基于DEM的四川省地面气象台站地形特征分析

黄晓龙 , 徐晓莉 , 吴 薇 , 龙柯吉 , 王丽伟

（1. 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072；2. 四川省气象探测数据中心, 成都 610072；3. 四川省气象台, 成都 610072；4. 吉林省气象信息网络中心, 长春 130062）

引言

地面气象台站是整个气象观测体系的基础，为气象预报预测、应用服务和科学研究提供数据支撑。然而台站的观测记录受到仪器设备、周边环境等多种因素影响[1-6]，地形是最为重要的影响因素之一[7-9]，特别是在地形复杂的山区，地形使得气象要素空间分布不均，影响天气现象的发生发展过程。因此，观测台站的地形信息是数据应用不可或缺的元数据[10-11]。我国从2002年开始十分重视气象台站元数据信息的建设，颁布有气象台站历史沿革数据规范[12-13]，但仅含台站的海拔高度信息，而地形特征的相关数据极度缺乏，且部分气象台站的地形数据为估测，不能准确地定量化表征台站所处的地形信息。随着自动气象观测站建设的逐步加快，站网规模日益增大，特别是复杂地形气象灾害频发区，对观测台站地形信息的及时获取提出了迫切需求。

数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟[14-15]，且精度越来越高，为任意位置地形特征的提取提供可能。过往研究主要集中在提取特定区域的地形特征和DEM尺度效应对地形因子提取结果影响等方面。例如，薛凯凯等[16]采用5 m分辨率的DEM数据提取黄土崾岘进行研究，结果揭示了DEM数据对黄土高原沟壑区表达具有很好的适用性。郭佳等[17]、玉院和等[18]基于不同分辨率的DEM数据，探讨了尺度效应下的地形特征，研究发现不同水平分辨率的DEM对地形因子的提取结果有一定影响。许宝荣等[19]利用DEM数据提取黑河流域降水观测台站的地形起伏度，对台站的区域代表性进行研究，结果表明降水台站的地形代表性取决于区域台站数量及其空间分布，尤其是地形的复杂程度。

总的说来，国内利用DEM数据对气象台站地形特征提取的研究不多，尤其是四川这种地形复杂且天气多变的地区，究竟观测台站所处的地形特征怎样？为了研究这个问题，本文以DEM为数据源，获取四川省内地面气象观测站的站点海拔高度，并利用观测站点实测海拔高度对DEM数据的精度进行验证，在此基础上进一步提取观测台站的坡度、坡向、地形粗糙度等地形因子，按不同站网类别和地形特征进行分析，以期为气象站网布局优化、资料分析和应用提供必要的元数据信息。

1 研究区概况及地面气象观测站点分布

四川省地处青藏高原和长江中下游平原的过渡带，地势由西北向东南呈梯状下降。区域内有平原、丘陵、山地和高原4种地貌类型。西部为高原和山地，海拔多在3000 m以上；东部以盆地和丘陵为主，海拔多为500~2000 m。图1给出了四川地区海拔高度（图1a）及不同站网（图1b~d）分布，可以看出气象观测台站盆地分布相对集中，而川西高原地区相对稀疏且分布不均。

图1 四川地区海拔高度（a）和地面气象站点（b. 国家级气象观测站， c. 区域自动气象考核站，d. 区域自动气象非考核站）空间分布

2 资料与方法

2.1 数据资料

地面气象观测站点的经纬度信息、站点类型标识及实测海拔高度均来自于四川省气象探测数据中心站网管理平台（http://10.194.17.146/stationIndex）。DEM资料来自四川省气象探测数据中心，分辨率为90 m，地理坐标为CGCS_2000，基准面为D_2000。地面气象观测站按台站级别，由156个国家级气象观测站（下文简称国家站）和5128个区域自动气象站所组成，按站点的分布、环境特征和资料用途等进行分类，包括2205个区域考核站和2923个区域非考核站。

