基于TRMM數(shù)據(jù)的三峽庫(kù)區(qū)降水時(shí)空分析

鄧梅

摘 要：本文以三峽庫(kù)區(qū)重慶段為研究對(duì)象，利用研究區(qū)內(nèi)17個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與1998—2017年庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)TRMM3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)合克里金空間插值對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，改善TRMM原始數(shù)據(jù)的精度問(wèn)題，基于修正后的降水?dāng)?shù)據(jù)，分析三峽庫(kù)區(qū)重慶段1998—2017年降水的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：修正后的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)間整體一致性較高滿足研究條件，但站點(diǎn)間的相關(guān)性具有一定差異。在研究時(shí)段內(nèi)庫(kù)區(qū)降水呈現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)，季節(jié)降水分配不均，春、冬2季降水變率大，除秋季降水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，春、夏、冬3季均表現(xiàn)為下降。空間上呈現(xiàn)出自東北向西南逐漸減少的分布特征，降水中心位于北部，主城區(qū)域由于“雨島”效應(yīng)影響，降水相對(duì)較多。

關(guān)鍵詞：TRMM降水?dāng)?shù)據(jù); 三峽庫(kù)區(qū);時(shí)空分析

中圖分類號(hào)：S16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

降水是區(qū)域氣候環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)和指標(biāo)，是地球水文循環(huán)中最直接、最活躍的氣候要素之一，制約著人類社會(huì)的發(fā)展[1]，同時(shí)降水也受到陸面環(huán)境的影響，具有明顯的空間異質(zhì)性。但是由于地面氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布零散且數(shù)量有限，所以站點(diǎn)數(shù)據(jù)只能反映一定范圍內(nèi)的降水情況[2]，再加上地理環(huán)境和地形因素的影響，在地形復(fù)雜的丘陵山區(qū)很難得到高分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)。

近年來(lái)，隨著RS和GIS技術(shù)的逐步發(fā)展，為研究者提供了一系列高分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，包括TRMM、CMORPH、GSMaP、FY等。TRMM數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍更加廣闊，如水文過(guò)程模擬[3]、潛熱分析[4]、降水時(shí)空分布特征研究[5]、降水侵蝕力分析[6]等。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者基于TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)間的精度、區(qū)域降水的時(shí)空分布特征表明2種數(shù)據(jù)間具有良好的一致性。Scott Curtis等[7]使用地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的Floyd颶風(fēng)降水與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)間相關(guān)系數(shù)較高表現(xiàn)出良好的精度;Dai等[8]利用TRMM3B42等多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)中低緯度的季節(jié)平均降水、日降水頻率和日降水量的空間分布情況進(jìn)行了分析;陳舉等[9]利用南海地區(qū)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)、CAMP數(shù)據(jù)與TRMM3A25數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明TRMM3A25數(shù)據(jù)能夠更準(zhǔn)確地表現(xiàn)降水在時(shí)間、空間上的變化規(guī)律。但是當(dāng)前的研究成果多集中在地形平坦開闊的地區(qū)，對(duì)地形復(fù)雜多樣的丘陵山區(qū)并不適用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者在我國(guó)復(fù)雜地形地貌區(qū)，利用TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了一些研究。李威等[10]利用TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在我國(guó)喀斯特地貌廣泛分布的貴州省以年、季、月3個(gè)尺度和單個(gè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)估，結(jié)果表明在喀斯特地區(qū)TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間具有較高的線性相關(guān)特征。眾多研究表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)雖然在某些地區(qū)和季節(jié)存在一定偏差，但在總體上數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能夠滿足應(yīng)用研究的需求。

