俞琳飛, 李會(huì)龍, 楊永輝,2, 史尚忠

基于CMORPH CRT產(chǎn)品的太行山區(qū)降水時(shí)空格局*

俞琳飛1,2,3, 李會(huì)龍1, 楊永輝1,2**, 史尚忠4

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院 北京 101400; 3. 中國(guó)-丹麥科教中心 北京 101400; 4. 太原生態(tài)工程學(xué)校 太原 030025)

為有效利用太行山區(qū)降水資源, 實(shí)現(xiàn)科學(xué)的水資源管理和生態(tài)建設(shè), 本研究利用1998—2017年CMORPH CRT衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)探究山區(qū)降水的時(shí)空格局和變化趨勢(shì), 并通過(guò)18個(gè)地面雨量站的數(shù)據(jù)驗(yàn)證山區(qū)多年來(lái)降水趨勢(shì)變化。結(jié)果表明: 在年尺度上, 1998—2017年太行山區(qū)年均降水量和各季節(jié)降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì), 太行山區(qū)南坡和東坡降水量高于北坡和西坡; 在月尺度上, 7月是全年降水的主要貢獻(xiàn)時(shí)段, 占全年總降水量的7.2%~32.4%, 其次是8月和6月。太行山區(qū)南部和西北部降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 年均降水量減少2~6 mm; 山區(qū)西部和北部降水呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì), 年均增加量大于8 mm; 7月是山區(qū)降水趨勢(shì)差異最大的月份, 趨勢(shì)變化范圍在-8.6~8 mm?a-1。根據(jù)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證降水變化趨勢(shì), 在年尺度上, 兩者數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)(<0.01); 在季節(jié)尺度上, 冬季(干季)和夏季(濕季)降水趨勢(shì)變化與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的降水趨勢(shì)具有極顯著相關(guān)性(=0.902,<0.001;=0.550,=0.018), 但在春季和秋季相關(guān)性不顯著。根據(jù)1998—2017年降水趨勢(shì)的空間分布柵格圖, 提取每一柵格的像元值, 再將提取所得的降水趨勢(shì)(PT)劃分為6個(gè)區(qū)間(PT≤-5 mm?a-1、-5 mm?a-115 mm?a-1), 在不同的趨勢(shì)區(qū)間探索20年來(lái)的降水趨勢(shì)變化特征, 研究發(fā)現(xiàn)在降水趨勢(shì)>5 mm?a-1的區(qū)間, 降水量從1998年到2017年呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)?；诟叻直媛市l(wèi)星數(shù)據(jù)闡明太行山區(qū)降水時(shí)空格局和變化趨勢(shì), 能夠?yàn)樵搮^(qū)域水資源合理利用和生態(tài)恢復(fù)提供建議和支持。

CMORPH CRT產(chǎn)品; 太行山區(qū); 降水時(shí)空格局; 降水趨勢(shì)

山區(qū)是河川徑流的主產(chǎn)區(qū), 占據(jù)全國(guó)河川徑流量的90%以上, 與此同時(shí), 全球濕潤(rùn)地區(qū)50%以上、干旱半干旱地區(qū)90%以上的淡水資源來(lái)源于山區(qū)[1]。山區(qū)地形復(fù)雜, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 因此深入研究山區(qū)水循環(huán)的特征對(duì)于水資源管理和有效利用、水土保持和生態(tài)管理具有重要意義[2-4]。降水是水文循環(huán)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 準(zhǔn)確的降水信息對(duì)于水循環(huán)的精準(zhǔn)解析和涉水事物的科學(xué)決策至關(guān)重要[2,5]。山地水循環(huán)過(guò)程由于受到山地屏障、山脈走向、大氣環(huán)流和植被蓋度差異等多因素的影響, 具有明顯的垂直地帶性特征[6-8]。由于高海拔地區(qū)地面氣象站點(diǎn)少, 僅僅依靠插值無(wú)法準(zhǔn)確獲得降水空間分布格局, 且準(zhǔn)確性較差。

遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取迅速、成本低、監(jiān)測(cè)范圍廣、連續(xù)性強(qiáng)和面上一致性高等優(yōu)點(diǎn)[9-10], 而衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展使得資料稀缺的高原、荒漠和海洋等地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)獲取變?yōu)榭赡? 為水文分析計(jì)算和應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持[11-13]。目前, 在全球范圍內(nèi)有多種衛(wèi)星降水產(chǎn)品, 但對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)品適用性評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn), 衛(wèi)星降水產(chǎn)品在各個(gè)地區(qū)的表現(xiàn)各有不一, 因此在利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之前, 需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證。CMORPH系列衛(wèi)星降水產(chǎn)品由美國(guó)大氣海洋管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)氣候預(yù)測(cè)中心(Climate Prediction Center, CPC)發(fā)布, 國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于該產(chǎn)品的精度評(píng)價(jià)和水文應(yīng)用的報(bào)道[14-16]。例如, Bitew和Gebremichael[12]研究發(fā)現(xiàn)CMORPH產(chǎn)品在山區(qū)徑流流量的水文模擬中具有良好的表現(xiàn); Dinku等[17]在東非復(fù)雜地形條件下對(duì)多種衛(wèi)星降水產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn), CMORPH產(chǎn)品與地面實(shí)測(cè)降水觀測(cè)值有高度的相關(guān)性。與此同時(shí), CPC利用地面實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)校正形成的CMORPH CRT產(chǎn)品, 使得產(chǎn)品精度得到了進(jìn)一步提升; Guo等[18]在中國(guó)區(qū)對(duì)該產(chǎn)品驗(yàn)證發(fā)現(xiàn), 校正之后的產(chǎn)品與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性更高且均方根誤差更低, 能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際降水特征。俞琳飛等[19]基于地面高密度的雨量站點(diǎn)對(duì)比評(píng)估了中國(guó)區(qū)CMORPH融合產(chǎn)品和CMORPH CRT在太行山區(qū)的適用性, 發(fā)現(xiàn)CMORPH CRT產(chǎn)品在各時(shí)間尺度上的均方根誤差和相對(duì)偏差更小, 能夠反映太行山區(qū)實(shí)際降水的空間分布格局。CMORPH CRT產(chǎn)品是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)的高精度降水?dāng)?shù)據(jù), 為山區(qū)降水長(zhǎng)序列時(shí)空變化分析提供了有利的支撐。因此, 基于具有較高適用性的遙感降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)探究地形復(fù)雜區(qū)的降水時(shí)空格局, 能夠彌補(bǔ)高海拔地區(qū)資料匱乏的弊端和插值方法帶來(lái)的誤差, 更為有效地反映缺測(cè)地區(qū)的降水情況。

太行山區(qū)位于我國(guó)第二級(jí)臺(tái)階東緣, 是京津冀地區(qū)重要的水源地和華北平原地下水的重要補(bǔ)給運(yùn)移區(qū)[4,7,20]。受氣候和地形的影響, 太行山區(qū)東部低海拔區(qū)域和西北部高海拔地區(qū)的降水差異大, 且隨著地形的變化形成了明顯的降水梯度[20-21]。山區(qū)內(nèi)流域多水系復(fù)雜, 形成了多級(jí)樹(shù)枝狀的地貌特征, 且植被類(lèi)型豐富[2]。但近年來(lái), 由于自然災(zāi)害事件如極端降水等的頻發(fā), 太行山區(qū)生態(tài)脆弱性日漸顯露, 水土流失情況逐年加劇[4]。全國(guó)水土保持規(guī)劃綱要(2015—2030年)把太行山列為國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。因此, 本研究基于NOAA/CPC研制的高時(shí)空分辨(0.5 h/8 km)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品(CMORPH CRT)1998—2017年的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù), 分析20年來(lái)太行山區(qū)降水的時(shí)空分布特征及其變化趨勢(shì), 為山區(qū)自然災(zāi)害預(yù)警、水土流失預(yù)防、生態(tài)修復(fù)及水資源管理和調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太行山區(qū)是我國(guó)北方重要的山脈帶之一, 介于34°34￠~40°43￠N、110°14￠~114°33￠E, 是華北平原和黃土高原的重要自然地理分界線(xiàn), 整體呈東北—西南走向, 綿延400 km, 系中國(guó)地形第二階梯東緣, 第二階梯向第三階梯過(guò)渡區(qū)[1-2,20-22]。研究區(qū)總面積約12.78萬(wàn)km2, 海拔區(qū)間為-95~3 091 m, 縱跨北京、河北、山西和河南4省(市), 地形如圖1a[20-22]。橫貫海河、黃河兩個(gè)一級(jí)流域, 處于中國(guó)半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)過(guò)渡帶, 屬于典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 夏季受暖濕的東南風(fēng)影響而高溫多雨, 冬季受干冷的西北風(fēng)影響而寒冷少雨, 年均降水量為400~600 mm[2]。區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型復(fù)雜多樣, 包括常綠針葉闊葉林、針葉混交林、落葉闊葉林和人工林等植被類(lèi)型。主要水系包括黃河流域的黃河干流和沁河等支流以及屬海河流域的永定河、大清河、子牙河等河流。

