浮媛媛， 張洪巖， 趙建軍， 劉小嬋， 李雪冬 (東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在省級尺度的應(yīng)用研究
——以遼寧省為例

浮媛媛， 張洪巖*， 趙建軍， 劉小嬋， 李雪冬 (東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

利用1998年1月～2010年12月空間連續(xù)分布的TRMM衛(wèi)星3B43月降水量資料，借助氣候傾向率指數(shù)和GIS空間分析技術(shù)，以遼寧省為例，對TRMM數(shù)據(jù)在省級尺度的適用性進(jìn)行驗證，并對遼寧省近13年來降水時空分布及其變化特征進(jìn)行定量化分析。結(jié)果表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性很高，數(shù)據(jù)具有較高的精度；遼寧省年降水量主要為425～1 082 mm，且總體上表現(xiàn)為由全區(qū)東南向西北依次遞減的趨勢；年內(nèi)降水主要集中在5～9月，該時期的降水量占全年降水總量的70%以上，其中，7月份的降水量最大，為全年降水量的20%，而2月份最小，不足全年降水量的2%，季節(jié)性變化明顯；近13年間，遼寧省平均年降水量總體上呈增加趨勢，但在夏季降水量呈現(xiàn)減少的趨勢，其中遼西區(qū)和遼中區(qū)尤為明顯，說明近13年來這些地區(qū)春夏連旱的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

TRMM；省級尺度；遼寧??；降水變化

作為水文循環(huán)中最活躍和最重要的物理過程之一，降雨同時也是水文模型最基本的輸入資料，它具有明顯的時空差異[1]。由于站網(wǎng)密度、站點位置等因素的限制，常規(guī)的地面觀測不能準(zhǔn)確反映降雨的空間分布與強(qiáng)度變化，而利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行測雨，可以獲得大范圍連續(xù)觀測的降雨數(shù)據(jù)，且微波遙感能夠穿透云體，利用微波遙感這一特性可以對云、雨進(jìn)行更為直接、深入的探測[2]。熱帶測雨衛(wèi)星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)自1997年成功發(fā)射以來，已向陸地發(fā)回多種高時間和空間分辨率探測數(shù)據(jù)，為與降雨有關(guān)的研究提供了新的數(shù)據(jù)支撐[3]。

國外內(nèi)許多學(xué)者在TRMM降雨分析和降雨資料驗證等方面已經(jīng)做了大量工作，如Huffman等分別將日尺度與月尺度上的TRMM 3B42 RT數(shù)據(jù)與氣象觀測數(shù)據(jù)、雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢測，結(jié)果顯示TRMM數(shù)據(jù)與站點觀測數(shù)據(jù)之間線性相關(guān)性很高[4]；白愛娟等采用TRMM 3B41 RT資料，分別在陜西周邊區(qū)域及青藏高原區(qū)域與站點數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)降雨的基本特征可以由TRMM數(shù)據(jù)很好地體現(xiàn)出來[5-6]。許多研究表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量總體上比較可靠，且TRMM數(shù)據(jù)的精度隨著時間尺度的增加也會有所提高，因而可有效支持大范圍、長尺度的氣候模擬預(yù)報以及長尺度降水時空動態(tài)特征的分析等[7]。之前的研究中，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)多應(yīng)用在低緯度地區(qū)，在中高緯度地區(qū)的驗證以及應(yīng)用較少，且以往對TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的驗證過程中，以大尺度區(qū)域為研究對象的較多，在省級尺度應(yīng)用較少，TRMM數(shù)據(jù)在省級尺度應(yīng)用的精確性和有效性還存在一些不確定性。遼寧省位于北半球的中緯度，省內(nèi)地形差異十分明顯，其降水存在明顯的區(qū)域特征， 而目前在遼寧省的衛(wèi)星測雨分析及資料驗證等方面的研究還很少， 因此筆者將遼寧省作為一個省級尺度的案例來研究，給出TRMM降雨的時空分布特征及其精度狀況，并在此基礎(chǔ)上分析各區(qū)的降水特征，可以為TRMM降雨數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于省級水文預(yù)報和水資源評價等方面提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況遼寧省位于我國東北地區(qū)的南部，地處亞歐大陸的東岸(118°48＇～125°42′E、43°27＇～ 38°30′N)；遼寧省東北與吉林省接壤，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)為鄰， 西南與河北省毗連，以鴨綠江為界河，和朝鮮相望，且南瀕黃海、渤海[8]。該省地形地勢復(fù)雜，北高南低，從陸地向海洋傾斜；山地丘陵分別位于遼東、遼西,中部為遼河平原,面積大約各占1/3[9]。遼寧地處中緯度地帶，仍屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其全年平均氣溫在 7 ～11 ℃，年降水量在 600～1 100 mm[8]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理遙感數(shù)據(jù)采用NASA網(wǎng)站(http://trmm.gsfc.nasa.gov/)每月發(fā)布的TRMM 3B43格點化數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為0.25° ×0.25°，時間分辨率為3 h，數(shù)據(jù)空間范圍為50°S ～ 50°N、180°W ～ 180°E，時間段為1998 ～ 2010年。氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)獲取，考慮到資料的完整性，最終選取遼寧省27個站點(圖1)1998～2010年的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集進(jìn)行試驗。

