基于TRMM數(shù)據(jù)的秦巴山區(qū)降水特征分析

廖 偉,程志剛,李躍清

(1. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072)

引言

近年來，隨著全球變暖的加劇，導(dǎo)致了全球各地降水的不均勻分布，IPCC評估報告指出：21世紀全球平均降水量將增加，高緯地區(qū)的降水將會增加，陸地地區(qū)的多數(shù)副熱帶地區(qū)的降水量將會減少[1-2]。我國是農(nóng)業(yè)大國，降水量的改變將直接影響農(nóng)業(yè)的好壞，從而影響國民經(jīng)濟[3-4]，因此研究降水是許多研究者最主要的課題。秦巴山區(qū)是我國重要的氣候緩沖區(qū)，其北部秦嶺沿線是我國四大自然地理單元中南方地區(qū)和北方地區(qū)的分界，也是濕潤與半濕潤區(qū)分界、1月份0℃等溫線分界、亞熱帶與暖溫帶分界[5]，因此秦巴山區(qū)的重要性不言而喻。山區(qū)多由盆地和山地組成，地形條件復(fù)雜，土質(zhì)疏松，特別容易引發(fā)泥石流、滑坡、崩塌、洪澇等地質(zhì)災(zāi)害[6-7]。由于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的氣象站點資料受地理條件的限制，所以越來越多的學(xué)者采用衛(wèi)星資料來替代氣象站點資料來進行研究。如李燕等[8]人利用TRMM 3B42的降水資料和氣象站點資料的進行對比，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星資料與氣象站點降水資料具有較好的一致性，能夠替代站點資料分析廣西西河流域降水的時空分布特征；曹愛琴等[9]以基于TRMM衛(wèi)星資料的“麥莎”臺風(fēng)降水特征分析為題，分析出了臺風(fēng)要降水的云團的動力、熱力構(gòu)造和微物理特性；楊文月等[10]用TRMM衛(wèi)星 3B43降水資料，得出了甘肅臨夏州降水量從西南到東北呈現(xiàn)遞減的趨勢的結(jié)論，同時發(fā)現(xiàn)了降水量隨著海拔的升高而增加、降水量六月最大和十二月降水量最小的結(jié)果；齊文文等[11]采用了TRMM衛(wèi)星3B43月尺度的降水率資料，并根據(jù)青藏高原站點降水資料與TRMM數(shù)據(jù)的差額對原始數(shù)據(jù)進行了訂正，分析了青藏高原1998～2011年的年平均降水特點和季節(jié)分布特點，結(jié)果表明青藏高原年降水量自東南向西北、從南到北降水均依次減少的空間分布特征；吳劍峰等[12]就三峽庫區(qū)(重慶段)TRMM降水適用性分析及時空特征進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：氣象站點的降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)存在顯著的線性相關(guān)性，具有較好的實用性；周李磊等[13]用1998～2014年的TRMM3B43V7的數(shù)據(jù)，運用非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗、變異系數(shù)、Sen-Mdian趨勢分析和Hurst指數(shù)對西南的降水特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)了西南降水的特點。王天天等[14]利用TRMM衛(wèi)星分裂窗通道對東亞地區(qū)夏季降水判別方法進行研究指出，分裂窗通道亮度差(BTD45)為3.0K和10.8μm通道亮溫為260K作為識別降水的閾值，兩者相結(jié)合能夠得到很好的降水識別結(jié)果。還有其他學(xué)者運用了TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進行了研究[15-18]，因此利用TRMM衛(wèi)星的降水?dāng)?shù)據(jù)來研究秦巴山區(qū)降水具有很大的可行性。

1 秦巴山區(qū)地理概況

秦巴山區(qū)主要位于我國中部地區(qū)，且處于我國南方和北方的交界區(qū)域，其中“秦”是指秦嶺山脈，“巴”是指大巴山山脈；山區(qū)位于30°50′～34°59′N，102°54′～112°40′E，地跨川、甘、陜、豫、鄂、渝六省市，西到青藏高原東部邊緣，東到華北平原西南部，秦巴山區(qū)的主體大部分位于陜西省。該山區(qū)經(jīng)緯跨度大，水系發(fā)達，地跨長江、黃河、淮河三大流域，是淮河、漢江、丹江、洛河等眾多河流的發(fā)源地。山區(qū)地貌以山地、盆地、丘陵、坪壩為主[21]，其構(gòu)成“南北高、中間低”且西部大于東部的地勢特點。秦巴山區(qū)是我國南北氣候的交匯地帶，其處于亞歐大陸的東南部，太平洋的西部，冬季深受大陸氣流的影響，夏季深受海洋氣流的影響，形成明顯的季風(fēng)氣候，秦嶺以北為溫帶季風(fēng)氣候，秦嶺以南為亞熱帶季風(fēng)氣候。

