适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法及应用。所述山区降水测算方法首先获取拟进行降水测算山区的海拔、坡向和坡度，然后根据拟进行降水测算山区的地理位置确定其所在分区，最后应用所属分区的降水垂直分布关系式计算得到拟进行降水测算山区的降水量。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，能够普遍适用于获取位于青藏高原东南缘地区内缺少气象观测站的高海拔地区的降水数据，对泥石流等山地灾害形成区的降水量估算和汇流计算，具有重要的参考价值。
【专利说明】
适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及一种缺气象观测站点的山区降水计算方法，特别是涉及一种适用于青 藏高原东南缘地区、缺气象观测站点的高海拔山区降水测算方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 降水是大气中的水的相变，水汽凝结成雨雪等过程。从降水的形成条件可以看出， 除大气环流外，降水的垂直分布受地理环境影响很大，影响山区降水的地形因子主要是:高 大山脉、地形、海拔高度、坡地方位等。多年来，山区降水一直是研究的难点。
[0003] 针对山区降水，目前众多学者主要采用:①空间插值法。常用的有反距离加权插值 法、全局多项式插值法、局部多项式插值法、径向基函数插值法、克里金插值等方法。插值法 不能充分考虑气象要素空间分布与诸多地理环境要素之间的复杂函数关系，其插值能力 差，误差较大。②统计模型法。即根据实测站点信息，建立降水量与地理位置、地形及气象等 因子间的关系，即研究降水与经度、炜度、海拔高度、坡度、坡向等因子的关系，建立相应的 空间分布方程，能定量反映地形影响下的降水空间分布规律。但目前文献中的统计模型方 法主要是针对3000m以下的降水进行分析，而泥石流等灾害的形成区海拔高度常远超这个 范围，因此现有的统计模型方法在使用范围方面具有一定的局限，并且由于需要的因子较 多，基础数据的收集也相对困难。
[0004] 青藏高原东南缘地区分布着近于平行的、近南北走向的山脉和水系，在这样的地 形条件下，影响山区降水的垂直分布特征的地形因子当中，海拔高度、季风活动所形成的迎 风坡和背风坡、坡度是最主要因素。此区域是泥石流等山地灾害的高发区，要对泥石流等山 地灾害形成区的汇流进行计算，就需要充足的降水数据提供参考。但目前我国山区的气象 站和雨量站多设在河谷低处，在海拔较高的地方雨量测点很少，急需适用于青藏高原东南 缘地区、缺气象观测站点的高海拔山区降水测算方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对青藏高原东南缘高海拔地区缺少气象观测站、无法获得降 水数据的不足，提供一种适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法及应用，该方法 根据缺气象观测站点的山区所在地理位置、海拔高度、坡向和坡度特征用降水垂直分布关 系式计算降水，能够实现获取缺气象观测站点的山区降水数据。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] 本发明提出一种适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法，其技术思路 是:在同一个大山脉内和相似地形形态下，山区降水主要受海拔高度、坡向和坡度的影响， 因此，将青藏高原东南缘地区分为6个分区，同一个分区内（即在同一个大山脉内和相似地 形形态下），存在一个比较适用的降水垂直分布关系式P = a〇+ai X H+a2 X H2+a3 X A+a4 X A2+a5 X B+a6 X B2，该关系式根据已有气象观测站点多年年平均降水量与海拔、坡向、坡度的统计 关系确定;式中，P为降水量(mm)、由气象观测站点降雨资料得到，H为海拔(m)、由实际测量 得到，A为坡向（rad)、由DEM提取得到，B为坡度(rad)、由DEM提取得到，ao、ai、a2、a3、a4、a5、a6 为系数(不同分区内，其关系式的系数不同）。通过已有气象观测站点的降水量与海拔高度、 坡向、坡度建立的统计关系式(6个分区所对应的降水垂直分布关系式有所不同），应用于青 藏高原东南缘地区、缺气象观测站点的山区计算降水;对于缺气象观测站点的山区，分析其 基本特征，确定其在青藏高原东南缘的分区，根据建立的相应分区的降水垂直分布关系式 计算得到其降水数据。
