薛 健, 李宗省, 李宗杰, 桂 娟

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 高寒山區(qū)同位素生態(tài)水文與環(huán)境保護觀測研究站/甘肅省祁連山生態(tài)環(huán)境研究中心/內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室, 蘭州 730000; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

大氣降水作為全球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是維持全球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，也是氣象氣候等研究領(lǐng)域的重要研究對象。因此，獲取高精度的降水資料對于認識和了解陸地表面過程以及制定相應(yīng)水利管理措施具有重要意義[2]。目前國內(nèi)已有不少學者利用TRMM 3B43降水數(shù)據(jù)在我國高寒山區(qū)開展了相關(guān)研究，齊文文等[3]研究表明了青藏高原降水自東南向西減少的分布規(guī)律;王曉杰等[4]研究表明TRMM數(shù)據(jù)在天山及周邊地區(qū)具有很好的適用性;吳雪嬌等[5]分析驗證了TRMM多衛(wèi)星數(shù)據(jù)在黑河流域的適用性。祁連山位于西北內(nèi)陸地區(qū)，海拔較高，對氣候變化的響應(yīng)非常明顯。國內(nèi)學者對于祁連山地區(qū)降水的研究主要集中在時空分布以及結(jié)合同位素分析降水的化學與環(huán)境意義方面，例如，虞敏等[6]研究分析了近30 a祁連山南坡降水量年內(nèi)分配與汛期降水量的變化特征;馬興剛等[7]結(jié)合大氣降水中的穩(wěn)定同位素研究分析了祁連山的水汽來源及輸送過程，而關(guān)于降水數(shù)據(jù)精度檢驗和變化趨勢方面的研究較少[8]。祁連山作為西北地區(qū)不可或缺的生態(tài)屏障，驗證該區(qū)域降水數(shù)據(jù)精度并分析其時空分布特征，對該地區(qū)的氣候監(jiān)測及分析、生態(tài)系統(tǒng)保護和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9]，以期為祁連山等高寒地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護和資源開發(fā)等提供必要的氣象理論支持。

1 研究區(qū)概況

祁連山(36°30′—39°30′N,93°30′—103°E)位于我國西北青海與甘肅兩省的交界地帶，東西綿延約1 000 km，南北寬200～400 km，西端在當金山口與阿爾金山脈相接，東至黃河谷地與秦嶺、六盤山相連，北抵河西走廊，南至柴達木盆地。祁連山地區(qū)有三分之一的山脈海拔高于4 000 m，祁連山最高峰為團結(jié)峰，海拔5 828.6 m[10]。祁連山以青海湖和哈拉湖為界被分為東、中、西三段。祁連山區(qū)具有大陸性氣候與高山氣候的特征，年均降水量300～700 mm左右，是一座天然“高山水塔”，同時也是我國河西內(nèi)陸水系、青海內(nèi)陸水系以及黃河上游水系的發(fā)源地[11-12]。祁連山區(qū)分布有大量現(xiàn)代冰川及森林草原，是河西走廊綠洲灌溉的主要水源，因此，祁連山地區(qū)的氣候變化會對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重要影響[13]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源為TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)3B43衛(wèi)星檢測的大氣降水數(shù)據(jù)信息以及祁連山地區(qū)氣象站點實測數(shù)據(jù)信息。本研究選用了1998—2018年TRMM3B43 V7月尺度降水數(shù)據(jù)，其空間分辨率高達0.25°×0.25°，有效監(jiān)測范圍為南北緯50°之間。氣象臺站實測降水數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站，包括1998—2018年研究區(qū)內(nèi)20個氣象臺站各月降水數(shù)據(jù)，時間尺度與遙感數(shù)據(jù)相一致，臺站分布情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍及氣象臺站分布