2 資料選取和方法介紹

本文采用的是1998～2015年TRMM衛(wèi)星3B42的日降水資料，它的空間分辨率為0.25°×0.25°。統(tǒng)計了1998～2015年日降水量，計算了年、四季各季的時間變化和空間變化。根據(jù)中國氣象局的標(biāo)準規(guī)定(見表1)，對不同等級的降水量的日數(shù)進行了統(tǒng)計，同時利用最小二乘法對不同等級的降水量日數(shù)進行了趨勢擬合。

表1 中國氣象局不同等級降水類型的劃分標(biāo)準

3 秦巴山區(qū)降水特征分析

3.1 時間變化特征

秦巴山區(qū)秦嶺以北為溫帶季風(fēng)氣候，秦嶺以南為亞熱帶季風(fēng)氣候，因此山區(qū)的年降水量較大[19]。如圖1所示，山區(qū)年降水量最高在1998年，其值為1021mm,年降水量最小在2001年，其值為742mm。這18年中有三個波峰，分別為1998年(1021mm)、2003(1003mm)、2011年(998mm)；18年中有兩個波谷，分別在2001年(742mm)、2006年(749mm)；從1998到2007年的年降水量的振幅變化程度較大而顯得不穩(wěn)定，2007年到2016年的降水量的振幅變化較小，比較穩(wěn)定。從線性擬合曲線可以看出山區(qū)18年的降水量呈現(xiàn)一個穩(wěn)步增長的過程。

如圖2(a)所示，山區(qū)春季降水量最大的在1998年，其值為293mm,山區(qū)春季降水量最小的在2000年，其值為143mm；1998～2000年和2002～2004年春季降水量的下降的最快，1998～2000年以差不多每年70mm的趨勢減小，2001～2002年春季降水量增加了115mm之多，2002～2004年的春季以每年40mm減少，而2004～2015年春季都在220mm左右上下浮動。從圖2中的18年春季降水量的線性擬合可以看到春季降水量基本在220mm上下。從擬合方程可發(fā)現(xiàn)降水量隨時間緩慢增加。

如圖2(b)所示，1998～2007年山區(qū)夏季降水量振幅變化較大，各年之間夏季降水量差距較大，而2007～2015年山區(qū)夏季降水量振幅變化較少。山區(qū)夏季降水量最大值在1998年，其值為571mm；山區(qū)夏季降水量最小值在2007年，其值為294mm；由線性擬合曲線所示，夏季的年均降水量正隨著時間減少。

如圖2(c)所示，山區(qū)秋季降水量最大值出現(xiàn)在2011年，其值為382mm；山區(qū)秋季降水量最小值出現(xiàn)在1998年，其值為129mm；除2010～2012年振幅變化較大外，其他年份秋季的振幅變化較?。粡目傮w趨勢來看，秋季降水量有著明顯增長的趨勢。

如圖2(d)所示，1999～2004年山區(qū)冬季降水量呈增長的趨勢，2004～2005年降水量又快速的下降，2005～2008年降水量又開始緩慢的上升，2008～2012年，降水量快速的下降，雖然2011年略有點回升，但總體趨勢是呈下降的，2013～2014年降水量又有較大的回升，但到2015時冬季降水量又開始下降了。山區(qū)最大降水量出現(xiàn)在2004年，它的值為41mm；山區(qū)最小降水量出現(xiàn)在1999年，它的值為12mm。

如圖3所示，山區(qū)夏季的降水量遠遠大于春季、秋季、冬季，冬季的降水量最小[20]，春季和秋季就總體而言降水量差別不大，而冬季的降水量更遠遠低于其他三個季節(jié)，造成這種結(jié)果的可能原因是：山區(qū)受冬夏季風(fēng)交替影響，夏季受夏季風(fēng)影響，降水量較大，冬季受冬季風(fēng)風(fēng)影響，降水量較少；還有受大氣環(huán)流和地形的影響。