[0008] 上述技术思路的技术依据主要基于:第一，前人建立的降水随海拔高度变化的数 学模型中，具有代表性的是傅抱璞根据半经验理论建立的高斯模式，其本质依然为类抛物 线模式;在类抛物线模式的基础上，海拔高度、坡向、坡度为主因子，建立降水垂直分布的非 线性回归模型。第二，降水垂直分布关系式只适用于青藏高原东南缘的缺测地区，此区的主 体为横断山脉中北段，分布着彼此平行的、近南北走向的山脉和水系，根据山脉和流域进行 分区，同一区域内，能够建立降水垂直分布关系式。第三，根据缺气象观测站点的山区的基 本特征，确定其所在的分区，根据降水垂直分布关系式，能够得到其降水数据。
[0009] 所述降水垂直分布关系式的具体推导过程如下：
[0010] 第一步，采用滑动平均法滤掉数据中频繁起伏的随机误差，探究青藏高原东南缘 降水随海拔高度的变化趋势。即对研究区范围内所有站点的降水数据，按海拔高度从高到 低的变化排序，进行11步滑动平均。用平滑后的降水与海拔高度数据序列进行作图。结果显 示，青藏高原东南缘降水垂直变化并不是简单的随高度线性减少，而是为抛物线型的变化 趋势，即考虑降水P与海拔高度H的关系式为P = ao+ax X H+a2 X H2，ao、ai、a2为系数。
[0011] 第二步，在确定青藏高原东南缘降水垂直变化为抛物线型的变化趋势的基础上， 考虑季风活动所形成的迎风坡、背风坡和坡度对降水的影响，即引入坡向A和坡度B这两个 影响因子。
[0012]第三步，在前两步的基础上，将青藏高原东南缘地区分为6个区域，同一个分区内 (即在同一个大山脉内和相似地形形态下），经相关性检验，存在一个比较适用的降水垂直 分布关系式，即P = a〇+ai XH+a2 XH2+a3 X A+a4XA2+a5 XB+a6 XB2。式中，P为降水量(mm)、由 气象观测站点降雨资料得到，H为海拔(m)、由实际测量得到，A为坡向（rad)、由DEM提取得 到，B为坡度(rad)、由DEM提取得到，ao、ai、a2、a3、a4、a5、a6为系数。
[0013 ]第四步，利用sp s s软件，将各个分区的降水数据P与相应的海拔高度H、坡向A和坡 度B数据，建立分区降水垂直分布关系式。
[0014]所述青藏高原东南缘地区的边界为:西与雅鲁藏布江流域的林芝、波密一带相连， 东部边界是北起龙门山，往南经大渡河、小相岭、锦屏山，到高黎贡山一线，北部边界为曲麻 莱一石渠一甘德一线。在青藏高原东南缘地区，根据空间分布连续性原则，在保证区域气候 特征相对相似性基础上，参照地形(分水岭)划定界线，从西到东，进行分区，具体分为6个区 域，即怒江流域、澜沧江流域、金沙江流域、雅砻江流域、大渡河流域和岷江流域。具体而言， 所述适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法步骤如下：
[0015](一)通过现场GPS(Global Positioning System，全球定位系统)实地测量或利用 GIS(Geographic Information System，地理信息系统）技术从数字高程模型（DEM)上提取 (即先建立DEM，然后利用GIS技术从DEM上提取），确定拟进行降水测算的山区的海拔高度H， 单位m;通过建立数字高程模型(DEM)，确定拟进行降水测算的山区海拔高度H处的坡向A和 坡度B，单位均为rad。
[0016](二)根据拟进行降水测算的山区的所在地理位置、通过河流水系基本单元的地貌 特征，结合利用GIS技术从数字高程模型(DEM)提取的地形、流域形态与分水岭的空间分布， 确定该山区是属于怒江流域，或澜沧江流域，或金沙江流域，或雅碧江流域，或大渡河流域， 或岷江流域。所述怒江流域为米林-洛隆-福贡-泸水一线，所述澜沧江流域为杂多-昌都-兰 坪一线，所述金沙江流域为治多-德格-中甸一线，所述雅砻江流域为甘孜-雅江-盐源一线， 所述大渡河流域为甘德-壤塘-泸定一线，所述岷江流域为若尔盖-黑水-理县一线。
[0017](三)如果拟进行降水测算的山区属于怒江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度 H (单位m)、坡向A(单位rad)和坡度B (单位rad)代入公式P = 1443 ? 187-0 ? 263 X H+9 ? 79 X 10-6 X H2+361.33 X A-47.297 X A2-3745.491 X B+4039.651 X B2计算得到拟进行降水测算的山区 的降水量P，单位mm;
[0018]如果拟进行降水测算的山区属于澜沧江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H (单位m)、坡向A(单位rad)和坡度B(单位rad)代入公式
[0019] P = 4242.051-2.215 XH+2.22 X10_4XH2+
[0020] 1949 ? 504 X A-352 ? 076 X A2-9216 ? 931 X B+12378 ? 636 X B2 [0021 ]计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm;