利用ENVI軟件對TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行拼接；在ArcGIS中對其進(jìn)行投影變換；利用遼寧省矢量邊界裁剪出全省范圍的1998～2010年TRMM月降水量數(shù)據(jù)；然后將TRMM的月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行求和運算，得到TRMM的年降水量數(shù)據(jù)。

1.3 方法

1.3.1系統(tǒng)聚類法。首先采用系統(tǒng)聚類方法[10]對遼寧省的降水場進(jìn)行區(qū)域劃分。

1.3.2氣候傾向率指數(shù)。采用氣候傾向率指數(shù)來表征遼寧省同期降水變化趨勢，具體計算方法為[11-12]：設(shè)遼寧省某格點降水量時間序列可用一個一次直線方程來進(jìn)行定量化描述，即Y=b0+b1t，式中，Y為降水量；t為時間;b0為常數(shù)項。該區(qū)降水趨勢變化率方程可表示為： dy(t)/dt=b1，式中，b1為線性趨勢項；b1×10稱作氣候傾向率，其單位為mm/10a。一次直線方程中的系數(shù)可利用TRMM 數(shù)據(jù)降水序列通過一元線性回歸方法求得。此外，對于上述趨勢變化率方程中的線性趨勢項b1，可以采用F檢驗方法進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省降水場區(qū)域劃對所選擇的遼寧省27個降水觀測點進(jìn)行分析，采用聚類分析方法對遼寧省降水場進(jìn)行分區(qū)。根據(jù)結(jié)果可劃分為遼東南區(qū)、遼南區(qū)、遼中區(qū)以及遼西區(qū)4個區(qū)， 每個區(qū)域所包含的氣象站點分別為遼東南區(qū)包括丹東、寬甸、桓仁、草河口、岫巖，遼南區(qū)包括大連、長海、莊河、瓦房店、皮口，遼西區(qū)包括阜新、彰武、朝陽、葉柏壽、錦州、興城、綏中，遼中區(qū)包括鞍山、營口、熊岳、本溪、黑山、沈陽、新民章黨、清原、開原。

2.2 TRMM 數(shù)據(jù)有效性檢驗通常就局地而言，常規(guī)的地面站點降水觀測仍然是最準(zhǔn)確的測量[13-14]。在此，將遼寧省27個測站1998年1月～2010年12月間的站點觀測數(shù)據(jù)作為“真值”，把每個觀測站的月降水量和年降水量作為自變量，以與其對應(yīng)的TRMM 各格點內(nèi)的月降水量和年降水量為因變量[15]，通過構(gòu)建一元線性回歸方程對TRMM 數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗。從圖2可以看出，由于TRMM數(shù)據(jù)和地面測站