1.2 地面參考數(shù)據(jù)和季節(jié)劃分

地面參考數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data. cma.cn), 包括18個(gè)國(guó)家級(jí)基本站地面氣象逐日數(shù)據(jù)(圖1a), 站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量程序控制, 包括臺(tái)站極值, 氣候界限值檢查和空間一致性檢查[15-16]。地面數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)衛(wèi)星降水產(chǎn)品的趨勢(shì)變化。按照傳統(tǒng)的季節(jié)劃分的方式: 每年3—5月為春季、6—8月為夏季, 9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。

1.3 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)

CMORPH(CPC MORPHing technique)數(shù)據(jù)集是NOAA研制的具有高時(shí)空分辨率的全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品[20]。該產(chǎn)品集成了多個(gè)低軌道衛(wèi)星的被動(dòng)微波信息和地球同步平臺(tái)的紅外輻射數(shù)據(jù)。在NOAA提供的眾多產(chǎn)品中, CMORPH RAW是實(shí)時(shí)產(chǎn)品, CMORPH CRT是經(jīng)過(guò)CPC和GPCC校正偏差的產(chǎn)品[20]。因此, 本研究選用CMORPH V1.0版8 km/0.5 h的偏差校正產(chǎn)品(CMORPH CRT),數(shù)據(jù)下載地址為: ftp://ftp.cpc. ncep. noaa.gov。依據(jù)該產(chǎn)品8 km空間分辨率的太行山區(qū)覆蓋示意圖(圖1b)所示, 共有2 411個(gè)有效像元覆蓋整個(gè)研究區(qū)。

1.4 趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析

趨勢(shì)分析用于檢查每個(gè)像元的CMORPH CRT產(chǎn)品估計(jì)的月、季、年尺度的降水。趨勢(shì)分析公式為[23]:

式中:為所有觀測(cè)年的第年,是1998—2017年的年總數(shù)(20),P為第年的月、季、年降水量。如果趨勢(shì)大于0, 則1998—2017年期間降水在研究時(shí)段內(nèi)呈增加趨勢(shì); 如趨勢(shì)小于0, 則表示在研究時(shí)段內(nèi)降水有減少的趨勢(shì)。

相關(guān)分析用于評(píng)價(jià)衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到的降水趨勢(shì)和實(shí)際雨量站計(jì)算的降水趨勢(shì)的驗(yàn)證, 本研究利用SPSS V22.0進(jìn)行相關(guān)分析和值檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 太行山區(qū)年降水時(shí)空分布特征

基于CMORPH CRT降水?dāng)?shù)據(jù), 太行山區(qū)1998—2017年年均降水量時(shí)間序列如圖2所示, 從圖2a可見(jiàn)太行山20年來(lái)的年降水量為400~700 mm。從趨勢(shì)來(lái)看, 降水年際變化趨于弱增但不顯著(>0.05), 而降水在山地增加的可能原因包括氣候變暖導(dǎo)致陸地水循環(huán)加快、水汽含量增加和有利的天氣形勢(shì)等[24]。從圖2b可見(jiàn), 太行山區(qū)夏季降水多, 但各季節(jié)降水未表現(xiàn)出顯著的時(shí)間變化趨勢(shì)(>0.05)。夏季降水量在過(guò)去的20年中大致為250~450 mm?a-1。此外, 春季和秋季降水量大致相同, 但秋季降水量略高于春季, 兩季降水量為50~250 mm?a-1。除2008年外, 冬季降水量占比全年總降水量最低, 基本上少于50 mm?a-1。