[0022]如果拟进行降水测算的山区属于金沙江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H (单位m)、坡向A(单位rad)和坡度B(单位rad)代入公式P = -1250 ? 575+0 ? 982 XH-1 ? 41 X 10一4 X H2+7.465 X A+0.479 X A2+484.695 X B-488.259 X B2计算得到拟进行降水测算的山区的降 水量P，单位mm;
[0023]如果拟进行降水测算的山区属于雅砻江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H (单位m)、坡向A(单位rad)和坡度B(单位rad)代入公式P = 3063.093-1.391 XH+2.06X10一4 XH2-24.288 X A+1.996 X A2-236.562 XB+713.528 X B2计算得到拟进行降水测算的山区的 降水量P，单位mm;
[0024] 如果拟进行降水测算的山区属于大渡河流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H (单位m)、坡向A(单位rad)和坡度B(单位rad)代入公式P = 55.214+0.579XH-1.09X10-4X H2-87.343 X A+13.935 X A2+437.648 X B-637.494 XB2计算得到拟进行降水测算的山区的降 水量P，单位mm;
[0025] 如果拟进行降水测算的山区属于岷江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H(单 位m)、坡向A(单位rad)和坡度B(单位rad)代入公式P = 440 ? 453+0 ? 027 XH-8 ? 437 X 10-7 XH2 + 187.412 X A-32.139 X A2+558.147 X B-535.386 X B2计算得到拟进行降水测算的山区的降 水量P，单位mm。
[0026] 本发明方法主要针对青藏高原东南缘内高海拔地区缺少气象观测站点导致基础 气候特征缺乏数据支撑的现状，以年降雨量为突破口，利用海拔高度、坡向和坡度等指标， 寻找青藏高原东南缘年降水量垂直分布的计算方法，为提高该地区降水量时空分布的精 度，更好的服务于该区域防灾减灾工作提供数据支撑，特别是对泥石流等山地灾害形成区 降水梯度分布的计算尤为有效。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:在青藏高原东南缘，以海拔、坡向、坡度为 降水的主因子，通过历史降水资料与海拔、坡向、坡度的统计关系，建立非线性回归模型，进 而得到比较适用的降水垂直分布关系式(不同分区内降水垂直分布关系式有所不同），通过 计算得到缺气象观测站点的山区降水数据，对泥石流等山地灾害形成区的降水量估算和汇 流计算，具有重要的参考价值。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，能够普遍适用于 获取位于青藏高原东南缘地区内缺少气象观测站的高海拔地区的降水数据，且计算结果代 表的是整个区域的年降水量平均值水平。
【附图说明】
[0028] 图1是实施例一中得到的江咀沟降水梯度分布测算结果图。其中，加正方形标记点 的实线表示主沟降水梯度分布，加圆形标记点的虚线表示支沟降水梯度分布。
[0029] 图2是实施例二中得到的拉哇沟降水梯度分布测算结果图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0031] 实施例一
[0032] 如图1所示。江咀沟位于大渡河左岸，沟口距离大渡河黄金坪水电站5km，四川甘孜 州康定县管辖。江咀沟源头海拔约3800m，沟口海拔约1420m，主沟长约19.37km，具有流域面 积大、纵坡降缓、径流区长、支沟发育等特点，具备典型的泥石流沟地形地貌特征。江咀沟主 沟为瓜达沟，在其流域范围内沟道较为曲折，主沟流向变动很大，在下火地附近由南东向转 为近东西向，流经一段距离后，转为南西向，汇入大渡河。清水汇流区为3800m-2800m，物源 区为2800-1800m，1800m以下为流通区和堆积区，麦笨乡上游的两河口至沟源植被发育。支 沟磨子沟沟道顺直，大体为北西流向，发育3条支沟，该沟长约11.64km，沟源海拔约4264m， 于高程1905m汇入主沟。根据卫星遥感图像显示，主沟瓜达沟植被覆盖度较高的地带位于海 拔2700-3000m左右，支沟磨子沟植被覆盖度较高的地带位于海拔2600-3000m左右，大体上 较好反应当地降水最大高度带的分布规律。
[0033] 为了对江咀沟流域泥石流形成区的降水梯度分布进行测算，采用本发明的适用于 青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法对江咀沟流域进行模型验证，计算其降水量的梯 度分布，并验证其最大降水高度带分布的区间。所述山区降水测算方法步骤如下：
