TRMM數(shù)據(jù)在區(qū)域同期降水趨勢特征分析中的應(yīng)用

李景剛，黃詩峰，李紀(jì)人

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院 遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100048）

1 研究背景

氣候變化帶來降水量的時(shí)空分布變化，對區(qū)域水資源、生態(tài)系統(tǒng)狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生深刻的影響[1-2]。因此，加強(qiáng)氣候變化影響下的區(qū)域降水變化的時(shí)空特征分析，尤其是趨勢特征分析，對于區(qū)域洪旱災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理的研究、防洪抗旱工作的安排、生態(tài)環(huán)境狀況的保護(hù)以及區(qū)域水資源量的合理調(diào)控均至關(guān)重要。通常分析中用到的降水量數(shù)據(jù)，一般是來自于地面氣象站點(diǎn)的觀測[2-4]。但在實(shí)際操作中，由于區(qū)域降水時(shí)空分布的不均勻性，氣象站點(diǎn)數(shù)量的不足以及空間展布的不合理性，往往直接限制了最終分析的準(zhǔn)確性[5]。

作為空基觀測重要手段的衛(wèi)星觀測，由于其具有較大的空間覆蓋性，對全球降水分布能做出時(shí)間和空間上都較為連續(xù)的觀測，因此近年來已成為監(jiān)測全球降水變化的重要手段[6]。其中，熱帶降雨計(jì)劃衛(wèi)星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）因?yàn)槠渚哂杏^測三維降水信息的能力，因此在各種星載傳感器中成為獲取降水資料的首選[7]。但概括起來，當(dāng)前TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)還主要用于區(qū)域降水的空間結(jié)構(gòu)以及季節(jié)變化等方面的研究[6-10]，而利用其時(shí)間序列數(shù)據(jù)開展區(qū)域同期降水趨勢特征分析的研究還相對較少。

因此，本文充分利用TRMM數(shù)據(jù)空間連續(xù)分布的技術(shù)優(yōu)勢，以TRMM 3B43月降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取洞庭湖流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，采用氣候傾向率的方法，對流域1998—2010年間10月份降水量的變化趨勢進(jìn)行分析；進(jìn)而對TRMM數(shù)據(jù)在區(qū)域同期降水趨勢特征分析中的可行性和應(yīng)用前景進(jìn)行揭示。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 TRMM數(shù)據(jù)TRMM是由美國國家宇航局和日本國家空間發(fā)展局共同研制，于1997年11月成功發(fā)射的第一顆專門用于定量測量熱帶、亞熱帶降水的氣象衛(wèi)星。衛(wèi)星設(shè)計(jì)軌道高度350km，傾角35°，能夠滿足對熱帶地區(qū)加密觀測的要求。2001年8月，衛(wèi)星軌道高度從350km調(diào)整為400km，以延長其使用壽命。衛(wèi)星上搭載的用于降水觀測的主要傳感器有：降水雷達(dá)（PR）、被動(dòng)式微波輻射計(jì)（TMI）以及可見/紅外傳感器（VIRS）。其中PR是第一個(gè)星載降水雷達(dá)，能夠觀測降水的三維結(jié)構(gòu)，工作頻率13.8GHz，刈幅220km，星下點(diǎn)水平分辨率4.3km，垂直分辨率0.25km。星上3種儀器不僅可以各自進(jìn)行降雨探測，而且可以相互補(bǔ)充、共同測量[6-7]。

當(dāng)前，NASA/NASDA先后發(fā)展了多種TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)處理方法，并向全球用戶免費(fèi)發(fā)放多種不同級別的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品。在其格點(diǎn)化數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，最小水平分辨率0.25°×0.25°，而最高時(shí)間分辨率3h，數(shù)據(jù)分發(fā)滯后時(shí)間約6h，可向全球中低緯地區(qū)提供近實(shí)時(shí)的降水信息。另外，隨著TRMM衛(wèi)星的軌道調(diào)整，其監(jiān)測范圍也從南北緯35°之間擴(kuò)大到南北緯50°，覆蓋了我國的絕大部分地區(qū)，因此在我國的降水變化監(jiān)測中也發(fā)揮著越來越重要的作用[5，11]。

本文采用的TRMM 3B43月降水量數(shù)據(jù)為由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）的全球降水資料共同合成的覆蓋南北緯50°之間逐月平均的全球格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集（資料等級：Level 3；版本號(hào)：Version 6；水平分辨率0.25°×0.25°）。由于結(jié)合了多種資料，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，每月發(fā)布一次，可由NASA網(wǎng)站（http：//trmm.gsfc.nasa.gov/）免費(fèi)獲得[5，11]。

2.2 研究方法本文中區(qū)域同期降水的變化趨勢采用氣候傾向率來表征，具體計(jì)算方法為[3，12]：設(shè)區(qū)域內(nèi)某格點(diǎn)降水量時(shí)間序列可以用一次直線方程來定量描述，即

