曹 言，王 杰，張 鵬，張 雷

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228；2.河海大學(xué)，江蘇南京 210098)

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基于TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的云南干旱分析

曹 言1，王 杰1，張 鵬2，張 雷1

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228；2.河海大學(xué)，江蘇南京 210098)

根據(jù)2008～2012年TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，通過計(jì)算TRMM降水距平和累積降水距平，分析云南省不同時間尺度下干旱的時空分布特征。結(jié)果表明，云南省干旱受降水影響顯著，干旱主要發(fā)生在1、2、11和12月，其中特旱主要出現(xiàn)在11和12月，重旱主要出現(xiàn)在11、2、12和1月，中旱主要發(fā)生在12和2月，輕旱主要發(fā)生在2月，而在干旱頻發(fā)月份中，干旱主要出現(xiàn)在滇中和滇西南地區(qū)；從云南省干旱累計(jì)來看，干旱主要出現(xiàn)在10月～次年1月，且主要出現(xiàn)在滇中地區(qū)；TRMM數(shù)據(jù)可用于中長期的旱情監(jiān)測與評估，相對站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)更適合于大尺度空間上宏觀性的干旱監(jiān)測。

TRMM；干旱；降水；時空分布；云南省

在全球變暖的背景下，極端氣候如干旱，其發(fā)生的頻次越來越多，且呈現(xiàn)出干旱強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時間長的特點(diǎn)[1-2]。云南省地處我國西南邊陲地帶，屬低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)，加之境內(nèi)特殊的地理、地質(zhì)地貌環(huán)境，全省自然災(zāi)害尤其是旱災(zāi)頻發(fā)，旱災(zāi)占云南省氣象災(zāi)害的43%。2009年以來，云南持續(xù)5年干旱，其表現(xiàn)為持續(xù)時間長、干旱程度深、覆蓋范圍廣、影響及損失大的特點(diǎn)[3]。連續(xù)的干旱不但致使河流斷流，且導(dǎo)致土壤失墑嚴(yán)重，加之溫度的異常升高，農(nóng)作物需水也增加，在云南省水利工程蓄水不足的條件下，對云南省農(nóng)業(yè)增產(chǎn)及糧食安全造成了嚴(yán)重的影響[4]。因此，加強(qiáng)全省范圍內(nèi)干旱監(jiān)測預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測往往是通過設(shè)置地面實(shí)測站點(diǎn)進(jìn)行人工監(jiān)測，這對氣象站點(diǎn)來說具有較高的精確性，但其數(shù)量有限，對大范圍的旱情監(jiān)測和評估缺乏時效性和代表性，且需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，加之區(qū)域降水時空分布極不均勻，因此無法對區(qū)域干旱進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測。TRMM衛(wèi)星是由美國國家宇航局和日本國家空間發(fā)展局共同研制，其空間覆蓋面廣，降水?dāng)?shù)據(jù)在時間和空間上較為連續(xù)，能夠補(bǔ)充氣象站點(diǎn)稀少地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)[5-6]。目前主要用于區(qū)域降水的空間結(jié)構(gòu)以及季節(jié)變化等研究[7-10]，如陳舉等[8]研究表明TRMM降雨資料能夠更好地體現(xiàn)降水時間和空間的變化、反映高大的山地地形對降雨分布的影響；楊紹鍔等[9]分析表明通過TRMM數(shù)據(jù)計(jì)算月降水量距平百分率與地面站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)沒有明顯差異，可作為旱情監(jiān)測的有效手段。筆者選取2008～2012年TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，利用地面站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過計(jì)算TRMM降水距平和累積降水距平，分析不同時間尺度下云南省干旱的時空分布特征，為云南省干旱動態(tài)監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)，同時對推廣衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在云南省干旱監(jiān)測方面的應(yīng)用具有一定的實(shí)用價值。

1　資料與方法

1.1TRMM數(shù)據(jù)TRMM衛(wèi)星目前在各種星載傳感器中已成為獲取降水資料的首選[8]。該研究采用的TRMM降雨數(shù)據(jù)為云南省1998～2012年3B43數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中TRMM 3B43數(shù)據(jù)資料是由全球降水資料、全球格點(diǎn)雨量測量器資料和TRMM3B42合成的逐月平均全球格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集[11]。利用MATLAB軟件，提取1998年1月～2012年12月的TRMM3B43降水速率層，之后通過降水速率(mm/h)乘以各月的總時間(h)生成月降水量格點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)及相關(guān)說明文件可從NASA網(wǎng)站(http：//mirador.gsfc.nasa.gov/)下載。

1.2降水距平百分率計(jì)算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(biāo)之一，同時也是我國氣象干旱評估的主要參數(shù)之一[12-13]。某時段降水距平百分率(Pa)計(jì)算公式如下：

Pa=(Pi-P′)/P′

(1)

(2)