2.2 研究方法

（1）台站海拔精度评价方法

将DEM数据在ArcMap软件中转为DEM栅格图层，根据地面气象观测站点所在的经纬度，提取观测站点所在DEM栅格的海拔高度，与气象站点实测海拔高度数据进行对比分析。采用相关系数(COR)、平均值误差(BIAS)、平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MRE)和均方根误差(RMSE) ，对提取的气象站点海拔高度的精度进行评价。具体公式如下：

式中：Gi为 DEM数据提取的海拔高度；Oi为站点实测的海拔高度；n为观测台站数；COR越接近于 1，数据一致性越好；BIAS反映所提取的海拔高度与站点实测海拔高度在数值上的偏离程度，负值表明提取的海拔高度低估，反之则高估；MAE和RMSE越接近0，可以说明提取的海拔高度数据越准确；MRE则反映提取的海拔高度与实测海拔高度的绝对差值相对于站点实测海拔的偏离程度。

（2）台站地形因子及提取方法

按站网类别，分别提取国家站、区域考核和区域非考核站的4种地形特征因子，包括任意点的海拔高度，直接反映坡面形态因子的坡度、坡向和反映区域地形信息统计特征的地形粗糙度，所代表的地形特征如表1所示。

表1 地形因子特征

以所提取地形因子的目标栅格为中心，依据刘军等[20]给出的地形因子提取算法，在ArcMap软件中，采用3×3半径的矩形窗口分析方法，得到四川区域不同地形因子的栅格图层，在此栅格图层上，分别提取气象台站经纬度所在的栅格值做为该站的地形特征数据。

3 结果分析

3.1 DEM的台站海拔高度精度检验

为了验证DEM数据在四川省的适用性，本文采用台站实地测量的海拔高度，对DEM数据的精度进行评价。3种站网类别的检验结果如表2所示，国家站、区域考核站和区域非考核站的相关系数 (COR)均在0.988以上，平均值误差(BIAS)均为正偏差，表明DEM数据提取的海拔高度高于台站实测的海拔高度。3种站网类别的平均绝对误差(MAE)在50 m以下，平均绝对百分比误差(MRE)低于7%，均方根误差(RMSE)低于150 m。国家站相对区域自动站误差更小，这可能与国家站的地理数据是由测绘部门实地测定更为精确有关。综合上述统计结果，说明DEM数据提取的台站海拔高度与实测站点的海拔高度具有较好的一致性，所采用的DEM数据能代表四川省的地形高度特征。

表2 精度检验结果

3.2 台站地形特征分析

通过台站实测海拔高度验证DEM数据在四川省的适用性后，接下来本节将进一步利用DEM数据提取观测站点的海拔高度、坡度、坡向和地形粗糙度4类地形特征因子，分别对国家站、区域考核站和区域非考核站所处的地形特征进行分析。

3.2.1 海拔高度

参照已有研究[21]给出的中国地貌划分标准，将台站按所处海拔高度划分为低海拔、中海拔、亚高海拔和高海拔4级，国家站、区域考核站和非考核站在不同海拔高度级别下的台站数和所占该类型台站总数的比例如表3所示。可以看出：3种类型的站点均主要分布在<1000 m的低海拔地区，国家站在低海拔地区的台站数占65.4%，与区域非考核站（64.3%）较为接近，而区域考核站最高为77.8%；在中海拔地区，台站占比依次为区域非考核站、国家站和区域考核站；国家站在>2000 m的亚高海拔和高海拔地区占比均高于区域考核站和非考核站，而区域非考核站又明显高于区域考核站。