三峽庫(kù)區(qū)重慶段是典型的地形復(fù)雜區(qū)，丘陵、山地遍布，地表起伏度大，區(qū)內(nèi)降水受到地形因素的影響顯著，是我國(guó)最為特殊、重要的生態(tài)保護(hù)屏障區(qū)。其脆弱的自然生態(tài)環(huán)境和重要的地理位置影響著長(zhǎng)江流域的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)安全[11]。因此，研究三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的降水要素具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)重慶段位于長(zhǎng)江上游下段，東起巫山縣，西至江津區(qū)，南起武隆縣，北至開州區(qū)，地理范圍在N28°31′～31°44′，E105°49′～110°12′。東南、東北與鄂西交界，西南與川黔接壤，西北與川陜相鄰。庫(kù)區(qū)范圍為亞熱帶季風(fēng)氣候，受季風(fēng)氣候影響顯著，年平均氣溫為15～18°C，年平均降雨量為1150.26mm。境內(nèi)地形復(fù)雜，地勢(shì)差異明顯，從而形成了獨(dú)特的自然地理環(huán)境。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)包括TRMM3B43 V7月降水?dāng)?shù)據(jù)，氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)和研究區(qū)內(nèi)DEM高程數(shù)據(jù)。TRMM3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)由網(wǎng)站（http：//trmm.gsfc.nasa.gov/）免費(fèi)下載，選取NetCDF格式降水?dāng)?shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取氣象站點(diǎn)所在象元的值，得到三峽庫(kù)區(qū)重慶段1998—2017年TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)。氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn），包括1998—2017年三峽庫(kù)區(qū)重慶段內(nèi)各站點(diǎn)月降水?dāng)?shù)據(jù)，季尺度和年尺度數(shù)據(jù)由月降水信息逐月累積得到。

2.2.4 空間分析

利用站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的差額進(jìn)行克里金空間插值，得到三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)的差額分布數(shù)據(jù)，并與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，最后得到較準(zhǔn)確的三峽庫(kù)區(qū)多年平均降水。

3 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)精度修正

利用上述公式計(jì)算1998—2017年三峽庫(kù)區(qū)重慶段內(nèi)17個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)各年份TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和相對(duì)誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行驗(yàn)證?？傮w來(lái)說(shuō)，TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，數(shù)據(jù)精度較高，滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求。

基于以上研究結(jié)果，進(jìn)一步利用氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為參照值，提取站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的象元TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的差額分布情況。結(jié)果顯示，降水差額均為負(fù)數(shù)，表明TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在三峽庫(kù)區(qū)重慶段的估算值均比站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)高，西南和東北部差額相對(duì)較小，東南部差額較大?？傮w上站點(diǎn)數(shù)據(jù)和TRMM數(shù)據(jù)的空間分布具有一致性，因此可以利用Arcgis空間插值對(duì)TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得到修正后的三峽庫(kù)區(qū)重慶段多年平均降水分布。

4 降水時(shí)空特征分析

4.1 時(shí)間分布特征

4.1.1 年際分布特征

由圖1可知，庫(kù)區(qū)內(nèi)降水量呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的趨勢(shì)，正負(fù)距平值之間差異較大。2000年前后年際降水量變化顯著，1998年由于長(zhǎng)江流域降水量的異常增多而達(dá)到降水量最大值，2001年、2006年則降水量顯著減少，2001年由于氣候異常干旱而導(dǎo)致降水量相對(duì)于距平值大幅減少為研究時(shí)段內(nèi)降水量距平最低值，2008—2013年降水量呈現(xiàn)持續(xù)性減少趨勢(shì)，在2014年以后出現(xiàn)降水量正距平，表明該時(shí)段內(nèi)降水量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

4.1.2 季節(jié)分布特征

為了更清晰地分析庫(kù)區(qū)內(nèi)降水的時(shí)間變化特征，計(jì)算春、夏、秋、冬4季降水量累積距平分布圖2。由圖可見，庫(kù)區(qū)內(nèi)的降水存在明顯的季節(jié)差異，降水主要集中在下半年，冬半年降水量較少。春、夏、冬3季降水量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，秋季降水量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，春、冬2季降水變率明顯。春季降水雖呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不顯著，降水量在2000年前后波動(dòng)較大，2000年降水量在研究時(shí)段內(nèi)最低，最高出現(xiàn)在2002年。夏季降水量在1998年激增之后逐漸下降，并在2006年減少量達(dá)到了200mm，2009—2013年間降水量顯著減少。與其它季節(jié)相比，秋季降水量總體上呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，且波動(dòng)幅度也比較小。冬季降水量下降趨勢(shì)最為明顯，年際波動(dòng)大，2005—2008年降水變率劇烈，2006年為距平最高值，最低則出現(xiàn)在2008年，并在后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

4.2 空間分布特征

由圖3a可知，庫(kù)區(qū)內(nèi)多年平均降水量空間分布不均，受氣候和地形的影響，年均降水量總體上看呈現(xiàn)出自東北向西南逐漸減少的空間分布特征。北部為降水中心，年均降水量超過(guò)1000mm，主要位于萬(wàn)州、云陽(yáng)、開縣及以北區(qū)域。主城區(qū)域由于城區(qū)面積的不斷擴(kuò)張導(dǎo)致城市“雨島”效應(yīng)的持續(xù)增強(qiáng)而出現(xiàn)相對(duì)多雨區(qū)。降水量低值區(qū)域位于庫(kù)區(qū)西南部，主要分布于江津地區(qū)，降水量不足1000mm。

