臧文斌，阮本清，李景剛，黃詩峰

（中國水利水電科學研究院，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個地區(qū)也是當時我國的3個主要旱區(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，從而導致廣西、重慶、四川、貴州、云南5個省市（以下簡稱西南5?。└珊祻姸瘸掷m(xù)加重。據(jù)相關省份氣象部門報道，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)干旱時間超5個月，且旱情仍呈加重趨勢。

干旱在氣象學上分為氣候干旱和干旱災害。通常人們關注的是干旱災害，它是指某一地區(qū)在一段時間內(nèi)降水量較歷史同期顯著偏少，且水工程供水不足，從而導致該地區(qū)的經(jīng)濟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降水數(shù)據(jù)插值成空間的面降水數(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)的氣象干旱進行分析。

2 數(shù)據(jù)

2.1 TRMM降水數(shù)據(jù) TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛(wèi)星是國際上監(jiān)測風暴強度數(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（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（PR）為裝載于TRMM衛(wèi)星的主動式微波輻射計，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（時間范圍：1998年1月至今；時間分辨率：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/）得到的準全球的降水估量數(shù)據(jù)。TRMM 3B43數(shù)據(jù)集（時間范圍：1998年1月至今；時間分辨率：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氣候預測中心氣候異常監(jiān)測系統(tǒng)（CAMS）的全球格點雨量測量器資料、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個雨量站實測逐日降水資料為依據(jù)，檢驗TRMM 3B42數(shù)據(jù)集降水數(shù)據(jù)質量，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降水數(shù)據(jù)和雨量站觀測降水數(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個雨量站5年降水數(shù)據(jù)為樣本，對照分析TRMM 3B42數(shù)據(jù)，結果顯示：雨季前TRMM 3B42降水數(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個以及2009年1—2月全國667個地面測站的雨量計觀測數(shù)據(jù)作為樣本，與對應的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)降水的有效性進行檢驗，得到3B43數(shù)據(jù)集的月降水量與地面站點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)外許多學者［4-13］對TRMM數(shù)據(jù)的有效性進行檢驗，證實數(shù)據(jù)可靠性較好，雖精度較地面站點觀測略低，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）為標準，對TRMM 3B43數(shù)據(jù)質量進行檢驗。以雨量站降水數(shù)據(jù)為自變量，以對應網(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。結果表明：兩者之間存在明顯的線性相關性，均通過了99%的顯著性檢驗，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個地面雨量站數(shù)據(jù)為標準，檢驗TRMM 3B43數(shù)據(jù)在降水較少典型區(qū)域的可靠性（表1），結果表明：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，本文計算中使用的2010年3月份降水數(shù)據(jù)采用3B42數(shù)據(jù)累積計算得出，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，是表征某時段降水量較常年同期值偏多或偏少的重要指標之一，同時也是我國氣象干旱評估的主要參數(shù)之一［14］。

某時段降水距平百分率（Pa）按式（1）計算：

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

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，計算我國月降水距平百分率和累計降水百分率分布數(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行分析。

3.2 氣象干旱標準 干旱災害受自然環(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果。由于形成原因復雜，帶來影響繁多，干旱災害判斷標準的制定也十分復雜。在常見的氣象、農(nóng)業(yè)、水文和社會經(jīng)濟干旱4種類型中，氣象干旱類型標準計算簡單（通常采用降水距平百分率），資料獲取較易，具有較強的時空適用性。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準，見表2所示。

表2 基于降水距平百分率的氣象干旱標準

4 結果分析

4.1 全國旱情分析

4.1.1 全國月降水距平百分率時空特征分析 利用TRMM 3B42和3B43降水數(shù)據(jù)，計算得到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)遠遠低于往年。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空特征分析 干旱災害的一個重要特征是形成時間長和影響時間久。干旱災害的形成是長期降水低于歷史同期累積作用的結果，某月的干旱程度，不僅與當月的降水量有關，而且與前期累積降水量也有關系，為此考慮累積降水距平百分率評價干旱情況更為合理，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。

分析累積計算得到的2009年9月—2010年3月期間8個時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重，且持續(xù)時間較長。

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，累積計算2009年10月—2010年3月期間5個時段西南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個時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)旱情十分嚴重，全省大部分地區(qū)2010年3月災情屬重旱。此次旱情從2009年10月開始，持續(xù)時間長達半年，據(jù)報道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個時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月災情屬重旱。從2009年10月，貴州降水較往年偏少，持續(xù)時間長達半年，據(jù)報道2010年3月旱情已達到“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%，旱情較為嚴重，全市大部分地區(qū)2010年2月份災情屬干旱。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?shù)氐暮登橛兴徑?，但由于工程蓄水未得到有效補充，部分地區(qū)人畜飲水依然困難，這些地區(qū)2010年3月災情仍屬干旱。

（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月廣西得到降水補給，前段時間的旱情得到了極大的緩解。圖4（d）、（e）顯示，此后2個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月份災情屬于重旱，據(jù)報道廣西局部地區(qū)旱情已達“50年一遇”［2］。

（5）從5個時段累積圖可得出，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)旱情較為嚴重，2010年3月份災情屬于重旱，據(jù)四川氣象部門報道2010年3月份川西南地區(qū)旱情已達50年一遇［2］。

經(jīng)分析，此次旱災形成主要因素如下：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，基礎水利工程設施薄弱；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，缺乏基礎灌溉設施，旱情應對機制欠缺；旱區(qū)作物處于高需水生長階段，對水分的依賴性較強。因此，如果后期沒有有效降水，西南5省旱區(qū)干旱強度將愈來愈嚴重，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）和貴州省（紫云苗族布依族自治縣和安龍縣）旱情較重各兩個地區(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，由于特殊的地質構造，當?shù)卦S多水庫靠降水徑流蓄水，從而導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℃，進一步加大了蒸散發(fā)水量的損耗；加之缺乏必要的水利設施建設理念，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，其主要原因是長時間持續(xù)沒有或僅有較少有效降水，從而導致重災區(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，故導致重旱區(qū)面積不斷增加。

5 結論與探討

基于本文構建的氣象干旱標準，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月旱情演變過程進行了分析，得出結論如下：

（1）2010年3月，我國旱情總體比較嚴重，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，相關部門應密切監(jiān)測旱情發(fā)展動態(tài)。在做好西南5省抗旱同時不能忽視其它地區(qū)的旱情發(fā)展，抗旱部門應統(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，分析結果與實際旱情有一些差別。另外，TRMM的3B42時間分辨率小，數(shù)據(jù)同步性較好，可用于短期旱情分析；3B43為月降水數(shù)據(jù)，可用于中長期旱情分析。同時，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)時間是UTC時間，我國與UTC的時差為+8h。使用3B42數(shù)據(jù)時，應注意轉換為我國時間；使用3B43數(shù)據(jù)時，由于合成的月降水數(shù)據(jù)為UTC時間，數(shù)據(jù)集在我國使用存在原始誤差，精度要求較高時應謹慎使用此數(shù)據(jù)集。

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