[0034]第一步，利用GIS技术从数字高程模型上提取，确定拟进行降水测算的江咀沟的主 沟和支沟海拔高度H为2000-4000m，每隔100m取一个测算点；通过建立数字高程模型，确定 江咀沟相应测算点处的坡向A和坡度B，分别如下表1(主沟)和表2(支沟)所示。
[0035]第二步，根据江咀沟所在地理位置、通过河流水系基本单元的地貌特征，结合GIS 技术从数字高程模型提取的地形、流域形态与分水岭的空间分布，确定江咀沟属于大渡河 流域。
[0036]第三步，将第一步中得到的海拔高度H、坡向A和坡度B代入公式
[0037] P = 55.214+0.579XH-1.09X10-4XH2-87.343 XA+13.935 XA2+437.648XB- 637.494 XB2
[0038] 计算得到江咀沟主沟和支沟海拔2000-4000m之间相应测算点处的年降水量P，具 体计算结果分别如下表1(主沟)和表2(支沟)所示。
[0041 ] 表1江咀沟主沟测算点
[0042]如上表1所示，即绘制得到江咀沟主沟的降水梯度分布测算结果图（图1)。可以看 出，最大降水高度带位于2700m左右，与实际植被分布总体上比较吻合。且由于所取测算点 的具体位置不同，降水量变化不同，如2800m处所取测算点处于沟内拐角较深位置，被高山 遮挡较为严重，所以降水量急剧减少，如3700m、3800m处所取测算点植被状况比3600m好，降 水量比3600m略微增加是符合事实的。
[0044] 表2江咀沟支沟测算点
[0045] 如上表2所示，即绘制得到江咀沟支沟的降水梯度分布测算结果图（图1)。可以看 出，最大降水高度带位于2800m左右，与实际植被分布密集区域大体上吻合。且由于所取测 算点的具体位置不同，降水量变化不同，如支沟2000m处测算点处于沟内平坦地区，四周无 高山遮挡，降水量较大，且对比主沟2000m测算点，其位于高山的阴影内，两者的海拔高度一 致，坡度相差较小，但坡向相差较多，降水量相差较大。
[0046] 实施例二
[0047] 如图2所示。拉哇沟是金沙江左岸的I级支流。该沟口坐标为30° 54. 4 0.0 9 〃 E，流域总体呈E W流向，并以7 3 °夹角汇入金沙江。主沟长度8.13 k m，流域面积 27.77km2。整个流域上游的地形坡度较为平缓，中、下游地形较为陡峭，尤其是沟道下游左 岸地形十分陡峭，为崩塌等的发育提供了有利条件。拉哇沟源头高程4374m，属当地II级夷 平面(海拔4200-4400m)，沟口海拔2532m，流域内大部分海拔高度在3000m以上，相对高差 1842m。谷地2800m以下为干热河谷小叶灌丛，2800-3100m为山地稀树小叶灌丛，再向上逐步 进入寒温性常绿针叶林、高山杜鹃灌丛与高山草甸，3000-4000m的阳坡或半阳坡上以灌丛 为主，阴坡或半阴坡上为亚高山针叶林为主，3800-4400m处为高山草甸植被，4700m左右为 流石滩稀疏植被，4900-5000m为冰雪带。
[0048] 为了对拉哇沟泥石流形成区的降水梯度分布进行测算，采用本发明的适用于青藏 高原东南缘地区的山区降水测算方法对拉哇沟流域进行模型验证，计算其降水量的梯度分 布，并根据植被的分布验证其最大降水高度带分布的区间。所述山区降水测算方法步骤如 下：
[0049] 第一步，通过现场GPS实地测量，确定拟进行降水测算的拉哇沟海拔高度H为2700-4300m，每个100m取一个测算点；通过建立数字高程模型，确定拉哇沟相应测算点处的坡向A 和坡度B，分别如下表3所示。
[0050] 第二步，根据拉哇沟所在地理位置、通过河流水系基本单元的地貌特征，结合GIS 技术从数字高程模型提取的地形、流域形态与分水岭的空间分布，确定拉哇沟属于金沙江 流域。
[0051] 第三步，将第一步中得到的海拔高度H、坡向A和坡度B代入公式
[0052] P = -1250 ? 575+0 ? 982 X H-l ? 41 X 10-4 X H2+7 ? 465 X A+0 ? 479 X A2+484 ? 695 X B-488.259 XB2
[0053]计算得到拉哇沟海拔2700-4300m之间相应测算点处的年降水量P，具体计算结果 如下表3所示。
[0055]表3拉哇沟测算点
[0056]如上表3所示，即绘制得到拉哇沟的降水梯度分布测算结果图（图2)。可以看出，总 体降水的分布随着海拔高度的增加在3400m左右达到最大值，然后又呈下降趋势，这与植被 分布总体上比较吻合。且由于测算点的选取具有一定的随机性，在相同海拔高度上其坡度、 坡向对降水量也有一定影响。
【主权项】