圖1 太行山區(qū)地形、氣象站分布(a)和CMORPH CRT產(chǎn)品像元示意圖(b)

圖2 基于CMORPH CRT產(chǎn)品的太行山區(qū)年降水(a)和季節(jié)降水(b)時(shí)間變化特征(1998—2017年)

從氣候上看, 由于研究區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū), 來(lái)自東南方向的夏季風(fēng)主導(dǎo)了夏季降水過(guò)程, 山區(qū)降水主要集中在夏季; 從地形上看, 太行山呈東北—西南走向, 相對(duì)夏季風(fēng)而言, 河北省和北京市境內(nèi)屬于迎風(fēng)坡區(qū)域, 而山西省境內(nèi)屬于背風(fēng)坡區(qū)域; 相對(duì)于來(lái)自西北方向的冬季風(fēng), 情況反之。從空間降水分布上看, 年降水量等值線(xiàn)與山脈走勢(shì)一致, 呈南高北低、東高西低的格局(圖3); 山區(qū)南坡和東坡降水量較高, 年均降水量基本都超過(guò)500 mm, 南部地區(qū), 年均降水量超過(guò)600 mm; 與迎風(fēng)坡相比, 背風(fēng)坡的年降水量均低于450 mm?？偟膩?lái)說(shuō), 降水由北向南, 由東到西呈現(xiàn)出了明顯的梯度。

2.2 太行山區(qū)月降水時(shí)空分布特征

圖4是基于CMORPH CRT降水?dāng)?shù)據(jù)太行山區(qū)不同月份降水占全年總降水量百分比的空間示意圖?？梢?jiàn), 太行山區(qū)年內(nèi)降水分配不均勻, 反映出了研究區(qū)降水季節(jié)性差異大的特點(diǎn)。7月是全年降水最豐沛的時(shí)段, 占全年總降水量的7.2%~32.4%; 其次是8月和6月, 分別占全年總降水的6.0%~25.0%和6.8%~18.0%。太行山夏季的降水中心主要是在東部迎風(fēng)坡地區(qū), 且夏季降水量占全年總降水量的56%以上。另一方面, 從9月到翌年5月, 降水中心主要分布在山區(qū)南坡, 特別是在沁河和涑水河流域附近。在冬季, 太行山區(qū)北坡永定河、子牙河和大清河流域的降水量非常少, 總降水量不超過(guò)全年的3%。結(jié)合太行山區(qū)的山脈走向, 可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)西部干濕季節(jié)差異呈現(xiàn)比較明顯的緯度地帶性特征, 緯度越高, 差異越大; 研究區(qū)東部則呈現(xiàn)較強(qiáng)的經(jīng)度地帶性, 經(jīng)度越高, 差異越大。

圖3 基于CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)的太行山區(qū)年均降水空間分布特征(1998—2017年)

圖4 基于CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)太行山區(qū)各月降水量占年降水的空間分布圖(1998—2017年)

2.3 太行山區(qū)降水趨勢(shì)變化特征

從圖2的長(zhǎng)序列降水的年際變化可知, 雖然太行山區(qū)的年均降水和各季節(jié)降水均未表現(xiàn)出顯著的趨勢(shì)特征, 但是本文進(jìn)一步利用CMORPH CRT產(chǎn)品1998—2017年的數(shù)據(jù)量化太行山區(qū)不同時(shí)間尺度上空間的降水趨勢(shì)變化格局。如圖5為1998—2017年像元尺度上太行山區(qū)的降水空間趨勢(shì)變化。由圖5可知, 山區(qū)南部和東北部降水有下降的趨勢(shì), 降水年均下降2~6 mm, 其中在沁河下游地區(qū)降水下降超過(guò)6 mm?a-1, 最大下降達(dá)14.5 mm?a-1。太行山區(qū)西坡和北坡降水呈增長(zhǎng)的趨勢(shì), 特別是在高海拔地區(qū)(永定河和子牙河流域附近), 降水年均增加大于10 mm, 部分地區(qū)超過(guò)了12 mm?a-1。山區(qū)中東部平原地區(qū)降水也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì), 但年均增加量基本小于8 mm。