數(shù)據(jù)在空間尺度上存在差異，所以TRMM 與地面站點觀測的月、年降水量之間會存在一定的偏差，但從總體上來看，兩者間的相關(guān)性是非常高的，在月降水尺度上，擬合度為0.76；在年降水尺度上，擬合度高達(dá)0.81。說明此TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)具有很高的可信度，可以用來對遼寧省近13年來降水時空變化特征進(jìn)行有效的定量分析。

2.3 基于TRMM數(shù)據(jù)的遼寧省降水時空分布特征分析

2.3.1年際變化特征。從1998～2010年時間序列統(tǒng)計(表1)可以看出，遼寧省多年平均降水量為687.67 mm，其中遼西區(qū)、遼中區(qū)、遼東南區(qū)和遼南區(qū)分別為551.69、718.92、932.45和604.18 mm。另外，對于遼寧省平均降水量年際變化，遼西區(qū)最小，遼南區(qū)、遼東南區(qū)次之，遼中區(qū)最大，說明遼中區(qū)在13年間年降水量波動程度是最大的。

表1 基于TRMM 數(shù)據(jù)的遼寧省1998～2010年平均降水量統(tǒng)計值

另外，從遼寧省多年平均降水量空間分布來看(圖3)，其年降水量主要為425～1 082 mm，且總體上表現(xiàn)為由全區(qū)東南向西北依次遞減的趨勢，這與遼寧地域特征有密切聯(lián)系。其中降水量最小值出現(xiàn)在遼西區(qū)，這是由于遼西區(qū)的濕度條件相對于遼中區(qū)較差，降水條件不利；遼東南區(qū)南臨黃海，東臨鴨綠江，其特殊的地理位置就決定了其在全區(qū)降水量是最大的[9]。

2.3.2年內(nèi)分布特征。從表2可以看出，遼寧降水具有明顯的季節(jié)性，對于全區(qū)來說，降水主要集中于每年的5～9月，這一時期降水量占全年總降水量的70%以上；其中，7月份降水量最大，為全年降水總量的23.72%，而2月份最小，不足全年降水總量的2%。遼西區(qū)、遼中區(qū)、遼東南區(qū)和遼南區(qū)降水與全區(qū)相同，主要集中于每年的5～9月，尤其對于6、7、8月，降水是最集中的；且4個分區(qū)每年降水量最大值均在7月份，最小值均在2月份，說明4個分區(qū)降水量與全區(qū)的全年的降水趨勢大體是一致的。

從1998～2010年間遼寧省月平均降水量空間分布(圖4)來看，春季(3～5月)全省降水量逐漸增加，尤其是遼東南區(qū)降雨量增加的最多；夏季(6～8月)降水量明顯增多，7月份降水量達(dá)全年最大值，但就夏季總降水量來說，東西差異非常明顯，遼西區(qū)部分地區(qū)還不到400 mm，而東南地區(qū)最多達(dá)600 mm以上；秋季(9～11月)雨量驟減，尤其對于遼西區(qū)來說，降水量減少最多，這主要與西北季風(fēng)氣候逐漸增強(qiáng)密

表2 基于TRMM 數(shù)據(jù)的遼寧省各月平均降水量及占全年降水總量比重

切相關(guān)；冬季(12月～次年2月)降水量達(dá)最小值，特別是在2月份，一般僅有6～40 mm，這是因為此時全省空氣干冷、降雪稀少。

2.4 基于TRMM數(shù)據(jù)的遼寧省降水時空變化趨勢分析從1998～2010年間TRMM 數(shù)據(jù)并結(jié)合地面測站觀測數(shù)據(jù)的分析來看[15]，近13年遼寧省平均年降水量變化總體上呈現(xiàn)上升趨勢(圖5)，遼寧全區(qū)的增長率達(dá)16.53 mm/a；遼東南區(qū)的增長率最高，高達(dá)25.63 mm/a；遼南區(qū)次之，為20.31 mm/a；遼中區(qū)增長率為17.99 mm/a；遼西區(qū)增長率最低，僅為6.85 mm/a，說明近13年來遼西區(qū)降水雖然有所增加，但增加的程度并不大。