1. 一种适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法，其特征在于:所述山区降水 测算方法步骤如下： (一) 通过现场GPS实地测量或利用GIS技术从数字高程模型上提取，确定拟进行降水测 算的山区的海拔高度H，单位m;通过建立数字高程模型，确定拟进行降水测算的山区海拔高 度H处的坡向A、单位rad，和坡度B、单位rad; (二） 根据拟进行降水测算的山区的所在地理位置、通过河流水系基本单元的地貌特 征，结合GIS技术从数字高程模型提取的地形、流域形态与分水岭的空间分布，确定该山区 是属于怒江流域，或澜沧江流域，或金沙江流域，或雅碧江流域，或大渡河流域，或峨江流 域； (三) 如果拟进行降水测算的山区属于怒江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡 向A和坡度B代入公式 Ρ=1443· 187-0.263XH+9.79X 10-6ΧΗ2+361·33ΧΑ-47·297 ΧΑ2-3745·491 XB+ 4039.651 X B2计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm; 如果拟进行降水测算的山区属于澜沧江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡向 A和坡度B代入公式 Ρ = 4242·051-2·215ΧΗ+2·22Χ10-4XH2+ 1949·504 XΑ-352·076 X Α2-9216·931X Β+12378·636 X B2 计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm; 如果拟进行降水测算的山区属于金沙江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡向 A和坡度B代入公式 P = -1250.575+0.982 X H-1.41 X 10-4 X H2+7.465 X A+0.479 X A2+484.695 X B-488.259 XB2 计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm; 如果拟进行降水测算的山区属于雅砻江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡向 A和坡度B代入公式 P = 3063.093-1.391 X H+2.06 X 10-4 X H2-24.288 X A+1.996 X A2-236.562 X B+713.528 XB2 计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm; 如果拟进行降水测算的山区属于大渡河流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡向 A和坡度B代入公式 P = 55.214+0.579 X H-1.09 X 10-4 X H2-87.343 X A+13.935 X A2+437.648 X B-637.494 X B2 计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm; 如果拟进行降水测算的山区属于岷江流域，则将步骤(一）中得到的海拔高度H、坡向A 和坡度B代入公式 P = 440.453+0.027XH-8.437X 10_7XH2+187.412XA-32.139 ΧΑ2+558. ΗΤΧΒ-δβδ.βδθΧΒ2 计算得到拟进行降水测算的山区的降水量P，单位mm。2. 根据权利要求1所述适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法，其特征在于： 所述青藏高原东南缘地区的边界为:西与雅鲁藏布江流域的林芝、波密一带相连，东部边界 是北起龙门山，往南经大渡河、小相岭、锦屏山，到高黎贡山一线，北部边界为曲麻莱一石 渠一甘德一线。3. 根据权利要求1所述适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法，其特征在于： 所述怒江流域为米林一洛隆一福贡一泸水一线，所述澜沧江流域为杂多一昌都一兰坪一 线，所述金沙江流域为治多一德格一中甸一线，所述雅砻江流域为甘孜一雅江一盐源一线， 所述大渡河流域为甘德一壤塘一泸定一线，所述岷江流域为若尔盖一黑水一理县一线。4. 如权利要求1所述适用于青藏高原东南缘地区的山区降水测算方法的应用，其特征 在于:适用于山地灾害形成区降水梯度分布的测算。
【文档编号】G06F17/30GK105930420SQ201610242788
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】苏鹏程, 韦方强, 董丹丹, 刘晶晶, 孙铭
【申请人】中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所