基于TRMM數(shù)據(jù)的拉薩河流域降水時(shí)空分布規(guī)律研究

陳牧風(fēng) 許珊珊 劉金濤,2 姬海娟

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,南京 210098;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)

拉薩河流域地處西藏自治區(qū)腹地,是西藏自治區(qū) 首府所在地.拉薩河發(fā)源于念青唐古拉山脈中段北側(cè)的羅布如拉,位于該山脈的南麓,沿途流經(jīng)墨竹工卡縣、達(dá)孜縣,最后在拉薩市南郊匯入雅魯藏布江,流域面積32896 km2,約占雅魯藏布江流域面積的13.5%,是雅魯藏布江最大的一條支流.拉薩河兩岸山峰多在3 600～5 500 m之間,也是世界上最高的河流之一.但拉薩河屬于典型的缺資料流域,目前僅有3個(gè)國(guó)家氣象站和4個(gè)雨量站,降水觀測(cè)站點(diǎn)稀疏且分布不均勻(如圖1所示),這極大地限制了當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)開(kāi)發(fā)和防汛抗旱等工作的開(kāi)展.

圖1 拉薩河位置及地面站點(diǎn)位置

降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),它在時(shí)間和空間上具有高度異質(zhì)性[1],研究流域降水的時(shí)空分布特征,對(duì)流域的水文預(yù)報(bào)、水資源管理、旱澇災(zāi)害分析等都具有重要意義.拉薩河流域現(xiàn)有降水站點(diǎn)數(shù)量及分布無(wú)法充分反映降水的時(shí)空分布規(guī)律.為滿足降水資料缺乏地區(qū)的水文研究及生產(chǎn)實(shí)踐需要,國(guó)際上通常采用衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)揭示流域降水的時(shí)空分布規(guī)律.

目前,最具代表性的遙感降水產(chǎn)品是熱帶降雨觀測(cè)計(jì)劃(TRMM)提供的降水?dāng)?shù)據(jù).國(guó)內(nèi)學(xué)者在TRMM衛(wèi)星降水精度評(píng)估[2-4]、應(yīng)用TRMM衛(wèi)星降水分析某些流域,如雅魯藏布江流域、珠江流域等的降水時(shí)空變化特征上[5-6]開(kāi)展了系列研究.在高原地區(qū),目前已有青藏高原測(cè)站降水與TRMM估測(cè)降水一致性評(píng)估、TRMM數(shù)據(jù)的修正等研究[7-8],但對(duì)于拉薩河流域降水的空間分布規(guī)律及TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的適應(yīng)性分析尚不足.本文以拉薩河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,在月、年時(shí)間尺度上利用地面觀測(cè)站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)評(píng)估TRMM數(shù)據(jù)的精度,并根據(jù)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,進(jìn)一步分析拉薩河流域降水的時(shí)空分布特征,為水文模擬及流域水資源管理提供依據(jù).

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

拉薩河是雅魯藏布江流域面積最大的一條支流.其河源地區(qū)為平坦?jié)竦?海拔5 200 m,匯入口海拔3 580 m,總落差1 620 m.流域內(nèi)氣候寒冷干燥,降雨多分布在夏季,冬季干旱幾乎無(wú)雨.拉薩河流域總體屬高原溫帶半干旱氣候,具有高原干濕季節(jié)分明的大陸性氣候特點(diǎn).與我國(guó)同緯度地區(qū)相比,拉薩河具有氣溫低、年溫差小、降雨強(qiáng)度弱、蒸發(fā)強(qiáng)等高原氣候特征.由于流域內(nèi)高程變化大,造成上、下游及山峰河谷氣候有較大的差異[9].

本文采用的TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)(下文簡(jiǎn)稱"TRMM數(shù)據(jù)"),來(lái)自NASA,空間分辨率為0.25°×0.25°,以月為時(shí)間尺度,資料年限:2000年1月～2012年12月.地面降水?dāng)?shù)據(jù)則選用了拉薩河流域3個(gè)氣象站點(diǎn)和4個(gè)雨量站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),由中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心和西藏自治區(qū)水文局提供,數(shù)據(jù)有嚴(yán)格的質(zhì)量控制和均一化訂正.由于拉薩氣象站和拉薩雨量站以及墨竹工卡氣象站和唐加雨量站之間距離較近,降水量接近,本文取相應(yīng)兩站的均值并與所在網(wǎng)格的TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.