3.2 空間分布特征

由圖4可知，山區(qū)降水量從東南到西北依次遞減，年降水量呈現(xiàn)“東南高西北低”的空間分布特征，變化范圍在500～1400mm之間，年降水量存在兩個明顯的大值區(qū)，最大值為1400mm，還存在一個明顯的低值區(qū)，最小值為500mm，大值區(qū)分別位于重慶的東南部和重慶的西部與四川東部之間的區(qū)域；小值區(qū)位于甘肅的南部。同時我們還可以看到年平均降水量從東南到西北是呈帶狀分布的，山區(qū)重慶部分年平均降水量大部分在1200～1400mm之間，只有重慶最東北部年平均降水量在1100～1200mm之間；山區(qū)湖北部分年平均降水量從西南到東北呈帶狀分布，呈階梯狀并且依次遞減，年平均降水量在700～1200mm之間，最大值區(qū)位于山區(qū)湖北部分的的西南部，最小值區(qū)位于山區(qū)湖北部分的北部；山區(qū)陜西部分年平均降水量空間分布為：從南到北依次遞減，且呈帶狀分布，這與盧珊等[22]的研究：陜西年降水量呈現(xiàn)“南高北低”的結(jié)論相一致。其最大值區(qū)位于陜西的南部，降水量范圍在1100～1200mm之間，最小值區(qū)位于山區(qū)陜西部分的最北部，降水量范圍在500～600mm之間，山區(qū)陜西中部主要的年平均降水量在700～900mm之間；山區(qū)河南部分年平均降水量在700～900mm之間；山區(qū)甘肅部分年平均降水量在500～900mm之間，山區(qū)甘肅主體的年平均降水量在500～700mm之 間，最大值區(qū)位于甘肅的南部，最小值區(qū)位于北部；山區(qū)四川部分從104.8°～108.8°E年平均降水量呈帶狀分布，且呈階梯狀依次遞減，年平均降水量在700～1400mm之間，102.6°～104.8°E之間年平均降水在700～1000mm之間，四川境內(nèi)年平均降水量最大值范圍為1300～1400mm之間且位于四川東部，最小值范圍為700～800mm之間且位于四川的北部。造成這種年平均降水量空間分布可能的原因是：1)受冬夏季季風(fēng)的交替控制。2)山區(qū)內(nèi)復(fù)雜的多變的地形。3)大氣環(huán)流的控制。

由圖5(a)可知，該圖顯示了秦巴山區(qū)18間年春季平均降水量的空間分布特點：春季平均降水量在山區(qū)呈帶狀分布，它的平均降水量范圍在90～390mm，在103°～112°E之間春季平均降水量呈階梯狀并且依次遞減。春季平均降水量最大值區(qū)位于山區(qū)重慶境內(nèi)的南部，降水量范圍在360～390mm之間；春季平均降水量小值區(qū)在山區(qū)的北部(既甘肅、陜西兩省的北部)，降水量范圍在90～120mm之間。

由圖5(b)可知，整個18年的夏季平均降水量的范圍在240～640mm之間。在山區(qū)重慶的西部與四川的東部之間的區(qū)域有一個大值區(qū)，降水量范圍為600～640mm之間；在山區(qū)陜西的北部和山區(qū)甘肅的中部區(qū)域有降水量的小值區(qū)，小值區(qū)的范圍為240～280mm。降水量數(shù)值較大的區(qū)域都位于山區(qū)的南部，降水量數(shù)值較小的區(qū)域基本都位于山區(qū)的北部。

由圖5(c)可知，與夏季平均降水量最大值區(qū)域比較秋季平均降水量范圍有所擴大。在105°～112°E范圍內(nèi)，降水量從大值區(qū)依次向外遞減，呈現(xiàn)階梯狀，降水量最大值為300～320mm；降水量最小值區(qū)位于山區(qū)甘肅中部，年降水量范圍處于120～140mm之間。在105°～112°E之間，降水量較大的區(qū)域都位于山區(qū)的南部，而降水量較小的區(qū)域都位于北部，且山區(qū)甘肅部分顯得尤為突出。

由圖5(d)可知，冬季年平均降水量與春、夏、秋季年平均降水量有明顯的變化：降水量嚴重低于春季、夏季、秋季的平均降水量。平均降水量為0～10mm的區(qū)域主要位于甘肅省內(nèi)；平均降水量為10～20mm的區(qū)域主要位于陜西省和四川省境內(nèi)；平均降水量在20～40mm的區(qū)域主要位于四川省、河南省、陜西省的東部境內(nèi)；平均降水量在40mm以上的位于秦巴山區(qū)重慶境內(nèi)的東南部，范圍較小。

