽含量(m);g是重力加速度(9.8 m/s2);q为比湿(kg/kg)。由于大多数水汽集中在对流层中下层,因此,取ps=1000 hPa和p=300 hPa进行垂直积分,可得到每个格点整层气柱的水汽含量。重力加速度g= F/m(或F=mg,即重力=质量×重力加速度),气压单位为单位面积上的压力,式(3)的量纲为kg,因为水的密度为1000 kg/m3,因此,可转换为单位面积上的水深(m)[22]。将式(3)改为离散形式:
W = 1 g ∑ i = 1000 300 1 2 ( q i + q i + 1 ) Δ p i (4)

2.4 降水转换率空间分布的计算

从气候学定义的降水转换率的计算公式为[23-24]：
PCE = R W × 1000 (5)
其中,R为总降水量(月、季、年);W为可降水量(月、季、年)。

3 汉江水汽输送与降水时空模式分析

本研究以汉江流域为例,分析水汽输送的时空模式和特征。汉江作为长江中游最大的支流,其上游丹江口水库流域是南水北调中线工程的水源地,研究汉江流域的降水时空分布和变化特征,对于维系汉江流域水资源供需平衡和生态环境可持续发展具有积极意义[25]。研究中采用的数据为1998年7月份的NCEP/NCAR再分析资料的逐日及月平均资料,包括1000~300 hPa 8个标准气压的风场(u,v分量)、比湿q,以及相应的地面气压ps,水平网格为2.5º×2.5º。气象站点资料来自汉江流域19个地面观测站整编资料。汉江流域数字高程模型,以及各气象站的空间分布如图2所示。
Fig.2 Locations of observing stations and digital elevation map of Hanjiang River Basin

图2 汉江流域数字高程模型及气象观测站的分布图

水汽输送的分析步骤为：(1)在GRADS软件中利用1998年7月的逐日再分析资料,计算汉江流域19个气象站点在7月中旬的旬平均水汽输送通量。(2)将汉江流域19个气象站点的旬水汽通量值导入到ArcGIS中,并利用普通克里金插值法得出整个汉江流域的水汽输送通量分布。

3.1 水汽输送分析及水汽通量计算

在GRADS软件中利用1998年7月的逐日再分析资料,将式(1)、(2)编写到GRADS的脚本文件中计算汉江流域19个气象站点在7月中旬的旬水汽输送通量并做出旬水汽通量(图3)。
从1998年7月中旬的整层水汽输送通量矢量场(图3)可看出,汉江流域区域(图3中小方框区域,坐标为30°~35°N,106°~115°E)有来自南部较大的水汽通量,并形成较明显的水汽通量矢量梯度,气流从南边界汇流到汉江流域区域,从东边界和北边界流出。
Fig.3 The vector field of water vapor flux in mid-July of 1998 (kg∙m-1∙s-1)

图3 1998年7月中旬整层水汽通量矢量场(kg∙m-1∙s-1)

3.2 水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率空间分布

水汽通量与可降水量的计算,采用1998年NCEP/NCAR再分析资料中的全球2.5º×2.5º逐日比湿场和地面气压场资料;实测降水量采用汉江流域气象站点数据。将汉江流域19个气象站点的旬水汽通量值、旬可降水量、旬实测降水量数据导入到ArcGIS中,并利用普通克里金插值法得出整个汉江流域的水汽输送通量、可降水量、实测降水量空间分布(图4(a)、(b)、(c))。利用求得的旬可降水量与旬实测降水量空间分布,在ArcGIS栅格计算器工具中求取降水转换率空间分布(图4(d))。
Fig.4 The spatial distribution of climatic variables for Hanjiang River Basin in mid-July of 1998

图4 汉江流域1998年7月中旬气候要素空间分布图

3.2.1 水汽通量空间分布
纬向水汽输送通量(Qu)及经向水汽输送通量(Qv)可由式(1)、(2)计算得到,将两者进行矢量叠加求得汉江流域1998年7月中旬19个气象站点的旬水汽通量值,将值导入到ArcGIS中,利用普通克里金法插值得到水汽通量的空间分布图(图4(a))。由图4(a)可知表明,汉江流域1998年7月中旬水汽输送通量空间分布很不均匀,呈东南多西北少,且有自东南向西北逐渐减少的分布趋势。南北部的水汽输送通量相差257 kg·m-1·s-1,全流域平均水汽输送通量为267 kg·m-1·s-1,最大值出现在东南部的武汉一带,为518 kg·m-1·s-1,最小值出现在西北部的佛坪一带,为261 kg·m-1·s-1。
3.2.2 可降水量空间分布
在GRADS中利用式(4)计算。其中,pi分别为1000、925、850、700、600、500、400、300hPa等压层,Δpi为相应2个等压面之间的气压差,可计算出汉江流域19个气象站点的可降水量。将汉江流域19个气象站点的旬可降水量值导入到ArcGIS中,并利用普通克里金插值法得到整个汉江流域的可降水量空间分布(图4(b))。
3.2.3 实测降水量与降水转换率空间分布
利用汉江流域19个气象站点的实测日降水量数据计算得到旬实测降水量数据,导入到ArcGIS中后利用普通克里金法插值可得到整个流域的实测降水量分布(图4(c))。
根据式(5)和ArcGIS栅格计算工具,利用已经求得的1998年7月中旬的实测降水量和可降水量,即求得降水转换率空间分布(图4(d))。

