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    基于TRMM降雨數(shù)據(jù)的西南地區(qū)特大氣象干旱分析

    2010-05-21 11:15:46臧文斌阮本清李景剛黃詩峰
    關(guān)鍵詞:距平旱情百分率

    臧文斌,阮本清,李景剛,黃詩峰

    (中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

    1 研究背景

    據(jù)蘭州干旱氣象研究所[1]分析,2009年秋季,我國西南地區(qū)、華南地區(qū)及東北地區(qū)降水較歷史同期偏少20%~60%,這3個(gè)地區(qū)也是當(dāng)時(shí)我國的3個(gè)主要旱區(qū)。2009年11月以后,受多次降水影響,華南、東北旱情得到極大緩解。而我國西南地區(qū)的降水量持續(xù)較歷史同期偏少,加之該地區(qū)氣溫高、蒸發(fā)量大、土壤墑情差等因素影響,從而導(dǎo)致廣西、重慶、四川、貴州、云南5個(gè)省市(以下簡稱西南5?。└珊祻?qiáng)度持續(xù)加重。據(jù)相關(guān)省份氣象部門報(bào)道,2010年2—3月,云南大部分地區(qū)干旱等級升至百年一遇以上,貴州總體上升至80年一遇,廣西和四川西南山區(qū)也出現(xiàn)了50年一遇的氣象干旱災(zāi)害[2]。截止2010年3月底,云南大部、貴州大部、廣西局部持續(xù)干旱時(shí)間超5個(gè)月,且旱情仍呈加重趨勢。

    干旱在氣象學(xué)上分為氣候干旱和干旱災(zāi)害。通常人們關(guān)注的是干旱災(zāi)害,它是指某一地區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)降水量較歷史同期顯著偏少,且水工程供水不足,從而導(dǎo)致該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動和人類活動受到較大危害的事件。傳統(tǒng)干旱監(jiān)測采用地面臺站觀測的點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)插值成空間的面降水?dāng)?shù)據(jù),不能有效反映降水的空間分布特性。TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間遍布均勻、共享性高、同步性好,尤其適用于大尺度地區(qū)的降水研究。筆者嘗試采用TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)對2010年初我國大部分地區(qū)的氣象干旱進(jìn)行分析。

    2 數(shù)據(jù)

    2.1 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù) TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星是國際上監(jiān)測風(fēng)暴強(qiáng)度數(shù)據(jù)的主要衛(wèi)星之一。TRMM衛(wèi)星搭載的探測儀器有[3]:測雨雷達(dá)(Precipitation Radar,PR)、微波成像儀(TRMM μwave Imager,TMI)、可見/紅外掃描儀(Visible and Infrared Scanner,VIRS)、云和地球輻射能量系統(tǒng)(Clouds and the Earth Radiant Energy System,CERES)、雷電成像傳感器(Lightning Imaging Sensor,LIS)。其中降水雷達(dá)(PR)為裝載于TRMM衛(wèi)星的主動式微波輻射計(jì),PR的工作頻率為13.8GHz,掃描幅度215km,垂直分辨率250m,水平分辨率4.3~5.0km。為延長衛(wèi)星使用壽命,2001年8月,軌道高度從350km調(diào)整到400km。

    TRMM 3B42數(shù)據(jù)集(時(shí)間范圍:1998年1月至今;時(shí)間分辨率:3h、1d、3d、7d;空間范圍:50°S—50°N,180°W—180°E;空間分辨率:0.25°×0.25°)是TRMM衛(wèi)星的三級產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集是用紅外亮溫資料采用3B42算法(詳見http://trmm.gsfc.nasa.gov/)得到的準(zhǔn)全球的降水估量數(shù)據(jù)。TRMM 3B43數(shù)據(jù)集(時(shí)間范圍:1998年1月至今;時(shí)間分辨率:月;空間范圍:50°S—50°N;180°W—180°E;空間分辨率:0.25°×0.25°)是由TRMM 3B42數(shù)據(jù)產(chǎn)品、NOAA氣候預(yù)測中心氣候異常監(jiān)測系統(tǒng)(CAMS)的全球格點(diǎn)雨量測量器資料、全球降水氣候中心(GPCC)的全球降水資料合成。