2.2 研究方法

2.2.1 TRMM降水數(shù)據(jù)預處理 本研究下載的原始數(shù)據(jù)格式為NetCDF，首先在ArcGIS軟件中將其轉(zhuǎn)換為柵格格式的TIF文件，然后按照研究區(qū)進行裁剪，由于TRMM3B43V7原始月降水數(shù)據(jù)為降水強度(mm/h)，所以應(yīng)該先按照各月天數(shù)累加，最終得到逐月降水量，轉(zhuǎn)換公式如下[14]:

Pi=Ti×di×24

式中:Pi為第i月降水量(mm);Ti為降水強度(mm/h);di為第i月的天數(shù)。

2.2.2 精度檢驗 本文使用相關(guān)系數(shù)(R)、相對誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)和相對誤差(BIAS)等指標來對該衛(wèi)星降水精度進行檢測。R的范圍為[-1,1]用來表明TRMM降水數(shù)據(jù)和臺站實測降水數(shù)據(jù)的相關(guān)程度[15];ME用于驗證TRMM降水數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)的偏差，取值范圍為(-∞,+∞),0為最優(yōu)值[16]。相對誤差指標可反映衛(wèi)星和氣象站點所測得的數(shù)據(jù)偏離程度，其值越小則說明TRMM所測數(shù)據(jù)越準確[17];均方根誤差所反映的是TRMM和氣象站點所測數(shù)據(jù)之間的整體偏差情況，其值越小則說明兩者所測的數(shù)據(jù)之間越接近[18]。

2.2.3 Sen′s斜率估計與Mann-Kendall突變檢驗本研究采用Sen′s斜率估計方法，在一定顯著性水平α下完成統(tǒng)計量檢驗，得到變化率的范圍，根據(jù)其中值大小來完成時間序列變化趨勢判斷。Sen公式為[19]:

式中:Senij中Sen為斜率;xi和xj分別為第i和第j時刻的序列值,10,表示呈上升趨勢;若斜率<0,表示呈下降趨勢。

Mann-Kendall檢驗法是由學者Mann等人提出的一種非參數(shù)檢驗方法，在該方法提出之后，氣象領(lǐng)域諸多學者開始利用此方法來對降水量等環(huán)境要素時間序列變化趨勢進行分析和研究[20]。MK突變檢驗檢測結(jié)果受干擾較小，可較為精確的表示時間序列的變化趨勢[21-22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 TRMM降水數(shù)據(jù)時間尺度評估

首先，將祁連山范圍內(nèi)20個氣象站點從1998年1月—2018年12月的所有氣象站點的實測月降水數(shù)據(jù)作為自變量，相應(yīng)的TRMM降水數(shù)據(jù)作為因變量進行一元線性回歸分析，得到相關(guān)關(guān)系如圖2所示，并計算其相關(guān)系數(shù)和相對誤差[23]。由計算可知，TRMM和氣象站點所測降水數(shù)據(jù)在年尺度上相關(guān)系數(shù)為R2=0.79和相對誤差Bias=9.24%。該相關(guān)系數(shù)可以說明兩者之間具有較為顯著的相關(guān)性，而通過相對誤差結(jié)果體現(xiàn)出了TRMM降水量值大于氣象站點實測降水量值，即存在高估現(xiàn)象。

圖2 年尺度與月尺度散點圖

其次，利用上述內(nèi)容中研究區(qū)內(nèi)20個站點1998—2018年的氣象站點實測數(shù)據(jù)和TRMM降水數(shù)據(jù)，按季節(jié)累加可得到季尺度降水數(shù)據(jù)(春季3月、4月、5月;夏季6月、7月、8月;秋季9月、10月、11月;冬季12月、翌年1月、2月)。從計算結(jié)果可以得知(圖3)，春、夏兩個季度的相關(guān)系數(shù)R2均為0.69，秋季的相關(guān)系數(shù)為0.7，與其較為接近;而冬季的相關(guān)系數(shù)R2較低僅有0.44，春、夏、秋3個季度的TRMM降水數(shù)據(jù)與實測站點數(shù)據(jù)相關(guān)性較為良好，而在降水較少的冬季，TRMM降水數(shù)據(jù)與實測站點數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差。各季度的相對誤差分別為春季9.8%、夏季7.79%、秋季7.85%和冬季31.3%。從上述結(jié)果可以看出，除冬季之外的3個季度，TRMM降水數(shù)據(jù)與實測站點降水數(shù)據(jù)相比均存在輕微的高估現(xiàn)象;而冬季TRMM和氣象站點所測降水數(shù)據(jù)誤差較大，說明TRMM降水數(shù)據(jù)在冬季存在嚴重的高估現(xiàn)象。