式中，Pa為降水距平百分率；Pi為某時段降水量；P′為計(jì)算研究時段多年同期平均降水量；n為1～30年，i=1，2，…，n。

1.3分析方法根據(jù)《中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的旱情等級標(biāo)準(zhǔn)，對降水距平百分率與干旱等級關(guān)系進(jìn)行了定義[14]，根據(jù)月尺度、季尺度、年尺度的降水距平百分率將旱情劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5個等級。該研究以1998～2008年云南地區(qū)29個氣象站的月降水觀測數(shù)據(jù)為自變量，與其對應(yīng)的TRMM各格點(diǎn)內(nèi)的月降水?dāng)?shù)據(jù)為因變量，分別在年、季、月尺度上構(gòu)建一元線性回歸方程，對TRMM3B43數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上根據(jù)2008～2012年TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，通過公式(1)、(2)分別計(jì)算云南省不同時段TRMM降水距平百分率和累計(jì)降水距平百分率，利用ArcGIS軟件進(jìn)行克里金插值，對照干旱等級標(biāo)準(zhǔn)分析2008～2012年云南省旱情的時空分布特征。

2　結(jié)果與分析

2.1TRMM數(shù)據(jù)的有效性分析從TRMM降水和站點(diǎn)實(shí)測降水的散點(diǎn)圖和線性回歸方程(圖1)可以看出，TRMM降水與實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)存在顯著相關(guān)，其中月尺度上的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99以上，季尺度上的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92以上，年尺度上的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98以上。說明在宏觀性區(qū)域中，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在干旱監(jiān)測方面具有較好的可靠度，能夠彌補(bǔ)實(shí)測站點(diǎn)在全省性宏觀方面干旱監(jiān)測的不足。

圖1　TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測值的相關(guān)性分析Fig.1　The correlation analysis of TRMM precipitation data with the site measured values

2.2基于TRMM的云南省干旱分析

2.2.1月尺度干旱時空分布特征。從圖2可以看出，云南省旱情出現(xiàn)受降水影響顯著，2008年干旱主要發(fā)生3、4、12月，其中12月干旱面積最大且旱情最嚴(yán)重，中旱和輕旱分別占全省面積的4.79%和18.91%；2009年干旱主要發(fā)生在1、2、3、5、10、11和12月，其中1和12月干旱面積最大，2、11和12月旱情最為嚴(yán)重，重旱和特旱的所占比例分別為6.70%、14.63%、20.28%和7.43%、2.20%、2.34%；2010年干旱主要發(fā)生在1、2、3和11月，其中1月干旱面積最大且旱情最為嚴(yán)重，特旱、重旱和中旱的所占比例分別為1.06%、22.91%和45.65%；2011年干旱主要發(fā)生在2、11和12月，其中2月干旱面積最大且旱情最為嚴(yán)重，重旱、中旱和輕旱的所占比例分別為15.95%、23.57%和49.47%；2012年除6～9月外，其余月份均發(fā)生不同程度的干旱，其中12和10月旱區(qū)面積最大，12月旱情最為嚴(yán)重，特旱、重旱和中旱的所占比例分別為11.59%、35.68%和22.55%?？傮w來看，云南省干旱發(fā)生頻次最多的月份主要集中在1、2、11和12月，該月份內(nèi)降雨最少，發(fā)生干旱面積最大且旱情最嚴(yán)重。其中特旱主要出現(xiàn)在11和12月，重旱主要出現(xiàn)在11、2、12和1月，中旱主要發(fā)生在12和2月，輕旱主要發(fā)生在2月，而在降水最多的6～9月份干旱出現(xiàn)次數(shù)較少。

分析干旱頻發(fā)的11、12、1和2月云南省旱情空間分布特征(圖3)發(fā)現(xiàn)，干旱主要出現(xiàn)在滇中和滇西南地區(qū)，其旱情不僅出現(xiàn)時間最早，且旱情最嚴(yán)重。1月干旱主要分布在滇中北部和滇西南，特旱和重旱主要出現(xiàn)在滇中東北部和滇西南東部地區(qū)；2月干旱向東部和南部移動，主要分布在滇西南、滇中、滇東南和滇東北，特旱和重旱主要出現(xiàn)在滇西南的南部和東部；11月干旱主要分布在滇中、滇西南和滇西北地區(qū)，特旱和重旱主要出現(xiàn)在滇中東北部和滇西南東部地區(qū)；12月干旱范圍東部和南部擴(kuò)大，主要分布在滇西南、滇東南和滇中，特旱和重旱主要出現(xiàn)在滇西南東部。

綜上所述，TRMM降水距平百分率表明云南旱情在時間和空間上的分布不均勻，從2009年以后干旱事件頻繁發(fā)生，旱區(qū)范圍擴(kuò)大，且旱情有加劇的趨勢，其不僅與不同指數(shù)(如SPI、SPEI、TVDI)研究下的云南省干旱時空分布特征基本一致[15-18]，也與云南省近幾年的實(shí)際情況基本相符。

圖2　2008～2012年云南省各月份干旱分布情況Fig.2　Distribution of drought in Yunnan Province during 2008-2012