    2.2 TRMM數(shù)據(jù)有效性 楊傳國等[4]以淮河地區(qū)1998—2000年30個(gè)雨量站實(shí)測逐日降水資料為依據(jù),檢驗(yàn)TRMM 3B42數(shù)據(jù)集降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量,得出降水總量誤差在±6%之內(nèi),兩組序列離散度相近,并且TRMM 3B42降水?dāng)?shù)據(jù)和雨量站觀測降水?dāng)?shù)據(jù)具有較好的空間分布一致性。Md.Nazrul Islam等[5]以1998—2002年孟加拉國31個(gè)雨量站5年降水?dāng)?shù)據(jù)為樣本,對照分析TRMM 3B42數(shù)據(jù),結(jié)果顯示:雨季前TRMM 3B42降水?dāng)?shù)據(jù)偏高,雨季偏低,全年偏低,總體誤差不大。李景剛等[6]以2008年10—12月全國714個(gè)以及2009年1—2月全國667個(gè)地面測站的雨量計(jì)觀測數(shù)據(jù)作為樣本,與對應(yīng)的TRMM 3B43數(shù)據(jù)集的月降水量建立一元線性回歸方程,對樣本地區(qū)降水的有效性進(jìn)行檢驗(yàn),得到3B43數(shù)據(jù)集的月降水量與地面站點(diǎn)觀測的月降水量雖存在一定的偏差,但總體上兩者間存在明顯的線性相關(guān)性,樣本地區(qū)降水觀測整體上具有較好的可信度。通過國內(nèi)外許多學(xué)者[4-13]對TRMM數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn),證實(shí)數(shù)據(jù)可靠性較好,雖精度較地面站點(diǎn)觀測略低,但更適合用于大尺度的水文分析。

    本文以2009年10月—2010年1月全國667個(gè)地面雨量站數(shù)據(jù)(來源于中國氣象局國家氣象信息中心)為標(biāo)準(zhǔn),對TRMM 3B43數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。以雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)為自變量,以對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的TRMM 3B43數(shù)據(jù)為因變量,建立線性回歸方程如圖1。結(jié)果表明:兩者之間存在明顯的線性相關(guān)性,均通過了99%的顯著性檢驗(yàn),TRMM 3B43數(shù)據(jù)整體上具有較好的可信度。本文又以其中的西南5省2009年10月—2010年1月120個(gè)地面雨量站數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)TRMM 3B43數(shù)據(jù)在降水較少典型區(qū)域的可靠性(表1),結(jié)果表明:除2009年10月份誤差稍微偏大外,其余各月誤差均在±4%之內(nèi),TRMM 3B43數(shù)據(jù)與雨量站數(shù)據(jù)降雨過程基本一致。綜上,TRMM 3B43數(shù)據(jù)可靠性較好,可用于大尺度氣象干旱分析。

    表1 西南5省2009年10月—2010年1月月平均降水量

    TRMM衛(wèi)星3B42數(shù)據(jù)集和3B43數(shù)據(jù)集均覆蓋全球南北緯50°間區(qū)域,除我國東北高緯度地區(qū)外均可有數(shù)據(jù)覆蓋。由于3B43產(chǎn)品更新較慢,本文計(jì)算中使用的2010年3月份降水?dāng)?shù)據(jù)采用3B42數(shù)據(jù)累積計(jì)算得出,其余數(shù)據(jù)均采用3B43產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

    3 研究方法

    3.1 降水距平百分率 降水距平百分率能直觀反映降水異常引起的干旱,是表征某時(shí)段降水量較常年同期值偏多或偏少的重要指標(biāo)之一,同時(shí)也是我國氣象干旱評估的主要參數(shù)之一[14]。

    某時(shí)段降水距平百分率(Pa)按式(1)計(jì)算:

    式中:P為某時(shí)段降水量(mm);-P為計(jì)算時(shí)段同期氣候平均降水量。某時(shí)段同期氣候平均降水量-P按式(2)計(jì)算:

    式中:n為1~30年,i=1,2,…,n。

    筆者借鑒李景剛[6]提出利用TRMM數(shù)據(jù)分析干旱的方法,使用ArcInfo、Envi軟件,先將1998年1月—2009年12月共12年(限于TRMM數(shù)據(jù)時(shí)間系列較短)月降水量數(shù)據(jù)作為歷史資料樣本,對每月同期氣候平均降水量-P進(jìn)行求解。然后以2009年9月—2010年3月期間月降水量數(shù)據(jù)為觀測樣本,計(jì)算我國月降水距平百分率和累計(jì)降水百分率分布數(shù)據(jù),并對我國2010年春季干旱和2009年9月—2010年3月氣象干旱空間演變過程進(jìn)行分析。