圖3 季尺度散點圖

將月尺度的TRMM降水數(shù)據(jù)和實測站點降水數(shù)據(jù)按年份進行累加，可以得到分別得到1998—2018年的逐年TRMM和氣象站點所測降水數(shù)據(jù)。分析可知年尺度下兩者的相關(guān)系數(shù)為0.74，略低于月尺度，但仍具有較高的相關(guān)性。而相對誤差Bias值為9.32%，與月尺度下的誤差較為接近，也反映了高估的現(xiàn)象。

就整體而言，TRMM3B43降水數(shù)據(jù)在時間尺度上的驗證精度較為良好，還需進一步就空間尺度進行檢驗。

3.2 TRMM降水數(shù)據(jù)空間尺度評估

本文計算了研究區(qū)范圍內(nèi)20個氣象站點實測數(shù)據(jù)與TRMM降水數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(R)、平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)。根據(jù)檢測結(jié)果可知(表1)，TRMM和氣象站點所測降水數(shù)據(jù)在整體上相關(guān)性良好，除武威、冷湖和諾木洪之外，其余臺站的相關(guān)系數(shù)R均在0.8以上。臺站實測數(shù)據(jù)與TRMM降水數(shù)據(jù)的平均誤差在托勒、剛察、西寧、烏鞘嶺、共和、臨夏和德令哈出現(xiàn)了負值，說明TRMM降水數(shù)據(jù)存在被站點低估的現(xiàn)象，而在其他站點則存在一定高估現(xiàn)象，其中對TRMM降水數(shù)據(jù)高估最嚴重的站點為武威，兩者之間誤差為21.1 mm。除此之外對RMSE分析發(fā)現(xiàn)，除武威、永昌之外，其余臺站的均方根誤差均在30 mm以內(nèi)，說明整體上各個臺站TRMM降水數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性較為良好，偏離程度較低。

表1 1998-2018年TRMM降水與實測臺站降水精度評估

3.3 時空特征

3.3.1 時間分布特征 經(jīng)計算，研究區(qū)的多年平均降水量為268.08 mm，通過Sen′s斜率分析和距平可知，近21 a的降水量呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，上升速率為3.05 mm/(10 a)(p<0.05)(圖4)。這也與孫美平等[24]的研究結(jié)果相一致。

圖4 年降水量及其距平/年際變化

祁連山地區(qū)的降水具有季節(jié)分配不均的特征，春、夏、秋、冬四季的平均降水量分別為48.36 mm，158.77 mm，54.92 mm和5.97 mm，分別占年均降水總量的18.03%，59.22%，20.48%和2.22%。由此可以看出，祁連山地區(qū)夏季降水量占全年降水比重最大，春季和秋季的降水較為接近，冬季的降水量最低。由圖5可以看出，祁連山地區(qū)年內(nèi)降水變化明顯，5—9月是全年降水的集中階段，各月降水均在30 mm以上，占到了年降水總量的85.63%，其中，降水最多的月份是7月，達到了58.22 mm。總體而言，祁連山各月降水大致是以7月為中心呈對稱分布。

圖5 月均降水量分布

3.3.2 空間分布特征 祁連山大致呈西北東南走向，由于受到地形和大氣環(huán)流的影響，降水量空間分布不均，整體上由西北向東南遞增。因為祁連山東部處于季風作用區(qū)，在夏季受到東南季風的影響，有大量水汽進入，山脈對氣流產(chǎn)生阻擋，迫使氣流抬升形成降水，降水量相對較大;而祁連山西部地區(qū)由于地形原因，降水較少，氣候較為干旱[25-26]。