1.2 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

以實(shí)測(cè)降水量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),利用相關(guān)系數(shù)R2來(lái)檢驗(yàn)TRMM數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性,利用納什效率系數(shù)NSE、平均絕對(duì)偏差 MAE、平均相對(duì)偏差MRE這3個(gè)指標(biāo)衡量?jī)煞N數(shù)據(jù)的相似程度,具體公式如下:

式中,PS和PT分別表示長(zhǎng)度為n的兩個(gè)降水序列,其中PS為地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù),PT為TRMM數(shù)據(jù),PS和PT分別表示兩個(gè)降水序列的均值.R2的取值范圍為[0,1],其值越接近1.表明數(shù)據(jù)相關(guān)性越大,即衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越一致.NSE反映的是兩種數(shù)據(jù)的相似程度,其值越接近1表明衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差越小.MAE和MRE分別表示TRMM數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值的平均絕對(duì)偏差量和平均相對(duì)偏差值,值越小則數(shù)據(jù)精度越高.

分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)所顯示的降水年際變化幅度,用變差系數(shù)Cv來(lái)衡量,公式如下:

式中,Cv反映降水量的年際變化情況,Cv值越大,說(shuō)明年降水量波動(dòng)越大;Cv越小,說(shuō)明年降水量的年際變化波動(dòng)越小,逐年降水量差異不大.

2 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)評(píng)估

2.1 月降水量數(shù)據(jù)評(píng)估

以拉薩河流域內(nèi)地面站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對(duì)TRMM數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行分析.研究顯示(如圖2所示),拉薩站、當(dāng)雄站、墨竹工卡站、羊八井站、旁多站的月相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.89、0.98、1.00、1.00.這5個(gè)站的平均相關(guān)系數(shù)R2=0.96,該相關(guān)系數(shù)較高,說(shuō)明整體上TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與拉薩河流域內(nèi)的實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)一致性較高.

圖2 TRMM月數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水比較散點(diǎn)圖

從納什效率系數(shù)來(lái)看,五站平均月納什效率系數(shù)為0.93,拉薩站、當(dāng)雄站、墨竹工卡站、羊八井站、旁多站的月均方根偏差分別是0.81、0.88、0.97、0.99、0.99,五站平均月平均絕對(duì)偏差量MAE為7.1 mm.總體來(lái)說(shuō)兩種數(shù)據(jù)月值偏差較小,說(shuō)明TRMM數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較小,數(shù)據(jù)可信度較高,在應(yīng)用時(shí)只需做小幅度校正即可.將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,總體上TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的值偏大于實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù).

各月平均降水?dāng)?shù)據(jù)的分析結(jié)果見(jiàn)表1和圖3所示,可以看出11、12月中兩種數(shù)據(jù)的偏差量較小,但平均相對(duì)偏差值較大,兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性也較不理想,而7、8月份TRMM數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差量雖大,但平均相對(duì)偏差較小,且相關(guān)性較好.分析表明降水量較多的月份中TRMM數(shù)據(jù)的質(zhì)量更好,降水少的月份則精度較差.

表1 各月TRMM數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量比較

圖3 TRMM各月數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水比較散點(diǎn)圖

2.2 年降水量數(shù)據(jù)評(píng)估

根據(jù)月降水?dāng)?shù)據(jù)推求得到年降水值,以地面站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),分析可知(如圖4所示)拉薩站、當(dāng)雄站、墨竹工卡站、羊八井站、旁多站的年相關(guān)系數(shù)分別為0.63、0.72、0.95、0.99、1.00.5個(gè)站的平均相關(guān)系數(shù)為R2=0.86,該相關(guān)系數(shù)較高,但相比于月值則明顯下降,五站年平均MAE為57.1 mm,可見(jiàn)TRMM在月值數(shù)據(jù)上與實(shí)測(cè)值相似度更高.總體來(lái)說(shuō),TRMM觀測(cè)所得年降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高,可用于分析拉薩河流域降水時(shí)空分布規(guī)律.

圖4 TRMM年數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水比較散點(diǎn)圖

3 拉薩河流域年降水時(shí)空分布分析

根據(jù)TRMM降水分布,拉薩河流域多年平均降水分布如圖5所示.