由圖3可知，庫(kù)區(qū)內(nèi)降水量不僅在時(shí)間分布上存在差異，空間分布也具有相似的分布特征。春季降水量最多的區(qū)域?yàn)闁|北部，中部降水量相對(duì)較多，而西南部降水量最少不足200mm。夏季是降水量最多的季節(jié)，降水中心出現(xiàn)在主城區(qū)域，降水量超過(guò)600mm，北部開縣、云陽(yáng)、萬(wàn)州區(qū)域相對(duì)較多，降水低值區(qū)域位于涪陵、豐都、石柱、忠縣一帶。秋季降水中心依然分布在開縣附近，主城與中部區(qū)域秋季降水量較南部和西南部較多。冬季降水量占比最低，西南部和中部降水量差異較小，降水中心出現(xiàn)在東北部的局部區(qū)域，同時(shí)降水最低值范圍也位于東北部。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

基于修正后的TRMM3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)分析三峽庫(kù)區(qū)重慶段的降水時(shí)空分布特征，結(jié)論如下。

利用站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的差額空間插值結(jié)果與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析后，數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)上升、相對(duì)誤差減小，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯上升。表明數(shù)據(jù)間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，數(shù)據(jù)差異性較小，數(shù)據(jù)整體精度較高。單個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)間精度差異大，東北部和西南部站點(diǎn)相對(duì)誤差較大。

1998—2017年庫(kù)區(qū)多年平均降水呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但下降幅度較小。1998—2000年降水量波動(dòng)較大，1998年達(dá)到正距平最高值，2001年為負(fù)距平最低值。降水季節(jié)變化顯著，春、冬兩季降水波動(dòng)明顯，夏、秋2季降水量相對(duì)較平穩(wěn)。除秋季降水量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)外，其余3季降水量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。降水月際變化也存在著顯著的差異，整體呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)，降水主要集中在5—9月，6—8月達(dá)到延年中降水最大值，12月—次年2月降水量最少。

從多年平均降水量的空間分布來(lái)看，降水量總體上呈現(xiàn)出自東北向西南減少的分布特征，降水量中心位于開縣、云陽(yáng)、萬(wàn)州一帶，主城區(qū)因受“雨島”效應(yīng)的影響，降水量相對(duì)西南部和中部來(lái)說(shuō)較多。季節(jié)空間降水分布具有顯著的差異性和復(fù)雜性，春、秋2季降水空間分布于多年平均降水量空間分布具有相似性，總體上呈現(xiàn)出自東北向西南減少的分布特征。夏季降水量呈現(xiàn)“高-低-高”分布特征，中部降水量最少。冬季中部及西南部降水量相對(duì)較多，東北部整體降水量較少，同時(shí)降水中心也出現(xiàn)在東北部的局部區(qū)域。

5.2 討論

本文利用修正后的1998—2017年TRMM3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)重慶段近20a降水進(jìn)行了時(shí)空特征分析，修正后的TRMM數(shù)據(jù)相比站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的反映出了庫(kù)區(qū)內(nèi)降水的時(shí)空分布特征，有效改善了TRMM數(shù)據(jù)高值低估、低值高估的問(wèn)題。但TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)是一種利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域降水進(jìn)行估算的方法，其方法本身也存在著某些缺陷，會(huì)給數(shù)據(jù)結(jié)果帶來(lái)一些不可避免的誤差。同時(shí)，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，對(duì)于小范圍研究區(qū)域來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)空間分辨率略顯不足，在今后的研究中應(yīng)著力提高數(shù)據(jù)的分辨率，針對(duì)不同地理環(huán)境下的研究，應(yīng)用高精度的數(shù)據(jù)，以減少誤差，并在需要的情況下進(jìn)行空間降尺度分析。另外，本文在研究降水時(shí)空特征時(shí)，未考慮地理要素與地形因子對(duì)降水的影響，今后的研究可以結(jié)合經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等因素來(lái)進(jìn)行分析，以得到更加準(zhǔn)確的降水時(shí)空分布。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）