圖5 基于CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)的太行山區(qū)年降水空間趨勢(shì)分析(1998—2017年)

圖6為基于CMORPH CRT降水?dāng)?shù)據(jù)的太行山區(qū)各月降水趨勢(shì)的空間格局。7月是山區(qū)降水趨勢(shì)空間差異最大的月份, 降水趨勢(shì)為-8.6~8.0 mm?a-1, 主要是由于夏季山區(qū)迎風(fēng)坡受東南季風(fēng)影響而降水頻發(fā), 而背風(fēng)坡受山脈阻擋和焚風(fēng)效應(yīng)的影響而降水少, 從而導(dǎo)致太行山區(qū)7月降水空間差異大, 進(jìn)而在趨勢(shì)特征上差異也較大[2]。在河南境內(nèi)的大沙河流域及其以北部分地區(qū)7月的降水年變化呈現(xiàn)最大的下降趨勢(shì), 年均降水下降4.0~8.6 mm, 在山西省涑水河流域年降水在本月也呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 年均降水下降2~4 mm; 除上述兩個(gè)地區(qū), 山區(qū)其他區(qū)域的7月降水基本呈現(xiàn)不變或增加的趨勢(shì)。8月份山區(qū)南部和東北部整體呈現(xiàn)降水下降的趨勢(shì), 10月山區(qū)北部高海拔地區(qū)表現(xiàn)出降水略有增加的趨勢(shì), 年均降水增長(zhǎng)量為1.5~4 mm。在其他季節(jié), 從空間分布上來(lái)看降水量基本保持不變或少量增加的趨勢(shì)(0~1.5 mm?a-1)。

2.4 太行山區(qū)降水趨勢(shì)的地面驗(yàn)證

盡管目前國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)CMOPRH CRT衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)給予了較高的評(píng)價(jià), 但是衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)仍然是間接觀測(cè)并通過(guò)算法反演得到的降水?dāng)?shù)據(jù)。作者已在前期研究中證明了CMORPH CRT產(chǎn)品在太行山區(qū)的適用性[19], 但未對(duì)降水趨勢(shì)進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證。因此, 有必要利用地面實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證。本研究利用18個(gè)地面雨量站的數(shù)據(jù)在不同時(shí)間尺度上對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證。

相關(guān)系數(shù)()用來(lái)描述和驗(yàn)證依據(jù)衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)的相關(guān)性。圖7顯示, 地面降水趨勢(shì)與衛(wèi)星降水趨勢(shì)在年尺度上的相關(guān)系數(shù)為0.600,0.008, 可見(jiàn)二者數(shù)據(jù)達(dá)極顯著相關(guān)(<0.01), 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)具有較高的可信度。與此同時(shí), 不管是衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)還是地面實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù), 降水增加的趨勢(shì)要大于降水減少的趨勢(shì)(圖7)。

由于文章篇幅的限制, 不再進(jìn)行各月份的降水趨勢(shì)驗(yàn)證。不同季節(jié)降水趨勢(shì)的驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算得到的冬季降水趨勢(shì)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的降水趨勢(shì)具有極顯著相關(guān)性(=0.902,<0.001), 可見(jiàn)基于CMORPH CRT產(chǎn)品的冬季(干季)降水趨勢(shì)分析準(zhǔn)確性高, 能夠代表太行山區(qū)冬季降水的趨勢(shì)變化特征; 其次, CMORPH CRT產(chǎn)品在夏季(濕季)的降水趨勢(shì)與地面趨勢(shì)也呈顯著相關(guān)(=0.550,<0.018)。春季和秋季, CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算的降水趨勢(shì)與地面實(shí)際降水趨勢(shì)未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(>0.05)。總的來(lái)說(shuō), 在山區(qū)主要降水波動(dòng)期(夏季)CMORPH CRT產(chǎn)品能夠較好地反映降水的趨勢(shì)變化。

圖6 基于CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)的太行山區(qū)各月降水空間趨勢(shì)分析(1998—2017年)

圖7 基于CMORPH CRT降雨數(shù)據(jù)的太行山區(qū)年尺度降雨趨勢(shì)與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性(1998—2017年)