圖3　干旱頻發(fā)月內(nèi)旱情空間分布Fig.3　The spatial distribution of drought in drought prone months

2.2.2干旱累計(jì)時空分布特征。干旱作為一個緩慢的累積過程，某月的干旱程度不僅與當(dāng)月的降水量有關(guān)，還與前期的降水量也相關(guān)[6]。分別計(jì)算2008年10月～2009年3月、2009年10月～2010年3月、2010年10月～2011年3月、2011年10月～2012年3月4個時段不同月份之間的累積降水距平百分率，從圖4可以看出，干旱主要出現(xiàn)在10月～次年1月，其出現(xiàn)干旱面積較大，且旱情較嚴(yán)重。其中2008年10月～2009年3月并無旱情；2009年10月～2010年3月干旱范圍最廣，旱情以中旱為主，2009年10月～2010年1月干旱范圍最廣，旱區(qū)面積占全省總面積的96.40%，其特旱、重旱和中旱的面積所占比例分別為2.88%、22.31%和51.77%；2010年10月～2011年3月僅部分地區(qū)出現(xiàn)輕旱；2011年10月～2012年3月出現(xiàn)干旱范圍較大，旱情以輕旱為主，2011年10月～2012年1月干旱范圍最廣，旱區(qū)面積占全省總面積的61.88%，其重旱、中旱和輕旱的面積所占比例分別為0.01%、16.30%和45.57%。

從圖5可以看出，2008年10月～2009年3月云南無旱情，2010年10月～2011年3月僅在滇西南南部和滇東南東部出現(xiàn)小面積輕旱，而全省其他地區(qū)均無旱情。2009年10月～2010年3月僅滇東北和滇西南部分地區(qū)未出現(xiàn)旱情，其余大部分地區(qū)出現(xiàn)中旱、重旱和特旱，其中重旱地區(qū)主要分布在滇西北、滇西南、滇中以及滇東南地區(qū)，滇中地區(qū)旱情最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了特旱。2011年10月～2012年3月云南省大范圍呈現(xiàn)輕旱，滇中和滇西北地區(qū)出現(xiàn)中旱，其中滇中地區(qū)最為嚴(yán)重。

3　結(jié)論

根據(jù)1998～2012年TRMM3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，通過驗(yàn)證TRMM數(shù)據(jù)的有效性，分別計(jì)算TRMM降水距平百分率和累積降水距平百分率，進(jìn)而分析2008～2012年云南省干旱特征。結(jié)果表明，云南省干旱受降水影響顯著，干旱主要發(fā)生在降水最少的1、2、11和12月，其中特旱主要出現(xiàn)在11和12月，重旱主要出現(xiàn)在11、2、12和1月，中旱主要發(fā)生在12和2月，輕旱主要發(fā)生在2月，在降水最多的6～9月份干旱出現(xiàn)次數(shù)較少；在干旱頻發(fā)月份中，干旱主要出現(xiàn)在滇中和滇西南地區(qū)。從干旱累計(jì)時空分布特征來看，云南省干旱主要出現(xiàn)在10月～次年1月，主要出現(xiàn)在滇中地區(qū)，其干旱面積不僅最大，且旱情最為嚴(yán)重。TRMM數(shù)據(jù)在云南省具有較好的實(shí)用性，可用于全省大范圍的旱情監(jiān)測。

圖4　2008～2012年干旱累計(jì)分布Fig.4　The cumulative distribution of drought during 2008-2012 year

圖5　2008～2012年云南省累積干旱空間分布Fig.5　The spatial distribution of cumulative drought in Yunnan Province during 2008-2012

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Analysis on Drought in Yunnan Based on TRMM Precipitation Data

CAO Yan1, WANG Jie1, ZHANG Peng2et al

(1. Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research, Kunming, Yunnan 650228; 2. Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098)

Based on the TRMM3B43 precipitation data from 2008 to 2012, TRMM precipitation anomaly and accumulated precipitation anomaly was calculated to study temporal and spatial distribution characteristics of drought in Yunnan Province in different time scale. The results showed that, precipitation was the main factor affecting drought in Yunnan Province, drought mainly occurred in Feb., Jan., Nov. and Dec., the special drought mainly occurred in Nov. and Dec., the heavy drought mainly occurred in Nov., Feb., Dec. and Jan., the moderate drought mainly occurred in Dec. and Feb., the light drought mainly occurred in Feb., in the drought prone months, the drought mainly happend in central area of Yunnan and southwestern Yunnan; From the cumulative drought in Yunnan Province, the drought mainly occurred from Oct. to Jan. Of next year and mainly happend in central area of Yunnan; TRMM data can be used for medium and long-term drought monitoring. TRMM data are more suitable than measured data in wide-range drought monitoring.

TRMM; Drought; Precipitation; Spatial and temporal distribution; Yunnan Province

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012CA021)。

曹言(1987- )，男，陜西戶縣人，工程師，碩士，從事水文水資源及遙感等研究。

2016-06-23

S 16

A

0517-6611(2016)24-195-06