3.3 水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率之间的关系

图5、6为汉江流域1998年7月中旬汉江流域水汽通量、可降水量、实测降水量(气象站实测)在各气象站的分布图。由水汽输送通量与可降水量分布图(图5)可知,水汽通量与可降水量在空间分布上具有相同的趋势,说明水汽输送是影响区域可降水量多少的重要因素。由旬可降水量与旬实测降水量空间分布图(图6)可知,可降水量与实测降水量值的大小并不一致,说明降水不仅与上空水汽含量相关,还受大气环流和地形等有关成雨因素的影响。可降水量仅表示该地的降水潜能,各地不同的降水转化率主要受气象和地形条件影响。
Fig.5 The distribution of precipitable water and water vapor flux for Hanjiang River Basin in mid-July of 1998

图5 汉江流域1998年7月中旬各气象站水汽输送通量与可降水量分布图

Fig.6 The spatial distribution of precipitation and precipitable water for Hanjiang Basin in mid-July of 1998

图6 汉江流域1998年7月中旬各气象站可降水量与实测降水量分布图

计算汉江流域1998年36个旬的水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率,并在SPSS中计算两两之间的相关系数(r),通过选取8个汉江流域气象站点进行对比(表1),来分析气候要素的相关关系。
结合数字高程图对表1进行分析。表1中选取的8个站点中,汉中、佛坪、石泉位于汉江流域西部海拔较高的地区;南阳、郧西位于汉江流域中部山地与平原的交界区域;钟祥、天门、武汉位于汉江流域东部的江汉平原。比较相关系数值可知：旬降水量与降水转换率之间的相关系数值最大,旬水汽通量与可降水量的相关系数值次之,旬水汽通量与实测降水量及水汽通量与降水转换率的相关系数值较小。在站点分布方面,西部海拔较高的地区的实测降水量与降水转换率相关性较大。在东部的江汉平原地区,水汽通量和可降水量相关性较大。
Tab.1 The correlationship of water vapor flux, precipitable water, precipitation and conversion rate of precipitation in 1998

表1 汉江流域1998年旬水汽通量、可降水量、实测降水量、降水转换率之间的相关关系

站名 水汽通量 水汽通量 水汽通量 可降水量 实测降水量
与可降水量 与实测降水量 与降水转换率 与实测降水量 与降水转换率
汉中 0.764 0.651 0.722 0. 678 0.959
佛坪 0.721 0.565 0.619 0.706 0.960
石泉 0.725 0.577 0.605 0.683 0.957
南阳 0.834 0.559 0.385 0.561 0.911
陨西 0.762 0.309 0.156 0.535 0.812
钟祥 0.865 0.474 0.323 0.500 0.887
天门 0.861 0.451 0.257 0.495 0.870
武汉 0.868 0.267 0.185 0.466 0.931

3.4 可降水量与实测降水量的时间变化特征

利用1981-2010年的NCEP/NCAR的再分析资料和19个气象站点的月平均数据,计算年可降水量和年实测降水量标准化距平演变曲线(图7)。
由标准化距平六项式拟合曲线(图7)可知,汉江流域1981-2010年的年平均可降水量为7961.86 mm,年平均实测降水量为845.37 mm。可降水量与实测降水量总体变化趋势相近,最近几年(2005-2010年)实测降水量较之可降水量有增加的趋势。
Fig.7 Standardized anomaly evolution curve of precipitable water and precipitation in Hanjiang River Basin

图7 汉江流域大气可降水量与降水量标准化距平演变曲线

4 结论

本文利用水文气象资料和GIS研究了水汽输送与降水的时空模式。通过NCEP/NCAR再分析资料,得出的风场、比湿和地面气压来计算水汽通量及可降水量,利用水文气象站观测数据计算实测降水量和降水转换率,并利用GIS地统计和可视化方法分析各变量的时空分布和模式特征。以汉江流域1998年7月中旬为例,进行了水汽通量、可降水量、实测降水量,以及降水转化率的计算,结果表明汉江流域水汽输送通量空间分布很不均匀,呈东南多西北少,且有自东南向西北逐渐减少的分布趋势。汉江流域旬水汽通量和旬可降水量之间都具有明显的相关关系。通过汉江流域1981-2010年的年可降水量、年实测降水量、六项式拟合可降水量,以及六项式拟合实际降水量的分布特征分析说明,可降水量与实测降水量变化趋势基本一致。最近几年实测降水量较之可降水量有增加的趋势,表明近几年的降水转换率有所增加。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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