    3.2 氣象干旱標(biāo)準(zhǔn) 干旱災(zāi)害受自然環(huán)境和人類活動等多種因素影響,是下墊面、冷熱源匯、水汽源匯等共同作用的結(jié)果。由于形成原因復(fù)雜,帶來影響繁多,干旱災(zāi)害判斷標(biāo)準(zhǔn)的制定也十分復(fù)雜。在常見的氣象、農(nóng)業(yè)、水文和社會經(jīng)濟(jì)干旱4種類型中,氣象干旱類型標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算簡單(通常采用降水距平百分率),資料獲取較易,具有較強(qiáng)的時(shí)空適用性。鑒此,本文借鑒馮佩芝[15]、王勁松[16]、韓海濤[14]和衛(wèi)捷[17]等人思想提出基于降水距平百分率的氣象干旱標(biāo)準(zhǔn),見表2所示。

    表2 基于降水距平百分率的氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)

    4 結(jié)果分析

    4.1 全國旱情分析

    4.1.1 全國月降水距平百分率時(shí)空特征分析 利用TRMM 3B42和3B43降水?dāng)?shù)據(jù),計(jì)算得到2009年9月—2010年3月全國各月降水距平百分率分布數(shù)據(jù)(見圖2)。結(jié)合圖2分析得出:2009年9月,全國降水分布較為普遍,各地區(qū)降水距平百分率呈現(xiàn)正負(fù)值交替現(xiàn)象。2009年10月,除青海、吉林、遼寧、海南、四川局部和西藏大部外,我國其它地方降水較歷史同期偏低,且許多地區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于往年。2009年11月,除西藏東部、青海西南、湖南、臺灣、海南、東北大部和西南5省外,我國降水較往年明顯偏高,很大程度上緩解了前段時(shí)期我國大部分地區(qū)的秋旱壓力。2009年12月,我國東北和華南地區(qū)降水較歷史同期偏多,其它地區(qū)偏少。2010年1月,除新疆中部與北部、華北北部、內(nèi)蒙古中東部、廣西、廣東、海南外,其它地區(qū)降水較往年偏少,且許多地區(qū)降水在往年的兩成以下。2010年2月,我國西南地區(qū)及青海、湖北、湖南、內(nèi)蒙古中東部、甘肅南部降水較歷史同期偏少,且許多地區(qū)降水在往年的五成以下。2010年3月,降水較往年偏少地區(qū)主要集中在云南、貴州、四川南部與西部、廣西、廣東、西藏東部、青海中部與東部、湖南與江西南部、遼寧與吉林東部等地。全國各月降水距平百分率分布數(shù)據(jù)可協(xié)助下文的累積降水距平百分率分析我國旱情演變過程。

    4.1.2 全國累積降水距平百分率時(shí)空特征分析 干旱災(zāi)害的一個(gè)重要特征是形成時(shí)間長和影響時(shí)間久。干旱災(zāi)害的形成是長期降水低于歷史同期累積作用的結(jié)果,某月的干旱程度,不僅與當(dāng)月的降水量有關(guān),而且與前期累積降水量也有關(guān)系,為此考慮累積降水距平百分率評價(jià)干旱情況更為合理,逐月累積降水距平百分率圖可展現(xiàn)干旱的具體演變過程。

    分析累積計(jì)算得到的2009年9月—2010年3月期間8個(gè)時(shí)段的全國累積降水距平百分率分布數(shù)據(jù)(圖3),得知我國氣象干旱演變過程:2009年9月—2010年3月,全國降水偏少地區(qū)明顯多于偏多地區(qū),西南5省、西藏東部、湖南中部和南部、甘肅南部、內(nèi)蒙古中部累積降水低于歷史同期20%~70%,旱情嚴(yán)重;由圖3(a)、(b)可以看出:我國2009年秋旱主要分布在我國西南、華南和東北地區(qū);結(jié)合單月降水距平百分率數(shù)據(jù)和圖3(c)分析可得:2009年11月期間,我國華南和東北地區(qū)大部旱情得到極大緩解;結(jié)合單月降水距平百分率數(shù)據(jù)和圖3(g)、(h)可看出:2010年3月,我國西南5省、湖南大部、湖北西北部、河南南部、西藏東部、青海中部和東部、甘肅南部、山西南部仍有不同程度的旱情,其中西南5省旱情和甘肅中東部尤其嚴(yán)重,且持續(xù)時(shí)間較長。