2.5 不同降水趨勢(shì)范圍的年降水量變化

在多時(shí)間尺度上, 基于衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的降水量未表現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì)(圖2)。但是在空間尺度上的降水占比和趨勢(shì)變化則表現(xiàn)出了明顯的特征(圖3-圖6)。因此, 根據(jù)圖5的年降水趨勢(shì)的空間分布圖, 在GIS中提取2 411個(gè)像元上的年降水趨勢(shì)變化值, 將降水趨勢(shì)變化值(PT)劃分為6個(gè)不同的區(qū)間(PT≤-5 mm?a-1,-5 mm?a-1

如圖9所示, 在降水趨勢(shì)(PT<0 mm?a-1)減少的區(qū)域, 降水的年際動(dòng)態(tài)變化不顯著(>0.05)。但在降水趨勢(shì)增加(PT>5 mm?a-1)的區(qū)域, 降水量從1998年到2017年呈現(xiàn)顯著(<0.05)增加趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō), 在10 mm?a-1

圖8 CMORPH CRT產(chǎn)品數(shù)據(jù)與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的太行山區(qū)1998—2017年季度尺度降水趨勢(shì)分析驗(yàn)證

圖9 太行山基于像元尺度的不同降水趨勢(shì)(PT)間隔的年降水量變化分析(1998—2017年)

3 討論

山區(qū)降水的空間分布差異受到山脈阻隔、大氣環(huán)流和地形等多因素的影響[23]。其中地形對(duì)降水強(qiáng)度和落區(qū)的影響有著不可忽視的作用。閆冠華等[25]利用數(shù)值模擬試驗(yàn)研究太行山地形對(duì)華北暴雨影響后發(fā)現(xiàn), 太行山地形的阻擋和抬升作用使迎背風(fēng)坡降水增加, 但是去掉地形影響后太行山兩側(cè)降水明顯減少。太行山區(qū)東部是夏季的迎風(fēng)坡地區(qū), 受山脈阻隔影響, 東亞季風(fēng)帶來(lái)暖濕氣流越山時(shí)在迎風(fēng)坡爬坡上升, 過(guò)程中氣團(tuán)觸發(fā)對(duì)流且隨著爬升高度而增強(qiáng)[24-27]; 同時(shí), 暖濕氣流的被迫抬升冷卻, 水汽凝結(jié), 形成地形性降水, 導(dǎo)致山區(qū)平原和山麓區(qū)夏季降水豐沛。另一方面, 太行山區(qū)的焚風(fēng)效應(yīng)進(jìn)一步加劇迎背風(fēng)坡的降水量差異, 原因在于部分氣流翻過(guò)山嶺后在背風(fēng)坡下沉, 濕度減小, 溫度升高, 降水相應(yīng)減少[2,28]。除暖濕氣流被迫抬升以外, 地形輻合同樣會(huì)導(dǎo)致降水增加效應(yīng), 當(dāng)濕潤(rùn)空氣進(jìn)入喇叭口谷地, 強(qiáng)降水中心與喇叭口地形相對(duì)應(yīng), 地形雨特征明顯, 低層的東風(fēng)越大, 造成的迎風(fēng)坡降水越強(qiáng)[2,29-30]。

研究區(qū)多年平均降水量高值主要在山區(qū)南部河南省境內(nèi)(沁河流域和大沙河流域), 喇叭口地形特征明顯, 導(dǎo)致降水量較高的原因主要是地形輻合。太行山區(qū)位于我國(guó)季風(fēng)區(qū), 季風(fēng)和地形的相互作用對(duì)降水空間分布格局造成一定的影響。杜軍凱等[2]基于2004—2011年太行山區(qū)30個(gè)臺(tái)站做出了太行區(qū)各月的風(fēng)向頻率分布, 研究表明11月至翌年4月山區(qū)以西北風(fēng)為主; 5月至10月以南風(fēng)為主, 其中6月至8月東南風(fēng)占據(jù)主導(dǎo), 5月和10月西南風(fēng)略強(qiáng)。可見(jiàn), 不同季節(jié)的降水差異可歸因于不同季節(jié)的盛行風(fēng)向, 冬季山區(qū)受到干冷的西北風(fēng)主導(dǎo), 因此降水主要分布在山區(qū)南部地區(qū); 入春(3—4月)后, 溫度回升, 大氣濕度增加, 盛行風(fēng)由東南方向轉(zhuǎn)為西南方向, 隨之降水中心也轉(zhuǎn)移到太行山區(qū)的東南和西南迎風(fēng)坡側(cè); 夏季(6—8月)山區(qū)盛行東南季風(fēng), 因此降水集中在東部迎風(fēng)坡區(qū), 并且容易在山區(qū)平原和山麓區(qū)形成局地強(qiáng)降水; 進(jìn)入秋季(9月和10月)東南風(fēng)減弱, 西南風(fēng)和西北風(fēng)漸強(qiáng), 降水中心向西南側(cè)移動(dòng)。除了地形和風(fēng)向以外, 田恬等[4]認(rèn)為植被蓋度的不均勻性也是影響山區(qū)降水時(shí)空格局的重要因素之一, 其選擇太行山崇陵流域?yàn)閷?duì)象, 發(fā)現(xiàn)油松()、側(cè)柏()和刺槐()等森林植被覆蓋區(qū)內(nèi)降水量顯著增加。