從空間分布來看，各個分區(qū)的降水差異也十分明顯。從圖6a來看，遼寧省年降水量氣候傾向率主要為52.99～217.69 mm/10a，均為正值，即年降水量主要表現(xiàn)為增加趨勢；且從全省的西北到東南方向氣候傾向率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，遼西區(qū)最小值不到53.00 mm/10a，而最大值出現(xiàn)在遼東南區(qū)，為217.69 mm/10a，且通過了F值顯著性檢驗，此檢驗在90%置信度區(qū)間。另外從全省27個地面觀測站點的全年降水量變化趨勢來看，兩者之間雖然存在著一定的差異，但也基本驗證了以上規(guī)律。其中，寬甸年降水量的增加趨勢最為明顯，其氣候傾向率為404.35 mm/10a，且也通過了F值顯著性檢驗(表3)。

表3 基于地面觀測數(shù)據(jù)的遼寧省測站全年和夏季降水量變化趨勢

序號測站全年氣候傾向率mm/10a顯著性檢驗F值夏季氣候傾向率mm/10a顯著性檢驗F值1彰武110.341.336-65.3960.2392阜新35.840.273-104.2100.7243開原234.552.176-101.7700.7084清原144.871.801-182.4601.2785朝陽-21.700.026-112.0101.0246葉柏壽3.680.001-53.5770.2167新民156.622.046-132.1501.2458黑山103.921.054-143.7501.2639錦州68.090.897-91.3020.68810鞍山183.962.453-86.7030.54311沈陽139.331.908-129.3201.13212本溪197.122.038-120.0801.10513章黨206.012.562-121.0301.11514桓仁354.244.566-58.6320.15815綏中111.071.503-149.9701.23216興城136.491.674-72.5770.42217營口143.902.064-94.6700.63218熊岳211.953.256-19.7140.02219草河口210.843.13474.3630.25120岫巖124.461.787-58.9230.10921寬甸404.355.338-130.9901.21122丹東51.670.176-70.2360.24123瓦房店237.933.453-36.4620.07824皮口227.453.334111.8901.02325長海199.292.99739.8020.09926莊河129.661.876-23.3080.02927大連197.202.045-26.4620.037

另外，從前文的分析得出，遼寧省的夏季降水量(6～8月)達(dá)全年降水量的50%左右，所以借助降水氣候傾向率指數(shù)對各個分區(qū)夏季降水量趨勢空間特征進(jìn)行分析也具有很大意義。從圖6b可以看出，在近13年間，遼寧省夏季降水量變化趨勢空間特征與年降水量有很大的不同；總體上，遼西區(qū)以及遼中的部分地區(qū)表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢，且在遼西區(qū)下降趨勢最大值達(dá)42.34 mm/10a，說明在夏季這些地區(qū)近年來降水量明顯減少；雖然在遼東南區(qū)以及遼南區(qū)部分地區(qū)表現(xiàn)出增加的趨勢，但最大值也不過僅有127.82 mm/10a。另外，就全省地面測站的全年降水量變化趨勢進(jìn)行分析，也基本驗證了上面所述規(guī)律(表3)。