3.3 不同等級降水特征

如圖6(a)所示， 18年的平均無雨日數(shù)變化范圍在160～270d之間，年平均無雨日數(shù)主要的小值區(qū)位于秦巴山區(qū)的西部，主要無雨日數(shù)范圍在160～170d；年平均無雨日數(shù)主要的大值區(qū)位于山區(qū)南部、北部和東部，平均無雨日數(shù)主要范圍在260～270d；同時山區(qū)四川部分呈明顯的階梯狀分布；小值區(qū)位于31°～32°N,102.5°～103°E；大值區(qū)位于山區(qū)四川的南部。從圖6(b)看出山區(qū)總體來看無雨日數(shù)隨著年份的增長在緩慢的增加，大部分區(qū)域為每年增長0～2d的增長趨勢，少部分區(qū)域為每年增長2～3d的增長趨勢，極小部分的無雨日數(shù)有減弱的趨勢，但趨勢不是很大，每年減少的范圍在0～1d/a之間。

從圖7(a)可以看出山區(qū)西部的年平均小雨日數(shù)明顯大于山區(qū)其他范圍內(nèi)的年平均小雨日數(shù)。山區(qū)中部既甘肅的東部、陜西的南部、河南的西部、湖北的西部和南部年平均小雨日數(shù)在80～90d每年且占了山區(qū)一半的區(qū)域。在四川的西部存在年平均小雨日數(shù)的大值區(qū)，年平均小雨日數(shù)高達150～160d.但是年平均的小雨日數(shù)的小值區(qū)同樣也在四川境內(nèi)，它位于山區(qū)四川境內(nèi)的南部，年平均小雨日數(shù)在60～70d的范圍內(nèi)。從圖7(b)中可以清晰的看出山區(qū)小雨日數(shù)強度基本都是減弱狀態(tài)，最大的減弱值為3d/a，這種趨勢分別位于重慶的北部、甘肅的西部和陜西的中部。陜西省、河南省和甘肅省小雨日數(shù)的減弱趨勢不僅范圍大而且減弱趨勢的值相對而言也較大。

圖8(a)可以清楚看到中雨的日數(shù)較無雨和小雨的年平均日數(shù)少了很多，年平均的中雨日數(shù)為11～22d，而小雨的日數(shù)為50～160d，無雨的日數(shù)為160～270d。同時可以看出年平均中雨日數(shù)從東南到西北依次遞減，重慶的北部、四川的東部和湖北的南部區(qū)域存在著年平均中雨日數(shù)的大值區(qū)，大值區(qū)的值的范圍為21～22d每年，可見這些區(qū)域下中雨頻次較多。小值區(qū)位于甘肅境內(nèi)，小值區(qū)的范圍為12～13d每年。從圖8(b)可知，中雨日數(shù)傾向率在山區(qū)呈塊狀分布，四川的北部、甘肅的南部、秦巴山區(qū)河南的全部(除去南部的一小塊深藍區(qū)域)區(qū)域傾向率都為正值，值在0～0.4d/a，中雨日數(shù)強度在增加，這表明年降水中中雨產(chǎn)生的降水在不斷的增加。傾向率的負值區(qū)主位于重慶和四川接壤的區(qū)域同時還有湖北的西部區(qū)域，其值的變化范圍在-0.3～0d/a之間，湖北的中雨日數(shù)傾向率負值最大,這預(yù)示著湖北的中雨的日數(shù)將會較大幅度的減少。

如圖9(a)所示，年平均大雨日數(shù)呈現(xiàn)出從東南到西北依次遞減的總體趨勢，年平均大雨日數(shù)的變化范圍在2～12d之間，總體來說產(chǎn)生大雨的日數(shù)較小，年大雨日數(shù)的大值區(qū)還是位于重慶境內(nèi)和重慶和四川東部接壤的地方，日數(shù)在10～12d之間變化；年大雨日數(shù)的小值區(qū)位于甘肅境內(nèi)，日數(shù)在2～4d之間變化。從圖9(b)可以看出，大雨日數(shù)的傾向率分布不均勻，在秦巴山區(qū)呈帶狀或者塊狀分布。傾斜率為正值的區(qū)域明顯大于傾向率為負值的區(qū)域。傾向率的強度變化范圍在-0.2～0.25d/a之間。山區(qū)甘肅部分大雨日數(shù)除甘肅東南部的綠色區(qū)域外基本都為正值，呈現(xiàn)日數(shù)增長的趨勢；秦巴山區(qū)重慶部分除去其南部的一小塊淺綠色區(qū)域外都為負值，表明了秦巴山區(qū)重慶部分的大雨日數(shù)在依年遞減的趨勢。傾向率的大值區(qū)位于陜西的南部、湖北的西南部，其值在0.2～0.25d/a之間；傾向率的小值區(qū)位于山區(qū)重慶部分的東部，其值在-0.2～0.15d/a之間。四川境內(nèi)、湖北境內(nèi)、陜西境內(nèi)的大雨日數(shù)傾向率正值區(qū)域明顯大于負值區(qū)域，說明了大雨的天數(shù)正在隨著年份的增長而增多。重慶境內(nèi)、河南境內(nèi)大雨傾向率的負值區(qū)明顯大于正值區(qū)，呈現(xiàn)出大雨日數(shù)隨著年份增長而減少的趨勢。