太行山區(qū)是我國(guó)脫貧攻堅(jiān)的重點(diǎn)地區(qū)之一, 區(qū)內(nèi)生態(tài)脆弱、人口超載和水土資源失調(diào)等問(wèn)題突出[1,31], 特別是從20世紀(jì)80年代以來(lái), 全區(qū)地表水資源呈現(xiàn)較為明顯的衰減趨勢(shì), 水資源問(wèn)題愈來(lái)愈成為該區(qū)域發(fā)展的限制因素, 主要表現(xiàn)在區(qū)域耕地面積過(guò)大導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉需水量的增加, 使得水資源壓力增大, 水資源短板現(xiàn)象日益顯著, 隨之而來(lái)的是地下水嚴(yán)重超采、水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)威脅河道基流等問(wèn)題[1,32]。降水作為地表水資源的重要補(bǔ)給, 探究其在山區(qū)的空間分布格局和變化趨勢(shì), 對(duì)于區(qū)域水資源的調(diào)控、耕地布設(shè)和生態(tài)保護(hù)具有重要的意義, 利用具有適用性的衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)解析水循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程, 是解決山區(qū)水資源問(wèn)題的重要前提。在未來(lái), 基于衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)可進(jìn)一步開(kāi)展降水—徑流等循環(huán)要素的時(shí)空演變解析, 為山區(qū)水資源合理利用和生態(tài)恢復(fù)提供建議和保障。

4 結(jié)論

本研究采用1998—2017年CMORPH CRT衛(wèi)星產(chǎn)品的降水?dāng)?shù)據(jù)探究山區(qū)降水的時(shí)空格局和變化趨勢(shì), 并采用18個(gè)地面雨量站的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證山區(qū)降水變化趨勢(shì)。結(jié)果表明:

在時(shí)間尺度上, 1998—2017年太行山區(qū)年均降水量和各季節(jié)降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì), 太行山區(qū)南坡和東坡降水量較高, 夏季降水占據(jù)全年降水的主要部分, 7月降水量占年降水總量的7.2%~32.4%; 在空間尺度上, 太行山區(qū)南部和東北部降水呈下降趨勢(shì), 下降量為2~6 mm?a-1; 山區(qū)西部和北部降水呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì); 7月由于受到夏季風(fēng)、焚風(fēng)效應(yīng)和地形作用等因素的影響, 使得山區(qū)降水趨勢(shì)特征差異大, 降水趨勢(shì)變化范圍在-8.6~8 mm?a-1。

研究進(jìn)一步利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證降水趨勢(shì)變化, 在年尺度上兩者數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水趨勢(shì)呈極顯著相關(guān)性(<0.01); 在季節(jié)尺度上, 冬季(干季)和夏季(濕季)衛(wèi)星產(chǎn)品計(jì)算的降水趨勢(shì)變化與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的降水趨勢(shì)也呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(<0.01)。將降水趨勢(shì)劃分為6個(gè)區(qū)間, 發(fā)現(xiàn)在PT>5 mm?a-1的區(qū)域, 降水量從1998年到2017年呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)(<0.05)。

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Spatial and temporal precipitation patterns using the CMOPRH CRT product over the Taihang Mountains*