祁連山地區(qū)各個季節(jié)的降水空間分布具有一定差異。春季降水量的最大值出現(xiàn)在門源、西寧附近地區(qū)，大約為115 mm，中西部降水稀少;與春季相比，夏季祁連山地區(qū)降水的高值范圍擴大，有向西移動的趨勢，最大降水高度帶的海拔也明顯上升，主要集中在門源、西寧、剛察和祁連等地區(qū)，最大值達到了287 mm，而西部地區(qū)降水依然較少;秋季降水的空間分布幾乎與春季一致，區(qū)別為低值范圍擴大，高值范圍減少，降水依然主要集中于門源、西寧一帶，降水最大值為114 mm，基本與春季持平;冬季的降水量最少，最大值也僅為12 mm左右，出現(xiàn)在東部的烏鞘嶺與西部的德令哈附近，中部地區(qū)降水最為稀少，略低于西部地區(qū)。

3.4 突變檢驗

為了更加清楚地了解祁連山地區(qū)近21 a來降水量的變化規(guī)律，本文對研究區(qū)20個氣象臺站的年尺度與季尺度降水進行了Mann-Kendall突變檢驗。

從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖6)，祁連山地區(qū)年降水量的UF值在1998—2001年小于0，從2002—2018年UF值一直保持穩(wěn)步上升，甚至在2017年超過了臨界值，說明降水量有明顯上升趨勢。就季尺度而言，春季與冬季降水的UF值整體較為平穩(wěn)，多年來圍繞0值波動變化;而夏季降水的UF值在經(jīng)歷了短暫的下降之后逐漸上升，秋季降水的UF值在21 a來均大于0。就突變情況而言，年尺度下的降水量在2016年出現(xiàn)了一次突變，突變后呈明顯的上升趨勢。春季降水量在2001年發(fā)生了第一次突變，但之后的變化趨勢不明顯;第二次突變出現(xiàn)在2015年，之后呈現(xiàn)上升趨勢但未超過臨界值。夏季降水量突變從2016年開始，一直呈上升趨勢。秋季降水量從1999年起，先呈上升趨勢之后逐漸平穩(wěn);在2011年發(fā)生第二次突變，此次突變之后先有短暫下降趨勢之后逐漸平穩(wěn)。冬季降水量波動變化最為顯著，但未出現(xiàn)顯著的上升或下降趨勢。整體看來，研究區(qū)范圍內(nèi)降水量體現(xiàn)出在20世紀末經(jīng)過一段下降之后一直呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖6 Mann-Kendall突變檢驗