式中：Y為降水要素；t為時(shí)間；a0為常數(shù)項(xiàng)。而降水趨勢變化率方程為：

式中：a1為線性趨勢項(xiàng)，a1×10稱作氣候傾向率，其單位為mm/10a。

式（1）中的系數(shù)可通過一元線性回歸來求得。另外，可采用F檢驗(yàn)方法對回歸方程中的線性趨勢項(xiàng)a1分別進(jìn)行α=0.01，0.05和0.1水平下的顯著性檢驗(yàn)。

3 實(shí)例應(yīng)用

在洞庭湖流域，從27個(gè)地面站點(diǎn)（圖1）近30年的降水觀測來看，10月份的流域降水量總體呈現(xiàn)出一定程度的減少趨勢，而這種減少在近期的2003、2004、2005、2007和2009年中表現(xiàn)得尤為突出（圖2），這在影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)也必會(huì)帶來流域四水徑流量的減少。而此時(shí)又正值三峽水庫的汛末蓄水期，在流域降水偏少、三峽工程蓄水的共同作用下，必然帶來最終入湖水量的大幅減少，造成湖區(qū)水面銳減，加重湖區(qū)夏秋連旱程度，進(jìn)而誘發(fā)一系列的生態(tài)安全問題[13-14]。因此，本文選取洞庭湖流域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，以1998—2010年間流域10月份的降水變化趨勢為應(yīng)用實(shí)例，對TRMM數(shù)據(jù)以及氣候傾向率法在區(qū)域同期降水趨勢特征分析中的有效性進(jìn)行分析。具體計(jì)算過程，在ENVI/IDL環(huán)境下通過編程實(shí)現(xiàn)。

3.1 TRMM數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)對局地而言，常規(guī)地面降水仍然是最準(zhǔn)確的測量[5]。此處以1998—2010年間洞庭湖流域27個(gè)測站（圖1）10月份的地面雨量計(jì)觀測數(shù)據(jù)作為“真實(shí)”的降水資料，與與其對應(yīng)的TRMM各格點(diǎn)內(nèi)的月降水進(jìn)行一元線性回歸方程的構(gòu)建，從而對TRMM觀測局地降水的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，各測站的雨量觀測數(shù)據(jù)來自于中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室。

圖3中給出了TRMM和地面測站1998—2010年間10月份降水量的散點(diǎn)圖和線性回歸方程。從中可以看出：TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與地面站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)兩者間存在明顯的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.903，且通過了99%的顯著性檢驗(yàn)；但整體上TRMM降水量要比地面站點(diǎn)觀測的降水量略微偏小，這可能主要是因?yàn)門RMM降水量為各格點(diǎn)內(nèi)的平均值，一定程度上削弱了區(qū)域內(nèi)部部分地區(qū)的降水極值[5]。但總體來講，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在區(qū)域尺度上具有較高的可信度，可以用來對區(qū)域同期降水趨勢特征進(jìn)行分析。

3.2 洞庭湖流域10月份降水趨勢總體特征分析洞庭湖流域地處長江中游以南，南嶺以北，為東南季風(fēng)和西北季風(fēng)交綏地帶，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候（圖1）。其降水主要取決于冷暖氣流的盛衰及其交綏過程和地理位置，而冷暖氣流的交綏及雨區(qū)的移動(dòng)主要受西太平洋副熱帶高壓和冷空氣活動(dòng)的制約。在春夏之交，南下冷氣團(tuán)與暖濕氣流交綏于南嶺一帶，形成靜止鋒，造成持續(xù)陰雨，雨帶停留于流域中部和南部；之后，隨著副熱帶高壓的逐漸增強(qiáng)及其西伸北進(jìn)，雨帶逐漸北移。10月份，全區(qū)均處在副熱帶高壓控制之下，晴熱少雨。尤其是湘、資水中下游和洞庭湖區(qū)，直接受到西太平洋副熱帶高壓的控制，降水量顯著減少；只是流域西部由于地處副熱帶高壓邊緣，降水較多[5]。

圖4（a）為基于TRMM數(shù)據(jù)的1998—2010年間洞庭湖流域10月份月平均降水量空間分布，從中可以看出：流域降水量從東南到西北方向呈現(xiàn)出明顯遞增趨勢。其中，東南大部區(qū)域的月平均降水量較低，基本在50～70mm之間，中部地區(qū)則在70～100mm之間波動(dòng)，而西北部則最高，月降水量均超過了100mm，局部甚至達(dá)到125mm。另外，從流域27個(gè)氣象站點(diǎn)和TRMM所有格點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)來看（圖4（b）—（c）），雖然二者在數(shù)值上存在一定差異，但其變化趨勢均具有一致性，即在1998—2010年間洞庭湖流域10月份平均降水量總體呈現(xiàn)出一定程度的下降趨勢。

3.3 洞庭湖流域10月份降水趨勢空間特征分析圖5（a）中給出了洞庭湖流域基于TRMM數(shù)據(jù)的各格點(diǎn)1998—2010年10月份降水的氣候傾向率。從中可以看出，流域10月份降水氣候傾向率主要介于-101.09～32.67mm/10a之間，其中流域大部分地區(qū)為負(fù)值，即降水主要表現(xiàn)為減少趨勢，只有在岳陽、南縣、常德一帶表現(xiàn)為增加的趨勢；另外，在空間上，流域10月份降水氣候傾向率沿岳陽—常德—吉首—銅仁一線向兩側(cè)呈現(xiàn)出逐漸負(fù)向增加的趨勢，即降水量表現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，其中在流域東南部地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出。