圖5 拉薩河流域多年平均降水分布

由圖5可知,拉薩河流域降水整體呈現(xiàn)由東南向西北遞減的特征,主要是由于來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流,沿雅魯藏布江上溯形成降水,而同時(shí)該地受到西南季風(fēng)的影響,導(dǎo)致水汽在輸送過(guò)程中不斷損失,造成降水分布東多西少.比較特殊的是,在墨竹工卡地區(qū)附近有高達(dá)6 018 m的分水嶺,擋住了怒江流域降水云氣南移,又阻止了沿雅魯藏布江逆流而上的降水云氣北上,造成了墨竹工卡以北從東部向西部降水減少,墨竹工卡以南在個(gè)別月份西部降水大于東部的情況[9].

從多年月平均降水分布情況(如圖6所示)可見(jiàn),1、2、3月份降水分布情況相似,流域內(nèi)東北部降水量高于中西部,但整體降水較少,大部分地區(qū)幾乎無(wú)降水;從4月份開(kāi)始,流域內(nèi)降水區(qū)從東北向南部延伸;到7、8月份,降水最多的區(qū)域移至流域南部,東部降水相對(duì)減少,并且受印度洋暖濕氣流的影響,降水量在7、8月份達(dá)到峰值,兩月總降水量為303.1 mm,占全年降水的50.4%,降水量最大的柵格單元可達(dá)209.5 mm;到9月份,全流域降水分布比較均勻,但降水總量較7、8月份大幅度下降,流域內(nèi)降水量在58.0～99.0 mm之間;從10月開(kāi)始拉薩河流域內(nèi)降水量進(jìn)一步下降,到12月份流域平均降水達(dá)到最小值,僅1.8 mm,占全年降水的0.3%.全年來(lái)看,拉薩河流域內(nèi)大多數(shù)降雨在夏季,春、冬季節(jié)流域內(nèi)干旱少雨.

圖6 基于TRMM數(shù)據(jù)的拉薩河多年月平均降水分布圖

地面站點(diǎn)和TRMM降水量的年際變差系數(shù)見(jiàn)表2.從表中不難發(fā)現(xiàn),羊八井站多年降水量的變差系數(shù)最小,表明該站所在處多年降水量變化最小.在所有站點(diǎn)中,當(dāng)雄站的年降水變差系數(shù)最大.總體來(lái)說(shuō),拉薩河流域內(nèi)降水,在各站測(cè)得的多年降雨量變差系數(shù)基本相同,即各站點(diǎn)所測(cè)多年降水量變化幅度基本一致.

表2 實(shí)測(cè)和TRMM年降水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

本文利用拉薩河流域地面站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù),分析評(píng)價(jià)了衛(wèi)星降水TRMM 3B43數(shù)據(jù)在月、年尺度上與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性及精度質(zhì)量.在此基礎(chǔ)上,對(duì)拉薩河流域降水的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

1)拉薩河流域內(nèi)TRMM月數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)R2=0.96,平均絕對(duì)偏差MAE=7.1 mm,納什效率系數(shù)NSE=0.93,顯示了兩者之間存在很好的線性相關(guān)性,且偏差較小,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高.整體而言,TRMM月數(shù)據(jù)的降水值比站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量稍大.

2)拉薩河流域內(nèi)TRMM年數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)R2=0.86,平均絕對(duì)偏差MAE=57.1 mm,表明TRMM年數(shù)據(jù)精度較高,但相比月數(shù)據(jù)略顯不足.

3)受來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流和西南季風(fēng)的共同影響,導(dǎo)致拉薩河流域降水分布東多西少的特點(diǎn).同時(shí),在墨竹工卡地區(qū)附近有高達(dá)6 018 m的分水嶺,造成了墨竹工卡以北從東部向西部降水量減少,墨竹工卡以南情況相反的降水特點(diǎn).

4)拉薩河流域內(nèi)年平均降水分布規(guī)律呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì).流域內(nèi)12月降水量最小,7月降水量最大,流域內(nèi)大部分降水發(fā)生在6～9月,而11月至次年3月,流域內(nèi)則很少有降水發(fā)生.總的來(lái)說(shuō),TRMM月、年數(shù)據(jù)精度較高僅需少量調(diào)整即可應(yīng)用于拉薩河流域的降水分析,同時(shí),分析發(fā)現(xiàn)拉薩河流域降水的時(shí)空分布有一定的規(guī)律,此項(xiàng)研究成果將為后續(xù)拉薩河流域的水文模擬及水資源管理打下基礎(chǔ).

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