4 討 論

本文利用了TRMM 3B43衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)并結(jié)合祁連山地區(qū)1998—2018年臺站降水數(shù)據(jù)進行了精度檢驗，并對其時空分布特征與降水突變情況進行了研究。精度檢驗結(jié)果表明TRMM數(shù)據(jù)在祁連山地區(qū)適用性較好，在年尺度與月尺度上均與實測臺站有較高的相關(guān)性，這與孫美平等[24]關(guān)于祁連山最大降水高度帶的研究結(jié)果基本相同。就整體而言，TRMM數(shù)據(jù)在祁連山地區(qū)表現(xiàn)出了一定程度的高估現(xiàn)象，其中在冬季高估現(xiàn)象最為明顯。另外，發(fā)現(xiàn)在這一時期內(nèi)降水量整體上有波動上升的趨勢，該研究結(jié)論與虞敏等[6]和陳志昆等[8]對祁連山降水研究的結(jié)論大致相同。而本文關(guān)于祁連山降水季節(jié)分布的研究結(jié)論也與王海軍等[27]利用GIS研究祁連山區(qū)降水時空變化的結(jié)論基本一致。目前，TRMM衛(wèi)星資料在低緯度地區(qū)的研究已經(jīng)取得了一系列進展，例如嵇濤等[28]驗證了TRMM數(shù)據(jù)在川渝地區(qū)的精度;史婷婷等[29]利用TRMM數(shù)據(jù)對于福建省降水進行了時空格局分析;Su等[30]結(jié)合TRMM資料，在南美洲拉普拉塔河流域幫助進行了水文模擬。而在較高緯度的高原地區(qū)，由于氣候條件復雜、人跡罕至，氣象站點的稀缺和損耗給精度驗證帶來了一定困難，還需要更多的研究結(jié)果來加以論證，因此在高原地區(qū)還需要投入更多的觀測設(shè)備與研究精力來加深衛(wèi)星對其探測效果的認知?？傮w而言，TRMM衛(wèi)星在中低緯度的探測結(jié)果較為準確，精度較高，有著良好的應(yīng)用前景，在研究手段日益多元化的今天，可以考慮將TRMM數(shù)據(jù)的利用從小范圍推至大尺度，從而能夠?qū)^(qū)域降水有更加全面與宏觀的把握;而對于高原復雜地形區(qū)，可以考慮結(jié)合降尺度等一系列方法來進一步提高其精度[31]，為今后高原地帶TRMM數(shù)據(jù)適用性研究提供更加準確的參考。

本文利用TRMM降水數(shù)據(jù)與實測臺站數(shù)據(jù)進行了精度驗證，但由于祁連山地區(qū)海拔較高、地形復雜，氣象臺站并未均勻分布在研究區(qū)內(nèi)，對于缺少臺站的部分區(qū)域，難以對其插值結(jié)果進行評估。因此，今后還需展開進一步深入的研究來加以驗證。

祁連山地區(qū)降水呈現(xiàn)空間分布差異是由于東南暖濕氣流提供大量水汽，而祁連山西段由于受到地形影響，導致降水量東西差異明顯。從時間變化的角度來看，祁連山降水增加趨勢的背后，實際上也是對全球氣候變暖的響應(yīng)，產(chǎn)生這一變化的原因可能是近年來祁連山地區(qū)局地農(nóng)業(yè)開發(fā)導致灌溉面積擴大以及祁連山地區(qū)的植被覆蓋情況呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢推動了當?shù)亍熬G洲化”的過程，使得陸面實際蒸發(fā)和低層大氣水含量增加，由此削弱了干燥區(qū)域雨滴降落時的蒸發(fā)效應(yīng)，增強了臨近區(qū)域降水頻次[32-33]。結(jié)合西北地區(qū)水資源總量缺乏的背景，降水量的增加推動了祁連山地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)，但也要警惕并防范降水增加后可能帶來的一系列地質(zhì)災(zāi)害，因此，相關(guān)部門需要加強對氣候變化的監(jiān)測和災(zāi)害預警，減緩雪災(zāi)、洪澇等極端事件帶來的危害。

5 結(jié) 論

(1) TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)在祁連山地區(qū)整體精度良好，適用性較強，與實測臺站數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在年尺度和月尺度下分別為0.74，0.79，在季尺度下的相關(guān)系數(shù)略低于年尺度和月尺度，其中在降水最少的冬季最低，僅為0.44，相對誤差達到了31.3%，存在明顯的低值高估現(xiàn)象。

(2) 從時空分布來看，祁連山地區(qū)降水量整體處于波動上升的變化趨勢，一年中夏季降水所占比重最大，5—9月的降水量占據(jù)了全年降水量的80%以上;多年平均降水量分布由于受到地形和大氣環(huán)流的影響呈現(xiàn)自東向西遞減的趨勢。

(3) 從Mann-Kendall突變檢驗分析來看，祁連山地區(qū)降水量在年尺度與季尺度上均表現(xiàn)出了一定的上升趨勢，并出現(xiàn)了幾次明顯的突變增加，說明近21 a來祁連山地區(qū)降水整體上在經(jīng)歷波動變化之后有增加的趨勢。