3 結(jié)論與討論

以遼寧省為研究區(qū)，以其27個地面氣象觀測降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先探討了TRMM 衛(wèi)星3B43月降水量資料在省級尺度的適用性，并在此基礎(chǔ)上，對遼寧省時間序列長達(dá)13年的降水時空分布及其變化特征進(jìn)行了定量化分析，結(jié)果表明，基于氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)，運用系統(tǒng)聚類法，對遼寧省降水場進(jìn)行了有效分區(qū)，使得在省級尺度分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步分析省內(nèi)不同地區(qū)降水變化特征提供了依據(jù)；TRMM數(shù)據(jù)有效性檢驗結(jié)果顯示，TRMM數(shù)據(jù)與站點觀測數(shù)據(jù)的擬合度非常高，完全有效，對地下相對復(fù)雜的省份來說也具有較強(qiáng)的適用性；TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)相對于地面氣象站點觀測數(shù)據(jù)來說，具有較好的時空連續(xù)性，不僅有利于對研究區(qū)降水特征進(jìn)行較長時間序列分析，且在空間分布上，可以更直觀地顯示出遼寧省降水的年際和年內(nèi)變化特征。利用TRMM 3B43月降水時間序列數(shù)據(jù)分析遼寧省同期降水趨勢特征發(fā)現(xiàn)，在近13年間，遼寧省平均年降水量變化總體上呈增加趨勢；夏季，遼西區(qū)以及遼中的部分地區(qū)的降水變化表現(xiàn)出一定程度的下降趨勢，雖然在遼東南區(qū)以及遼南區(qū)部分地區(qū)表現(xiàn)出增加的趨勢，但增加趨勢并不大。

總體上來說，利用空間連續(xù)分布的TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)來分析遼寧省降水變化特征，有效克服了傳統(tǒng)地面雨量觀測中氣象站點數(shù)量及其空間分布合理性上的諸多不足，在宏觀尺度上其分析結(jié)果更為可靠，同時也說明了TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在中緯度地區(qū)也具有較強(qiáng)的適用性；當(dāng)前利用TRMM時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域同期降水趨勢特征研究還相對較少，筆者利用TRMM數(shù)據(jù)對遼寧省降水變化趨勢進(jìn)行分析，無論是對深入了解遼寧地區(qū)的氣候變化特征還是防災(zāi)減災(zāi)均提供了很好的科學(xué)依據(jù)

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The Application Research of the TRMM Precipitation Data in the Provincial Scale—A Case Study of Liaoning Province

FU Yuan-yuan, ZHANG Hong-yan*, ZHAO Jian-jun et al

(College of Geographical Science, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130024)

According to the monthly precipitation data of Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM)3B43 from January 1998 to December 2010, a case study as the provincial scale, the change of recent 13-year precipitation in Liaoning Province were analyzed by means of the liner climatic tendencies ratio method and Geographical Information System (GIS) spatial analytic techniques. Some conclusions can be drawn: The linear correlation between TRMM precipitation data and observed data and is very high, the data has a higher accuracy; The annual precipitation in Liaoning Province is mainly between 425-1 082 mm, and the overall performance is the trend of decreasing from the southeast to the northwest; The main precipitation concentrate in May to September of each year, the precipitation during this period accounted for more than 70% of the total annual precipitation, among them, the maximum precipitation concentrate in July, to 20% of the annual precipitation, and in February the minimum, less 2% of the annual precipitation, seasonal change is obvious; In recent 13 years, the average annual precipitation showed increasing trend in Liaoning Province. However, the summer precipitation showed a decreasing trend, the precipitation in the western and middle Liaoning Province is particularly evident. These indicate that in recent 13 years, the phenomenon of regional drought in spring and summer is serious.

TRMM; Provincial scale; Liaoning Province; Precipitation variation

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金項目“中國東北地表物候遙感反演及交叉驗證”；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2014M561272)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(14QIVJJ025)；吉林省博士后科研項目啟動經(jīng)費資助(RB201353)；吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20150520069JH)。

浮媛媛(1990- )，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：遙感與GIS應(yīng)用。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事GIS應(yīng)用與環(huán)境遙感研究。

2015-03-30

S 127

A

0517-6611(2015)14-209-05