    4.2 西南5省旱情分析 鑒于累積降水距平百分率更為科學(xué)合理,本文以各月距平百分率數(shù)據(jù)為輔助,采用累積降水距平百分率數(shù)據(jù)分析西南5省旱情變化。由于2009年9月西南5省降水較為豐沛,較往年差別不大,本文以2009年10月為起點(diǎn),累積計(jì)算2009年10月—2010年3月期間5個(gè)時(shí)段西南5省累積降水距平百分率分布(圖4),分析我國西南5省旱情發(fā)展如下:

    (1)2009年10月—2010年3月,云南省大部地區(qū)5個(gè)時(shí)段累積降水距平百分率低于-50%,且局部地區(qū)累積降水距平百分率低于-80%,云南大部分地區(qū)旱情十分嚴(yán)重,全省大部分地區(qū)2010年3月災(zāi)情屬重旱。此次旱情從2009年10月開始,持續(xù)時(shí)間長達(dá)半年,據(jù)報(bào)道2010年3月旱情已超過“百年一遇”[2]。

    (2)2009年10月—2010年3月,貴州省大部分地區(qū)5個(gè)時(shí)段累積降水距平百分率低于-25%,局部地區(qū)累積降水距平百分率低于-50%,旱情較為嚴(yán)重,主要集中在貴州南部和西部,全省大部分地區(qū)2010年3月災(zāi)情屬重旱。從2009年10月,貴州降水較往年偏少,持續(xù)時(shí)間長達(dá)半年,據(jù)報(bào)道2010年3月旱情已達(dá)到“80年一遇”[2]。

    (3)由2009年10月—2010年2月累積圖可看出,重慶市大部累積降水距平百分率低于-25%,局部低于-50%,旱情較為嚴(yán)重,全市大部分地區(qū)2010年2月份災(zāi)情屬干旱。由圖4(e)可看出,重慶市南部和北部局部地區(qū)累積降水距平百分率低于-25%,旱區(qū)范圍縮小。結(jié)合圖2(g)分析,2010年3月,重慶中部等區(qū)域降水較往年有所增加,土壤墑情得到改善,當(dāng)?shù)氐暮登橛兴徑?,但由于工程蓄水未得到有效補(bǔ)充,部分地區(qū)人畜飲水依然困難,這些地區(qū)2010年3月災(zāi)情仍屬干旱。

    (4)由2009年10月—2010年1月累積降水距平百分率圖可以看出,2010年1月廣西得到降水補(bǔ)給,前段時(shí)間的旱情得到了極大的緩解。圖4(d)、(e)顯示,此后2個(gè)月廣西累積降水距平百分率累積持續(xù)下降,全省降水較歷史同期大大偏少,廣西西部、北部及東南部累積降水距平百分率低于-25%,西部局部地區(qū)低于-50%,廣西西部局部地區(qū)2010年3月份災(zāi)情屬于重旱,據(jù)報(bào)道廣西局部地區(qū)旱情已達(dá)“50年一遇”[2]。

    (5)從5個(gè)時(shí)段累積圖可得出,四川旱情主要集中在川西南地區(qū),川西南大部分地區(qū)累積降水距平百分率低于-25%,局部低于-50%,川西南局部地區(qū)旱情較為嚴(yán)重,2010年3月份災(zāi)情屬于重旱,據(jù)四川氣象部門報(bào)道2010年3月份川西南地區(qū)旱情已達(dá)50年一遇[2]。

    經(jīng)分析,此次旱災(zāi)形成主要因素如下:旱區(qū)氣溫高、蒸散發(fā)大;旱區(qū)許多水庫靠降雨徑流蓄水,降水長時(shí)期較歷史同期偏少,許多水庫水位已降低至死水位以下,甚至干涸;旱區(qū)大型水庫和骨干水利工程很少,基礎(chǔ)水利工程設(shè)施薄弱;旱區(qū)主要分布在以山區(qū)、丘陵地帶,以雨水養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主,缺乏基礎(chǔ)灌溉設(shè)施,旱情應(yīng)對機(jī)制欠缺;旱區(qū)作物處于高需水生長階段,對水分的依賴性較強(qiáng)。因此,如果后期沒有有效降水,西南5省旱區(qū)干旱強(qiáng)度將愈來愈嚴(yán)重,旱情范圍會越來越大。