表3 四川不同观测站点类别的海拔高度

为了更直观地研究3种站点类别在不同海拔高度的分布情况，本节进一步分析了台站海拔高度的空间分布及台站密度随海拔高度变化特征。图2a、b和c分别为国家站、区域考核站和非考核站所处海拔高度的空间分布，可以看出3种站网类别的台站在低海拔地区分布比较密集，与表3一致，但是国家站相比区域站分布更为均匀。图2d、e和f分别为国家站、区域考核站和非考核站随海拔高度的核密度估计(KDE)分布情况，可以看出：3种站网类别的台站密度分布趋势一致，在海拔高度为500 m左右达到峰值，说明台站在低海拔500 m左右的地区最为集中，然后随着海拔高度的增加而逐渐降低，国家站降低幅度明显小于区域考核和非考核站，进一步体现了国家站相对区域站分布均匀；中海拔地区的台站处在低海拔和亚高海拔、高海拔过渡带，空间分布不明显，但是KDE曲线的变化表明国家站要比区域站变化缓慢，即国家站分布更均匀；在亚高海拔和高海拔地区，国家站的台站数明显低于区域考核站和非考核站，但是国家站的KDE曲线变化相比区域站更平缓，尤其在2000~3000 m几乎没有变化，而区域站的KDE曲线陡降，同样说明国家站在该区域不仅占比高(表3)且分布均匀。综上所述，国家站和区域站均主要分布在低海拔地区，在不同类别海拔高度的地区，国家站都比区域站分布均匀。

图2 3类台站（a、d. 国家站，b、e. 区域考核站，c、f. 区域非考核站）海拔高度空间分布（左）和台站数随海拔高度的核密度估计（右）

3.2.2 坡度

依据国际地理学联合会与地貌制图委员会制定的地貌坡地分类标准，观测台站在不同坡度类型的站数和所占台站总数的比例如表4所示，可以看出：国家站、区域考核和非考核站均在斜坡地形上占比最高，分别占各站网类型台站总数的27.6%、38.0%和36.5%；在平原地区，国家站占比远超过区域站达到了5.8%，区域考核站和非考核站占比十分接近；在微斜坡地形，国家站占比达到了1/4，区域考核站较非考核站占比高，但均比国家站低；在缓斜坡地形，国家站与区域考核站占比接近，均高于区域非考核站；而在陡坡地区，正好相反，即国家站与区域考核站占比接近，且均低于区域非考核站；在峭坡地形，国家站占比为2.6%，比区域站高；在垂直壁地形，无国家站，区域考核站有3个台站，非考核台站仅有1个台站；由平原到斜坡地区，国家站占比达到了81.5%，区域考核站81.7%，国家站与区域考核站接近，区域非考核站占比76.7%，略低于国家站和区域考核站。综上所述，大部分国家站和区域站均分布在坡度<15°的地形上。

表4 四川观测站点在不同坡度级别的分布

接下来进一步分析台站密度随坡度变化及台站所处坡度的空间分布特征。由图3a、b和c可以看出，国家站和区域站所处在平原、微斜坡、缓斜坡和斜坡的台站比较密集，与表4一致。结合图3d、e和f可知，3种类型站网的台站密度随坡度分布趋势一致，在2°左右达到峰值，即说明微斜坡地区台站最为集中。3种站网类型的台站在达到峰值后随着坡度的增加而逐渐降低，国家站降低幅度明显小于区域考核和非考核站，进一步体现了在平原到斜坡地形国家站较区域站分布均匀。在陡坡和峭坡地形，区域站相比国家站分布的台站数多，但较为零散。虽然国家站在峭坡较区域站占比高，但均集中分布在川西高原的阿坝州。在垂直壁地形的区域考核站有2个在大凉山地区，1个在川西的横断山脉，而区域非考核站仅有1个在大凉山地区。综上所述，在平原到斜坡集中了大部分国家站和区域站，且国家站分布较区域站均匀。