另外，圖5（b）、（c）分別為流域降水氣候傾向率正負(fù)值最高的兩格點(diǎn)在1998—2010年間10月份的降水量變化情況。其中，格點(diǎn)①內(nèi)降水量，在1998—2002年間相對比較穩(wěn)定，基本維持在100mm左右；但在2003—2010年間變化比較劇烈，其中，2007年最低，只有19.6mm，而2010年最高，達(dá)到了214.0mm，兩者變化幅度接近200mm?？傮w上，該格點(diǎn)10月份降水量在1998—2010年間呈現(xiàn)出一定程度的增加趨勢。對于格點(diǎn)②內(nèi)降水量，相反在1998—2002年間變化比較劇烈，其中，2000和2002年的降水量相對較高，分別為244.1mm和285.5mm，為其它年份的5～6倍；但在2003—2010年間，該格點(diǎn)降水量相對比較穩(wěn)定，均低于50mm。總體上，該格點(diǎn)10月份降水量在1998—2010年間呈現(xiàn)出一定程度的減少趨勢。

3.4 洞庭湖流域10月份降水趨勢顯著性檢驗(yàn)圖6（a）中給出了洞庭湖流域基于TRMM數(shù)據(jù)的各格點(diǎn)1998—2010年10月份降水趨勢顯著性檢驗(yàn)F值。從中可以看出，流域大部分地區(qū)10月份降水趨勢顯著性不高，未通過顯著性F檢驗(yàn)；只是在流域中南部地區(qū)，其降水趨勢分別通過了α=0.01，0.05和0.1水平下的顯著性檢驗(yàn)。在流域總計(jì)446個(gè)格點(diǎn)內(nèi)，通過α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)的有1個(gè)，占流域總面積的0.22%；通過α=0.05水平顯著性檢驗(yàn)的有43個(gè)，占流域總面積的9.64%；而通過α=0.1水平顯著性檢驗(yàn)的有74個(gè)，占流域總面積的16.59%；其余格點(diǎn)未通過趨勢顯著性檢驗(yàn)，其面積占流域總面積的73.55%。

另外，圖6（b）、（c）分別為流域降水趨勢通過α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)格點(diǎn)①和通過α=0.05水平顯著性檢驗(yàn)?zāi)骋桓顸c(diǎn)②在1998—2010年間10月份的降水量變化情況。從中可以看出，在過去的十幾年間，兩格點(diǎn)10月份的降水量雖均存在一定波動(dòng)，但其總體下降的趨勢卻十分明顯。這說明顯著性檢驗(yàn)中的F指數(shù)可以對各格點(diǎn)降水趨勢的顯著性進(jìn)行有效刻畫。

4 結(jié)論與討論

受區(qū)域降水時(shí)空分布不均、氣象站點(diǎn)數(shù)量不足以及空間展布不合理等因素的影響，通常利用地面站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行的降水變化分析結(jié)果往往精度不高。TRMM衛(wèi)星由于其具有連續(xù)觀測的能力，因此在區(qū)域降水空間特征分析上具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。本文針對當(dāng)前利用TRMM衛(wèi)星時(shí)間序列數(shù)據(jù)開展區(qū)域同期降水趨勢特征分析研究還相對較少的現(xiàn)狀，以TRMM 3B43月降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取洞庭湖流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，采用氣候傾向率的方法，對流域1998—2010年間10月份降水量的變化趨勢進(jìn)行了分析。

分析結(jié)果顯示：在過去的10余年間，洞庭湖流域10月份降水總體呈現(xiàn)出一定程度的下降趨勢，氣候傾向率主要介于-101.09～32.67mm/10a之間，除岳陽、南縣、常德一帶降水表現(xiàn)為增加的趨勢外，其它地區(qū)則沿岳陽—常德—吉首—銅仁一線向兩側(cè)呈現(xiàn)出遞減的趨勢，其中流域東南部地區(qū)降水量減少表現(xiàn)得尤為突出。另外，經(jīng)F檢驗(yàn)，流域內(nèi)絕大部分地區(qū)10月份的降水趨勢顯著性不高，未通過顯著性檢驗(yàn)；只是在中南部地區(qū)，分別有0.22%、9.64%和16.59%的流域面積通過了α=0.01、0.05和0.1水平下的顯著性檢驗(yàn)。

需要說明的是，由于TRMM衛(wèi)星被發(fā)射升空只有短短的十幾年，對地觀測數(shù)據(jù)時(shí)間序列相對有限，因此本文只是對僅有的13年降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢性假設(shè)檢驗(yàn)，樣本長度具有一定的局限性。不過總體來講，本文利用TRMM數(shù)據(jù)結(jié)合氣候傾向率法，通過洞庭湖流域的實(shí)例分析表明，TRMM數(shù)據(jù)在區(qū)域同期降水趨勢特征分析中具有較強(qiáng)的可行性和廣泛的應(yīng)用前景。

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