    4.3 云貴旱情演變分析 選取云南?。p柏縣和西疇縣)和貴州?。ㄗ显泼缱宀家雷遄灾慰h和安龍縣)旱情較重各兩個(gè)地區(qū)(位置見圖4(e))為研究區(qū),對2009年9月至2010年3月期間降水過程進(jìn)行分析(圖5)。由圖5可以看出:研究區(qū)2009年10月—2010年3月,降水量遠(yuǎn)低于歷史同期水平;自2009年10月以來,研究區(qū)持續(xù)半年基本沒有有效降水,由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造,當(dāng)?shù)卦S多水庫靠降水徑流蓄水,從而導(dǎo)致不少水庫水位降低到死水位以下甚至空庫;在此期間,云南省氣溫較往年平均偏高1~2℃,進(jìn)一步加大了蒸散發(fā)水量的損耗;加之缺乏必要的水利設(shè)施建設(shè)理念,雨水蓄不住,地下水用不上,便造成了該地區(qū)的干旱災(zāi)害現(xiàn)象。

    通過對云南、貴州兩省累積降水距平百分率低于-50%區(qū)域面積變化趨勢(圖6)分析知,云南省累積降水距平百分率低于-50%的面積在逐漸增加,其主要原因是長時(shí)間持續(xù)沒有或僅有較少有效降水,從而導(dǎo)致重災(zāi)區(qū)面積逐漸增加。貴州省累積降水距平百分率低于-50%的面積先減少,2010年1月至2010年3月期間又呈現(xiàn)顯著遞減趨勢;2009年12月面積減少的主要原因是11月有比較充沛的降水,緩解了部分地區(qū)旱情,此后數(shù)月降水大大低于歷史同期,故導(dǎo)致重旱區(qū)面積不斷增加。

    5 結(jié)論與探討

    基于本文構(gòu)建的氣象干旱標(biāo)準(zhǔn),利用TRMM衛(wèi)星3B42和3B43數(shù)據(jù)集對以西南5省為主的我國2009年9月—2010年3月旱情演變過程進(jìn)行了分析,得出結(jié)論如下:

    (1)2010年3月,我國旱情總體比較嚴(yán)重,西南5省尤為突出。除西南5省外,湖南省大部、湖北省西北部、河南省南部、西藏自治區(qū)東部、青海省中部和東部、甘肅省南部、山西省南部仍有不同程度的旱情,其中甘肅、湖南旱情比較嚴(yán)重。

    (2)截止2010年3月底,西南5省除重慶外,均未出現(xiàn)旱情緩解趨勢,旱情可能繼續(xù)發(fā)展,相關(guān)部門應(yīng)密切監(jiān)測旱情發(fā)展動態(tài)。在做好西南5省抗旱同時(shí)不能忽視其它地區(qū)的旱情發(fā)展,抗旱部門應(yīng)統(tǒng)籌好全局抗旱工作。

    利用TRMM數(shù)據(jù)對我國大部分地區(qū)2009年10月—2010年3月的氣象旱情分析和研究區(qū)自然旱情較為吻合,干旱分析效果較好。需要指出的是,由于本文所做分析研究為氣象干旱,與農(nóng)業(yè)干旱等其他干旱類型不同,分析結(jié)果與實(shí)際旱情有一些差別。另外,TRMM的3B42時(shí)間分辨率小,數(shù)據(jù)同步性較好,可用于短期旱情分析;3B43為月降水?dāng)?shù)據(jù),可用于中長期旱情分析。同時(shí),TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率較大,可適用于大尺度旱情分析,對缺乏降水觀測數(shù)據(jù)地區(qū)尤為適用。

    另外需要注意是,TRMM數(shù)據(jù)時(shí)間是UTC時(shí)間,我國與UTC的時(shí)差為+8h。使用3B42數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)注意轉(zhuǎn)換為我國時(shí)間;使用3B43數(shù)據(jù)時(shí),由于合成的月降水?dāng)?shù)據(jù)為UTC時(shí)間,數(shù)據(jù)集在我國使用存在原始誤差,精度要求較高時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎使用此數(shù)據(jù)集。

    [1]蘭州干旱氣象研究所干旱監(jiān)測預(yù)測研究室.2009年秋季全國干旱狀況及其影響[J].氣象干旱,2009,27(4):419-423.

    [2]http://news.sohu.com/20100320/n270960437.shtml

    [3]Kummerow C,Barnes W,Kozu T,et al.The Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM)sensor package[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1998,15:809-817.

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