從圖10(a)可以得到，山區(qū)南部、北部兩邊的年平均暴雨日數(shù)具有顯著的差別，南部基本都為大值區(qū)，而北邊基本都是小值區(qū)特別是西北部；最大的年平均暴雨日數(shù)的值的區(qū)域位于四川境內(nèi)，可見四川下暴雨的日數(shù)較多；山區(qū)四川部分的西部和甘肅境內(nèi)的暴雨日數(shù)較小，它的值為0～0.8d每年，其中甘肅還有最小的年平均暴雨日數(shù)，它的值為0～0.4d每年并且它位于甘肅的中西部。如圖10(b)所示，秦巴山區(qū)暴雨日數(shù)的傾向率總體變化為：從西部到東部表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，其中中部的值最大，左右兩邊的值較??；暴雨日數(shù)傾向率較大的地方在四川境內(nèi)，其值0.06～0.15d/a，在表明了四川境內(nèi)暴雨日數(shù)正在隨著年份的增長而增長；秦巴山區(qū)甘肅境內(nèi)、重慶境內(nèi)和陜西境內(nèi)總來說他們的值都為正值，說明了甘肅、重慶和陜西的暴雨日數(shù)正在增加。河南境內(nèi)的暴雨日數(shù)傾向率總體來說為負值，說明了河南境內(nèi)的暴雨日數(shù)將隨著年份的增加而減少。而山區(qū)其他區(qū)域正負值范圍差不多大小，而且又因為各個區(qū)域內(nèi)的年平均暴雨日數(shù)傾向率不同，所以暴雨日數(shù)的增加或者減少的趨勢無法比較。

4 結(jié)論

(1)1998～206年秦巴山區(qū)年平均降水量從東南到西北呈現(xiàn)依次遞減的區(qū)域變化且呈帶狀分布，其中大值區(qū)分別位于秦巴山區(qū)重慶部分的東南部和重慶的西部與四川東部之間的區(qū)域；小值區(qū)位于甘肅的南部。秦巴山區(qū)南北部年降水量兩極分化嚴重，南部降水量顯著多于北部；秦巴山區(qū)東西部年降水量相差不大。

(2)從春夏秋冬四個季節(jié)看，季平均降水量基本都呈現(xiàn)“南高北低”的空間分布特征，且夏季的降水量遠遠高過其他三季，春秋季降水量相差不大，冬季的降水量遠遠低于其他三季。秦巴山區(qū)重慶部分和四川部分接壤的區(qū)域在四季的降水量都處于領(lǐng)先地位。

(3)無雨日數(shù)在整個秦巴山區(qū)基本都呈現(xiàn)增大的趨勢，在山區(qū)的北部和中部增長趨勢最為明顯。小雨日數(shù)在整個山區(qū)都呈現(xiàn)出減小的趨勢，且這種趨勢在秦巴山區(qū)呈大塊狀分布。中雨日數(shù)在整個山區(qū)東南部呈減少趨勢，山區(qū)西部、東北部中雨日數(shù)為增加的趨勢，增加趨勢較明顯。大雨日數(shù)在山區(qū)四川、甘肅、陜西的交界處的較大區(qū)域內(nèi)和山區(qū)河南境內(nèi)還有山區(qū)重慶的東部呈現(xiàn)減少的趨勢，山區(qū)其他地方的大雨日數(shù)基本呈現(xiàn)增加的趨勢，但不管增加還是減少，幅度較小。暴雨日數(shù)在秦巴山區(qū)的中部呈現(xiàn)增加的趨勢，東西部的暴雨日數(shù)都成減少的趨勢。

(4)就總體而言，整個山區(qū)的平均降水量在900mm左右，年降水量隨著時間的增長略微有所增加；春秋兩季的季降水量隨著時間呈略微的增長，而夏冬兩季降水量隨著時間呈現(xiàn)略微的下降。