图3 3类台站（a、d. 国家站，b、e. 区域考核站，c、f. 区域非考核站）所在坡度空间分布（左）和台站数随坡度的核密度估计（右）

3.2.3 坡向

坡向对各种地面气象要素均有一定的影响[22-23]。将3种站网类型的台站所处位置按平面(无坡向)、阳坡(坡向向南，包括135°~225°)、阴坡(坡向向北，包括315°~45°)、西 坡(225°~315°)和 东 坡(45°~135°)分为5类，分析可知：国家站均具有坡向特征；区域考核站和非考核站分别有5个和4个台站无坡向，说明这些观测站点周边海拔高度无变化，即是台站坡度值为0，地势非常平坦，主要分布在成都平原及周边、凉山州安宁河谷平原。各站网类别坡向台站数和所占比例(图4)可以看出：国家站所处西坡的台站比例最高，占台站总数的29.5%，东坡占比次之（26.9%），阴坡和阳坡占比相对最低（均为21.8%）；区域考核站和非考核站在阴坡和东坡占比基本一致，在阳坡的区域考核站占比（24.4%）高于区域非考核站（22.5%），而在西坡的区域考核站占比（27.6%）低于区域非考核站（29.4%）。总体上，国家站和区域站在各个坡向分布比较均匀。

图4 国家站、区域考核站和非考核站在不同坡向类型的台站数及占比

3.2.4 地形粗糙度

四川国家站、区域考核站和非考核站平均地形粗糙度分别为1.026°、1.024°和1.031°，区域考核站低于国家站和区域非考核站，3种站网类别的台站所处地形粗糙度分布如图5a所示，均介于1.0°~1.05°，其中国家站占比最大（87.8%），区域考核站次之（86.8%），区域非考核站最小（81.9%），表明无论是国家站还是区域站所处地形环境相对平缓。由图5b~d可知，这些台站集中在低海拔的四川盆地、亚高海拔及高海拔的川西高山草原。另外，区域考核站地形粗糙度跨度最大（0°~1.87°），区域非考核站次之（0°~1.75°），国家站跨度最小（1.0°~1.41°）；国家站相比区域站所处的地势更为平坦，这与国家站站址的遴选对周边的地形特征要求更为严格有关。国家站和区域站所处地形越粗糙，坡度值一般也较大，地形起伏明显，地形十分复杂。

图5 不同地形粗糙度对应的3类台站数（a）及空间分布（b. 国家站，c. 区域考核站，d. 区域非考核站）

4 结论与讨论

本文利用DEM数据获取四川地区3种不同站网类别的地面气象观测站点所在位置的海拔高度，与台站实测海拔高度进行精度对比，在此基础上进一步提取观测站点的坡度、坡向和地形粗糙度地形因子，按不同地形特征进行分类分析，得到如下结论：

(1)DEM提取的国家站、区域考核站和非考核站海拔高度与台站实测海拔高度相关系数均在0.988以上，且平均绝对误差在50 m以下，说明该90 m分辨率的DEM数据能较为精确地反映四川地区的海拔高度特征，可为提取地面气象台站的地形因子提供保证。

(2)3种站网类别的台站都主要分布在<1000 m的低海拔地区，国家站占比为65.4%，与区域非考核站（64.3%）较为接近，而区域考核站最高为77.8%，在海拔高度500 m左右最密集，且国家站较区域站分布均匀。在亚高海拔和高海拔地区，国家站较区域站不仅占比高，还更均匀。

(3)3种站网类别的台站所处坡度主要分布在0°~15°，国家站占比为81.5%，区域考核站为81.7%，区域非考核站为76.7%，即台站主要分布在平原到斜坡地形，其中缓斜坡地形台站最集中。在峭坡地形国家站较区域站占比高，且分布集中。在垂直壁地形区域站较少，无国家站。

(4)国家站和区域站在阳坡、阴坡、东坡和西坡各坡向台站分布比较一致。超过81%的台站地形粗糙度在1.05°以内，表明无论是国家站还是区域站所处地势均相对平缓。不管是国家站还是区域站，台站所在地形越粗糙，坡度值也越大，地形起伏明显，地形较为复杂。

综上所述，四川地面气象台站由于交通运输、人口及经济等多重因素，川西高原观测站相对四川盆地稀疏且不均匀，台站所处地形较为复杂，也给资料的使用带来巨大挑战。本文虽对不同站网类别的台站地形特征进行了详尽分析，可为观测资料的应用和站网布局的优化提供参考信息，但还缺乏站点地形对观测资料影响的定量化评价，后续将结合天气和气候进行进一步分析。