YU Linfei1,2,3, LI Huilong1, YANG Yonghui1,2**, SHI Shangzhong4

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resource, Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. Sino-Danish College, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101400, China; 3. Sino-Danish Center for Education and Research, Beijing 101400, China; 4. Taiyuan College of Ecoengineering, Taiyuan 030025, China)

In order to effectively use precipitation over the Taihang Mountains, and to perform water resource management and ecological construction scientifically, we used satellite precipitation data to explore the spatio-temporal precipitation pattern and precipitation trend over the Taihang Mountains from 1998 to 2017. In general, the complex terrain and sparse meteorological stations lead to limited precipitation measurement in mountainous areas especially in high-altitude regions. Satellite-based precipitation measurement is an effective supplement for measuring precipitation information in such regions. The CMOPRH CRT product is recognized worldwide. A previous study had proved the applicability of CMORPH CRT over the Taihang Mountains owing to the lower root mean square error and relative bias in this region, which indicated that this product had applicability over the Taihang Mountains. Therefore, in this study, we adopted the method of time series analysis and trend analysis to explore the spatial and temporal patterns of precipitation and precipitation trend over the Taihang Mountains based on the data obtained using the CMORPH CRT product from 1998 to 2017. Meanwhile, the ground observations of 18 rain gauges were used to validate the precipitation trend measured using the CMOPRH CRT product over the Taihang Mountains with “Pixel to Point” extraction method via ArcGIS. The results showed that there was no significant variation trend in the annual and seasonal precipitation from 1998 to 2017 over the Taihang Mountains. Higher precipitation occurred in the southern and eastern regions of the Taihang Mountains than in the northern and western regions. On a monthly scale, the precipitation in July accounted for the highest rate of annual precipitation, 7.2%-32.4% of the total annual precipitation, followed by August and June. There was a decrease trend in the south and northwest regions of the Taihang Mountains, and decreased by 2-6 mm?a-1on an average. The increasing precipitation trend appeared in the western and northern regions of the Taihang Mountains, and the annual precipitation increased by more than 8 mm. The greatest difference in precipitation trend was found in July on a spatial scale with a variation range of-8.6 to 8 mm?a-1. We used actual data obtained using rain gauges to validate the precipitation trend measured using CMORPH CRT. Two sets of data showed a strong significant correlation at the annual scale. On the seasonal scale, the precipitation trend in winter (dry season) and summer (wet season) had a strong significant correlation with the precipitation trend measured using rain gauges, but the precipitation trend in spring and autumn did not show a significant correlation with the precipitation measured using rain gauges. We extracted the pixel values according to the spatial pattern of precipitation trend from 1998 to 2017 over the Taihang Mountains, and further divided them into six different precipitation trend (PT) ranges (PT ≤-5 mm?a-1,-5 mm?a-1< PT ≤ 0 mm?a-1, 0 mm?a-1< PT ≤ 5 mm?a-1, 5 mm?a-1< PT ≤ 10 mm?a-1, 10 mm?a-1< PT ≤ 15 mm?a-1, and PT ≥ 15 mm?a-1) depending on the actual precipitation trend over study areas. There was a significant increase in precipitation from 1998 to 2017 in the PT > 5 mm?a-1area.

CMORPH CRT product; Taihang Mountains; Spatial-temporal pattern of precipitation; Precipitation trend

P461

10.13930/j.cnki.cjea.190746

* 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41671021)資助

楊永輝, 主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文。E-mail: yonghui.yang@ms.sjziam.ac.cn

俞琳飛, 主要研究方向?yàn)樯絽^(qū)降水反演。E-mail: lfyu@sjziam.ac.cn

2019-10-23

2019-12-09

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41671021).

, E-mail: yonghui.yang@ms.sjziam.ac.cn

Oct. 23, 2019;

Dec. 9, 2019

俞琳飛, 李會(huì)龍, 楊永輝, 史尚忠. 基于CMORPH CRT產(chǎn)品的太行山區(qū)降水時(shí)空格局[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(2): 305-316

YU L F, LI H L, YANG Y H, SHI S Z. Spatial and temporal precipitation patterns using the CMOPRH CRT product over the Taihang Mountains[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(2):305-316