李景刚，黄诗峰，李纪人

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院 遥感技术应用中心，北京 100048）

1 研究背景

气候变化带来降水量的时空分布变化，对区域水资源、生态系统状况和社会经济发展等产生深刻的影响[1-2]。因此，加强气候变化影响下的区域降水变化的时空特征分析，尤其是趋势特征分析，对于区域洪旱灾害致灾机理的研究、防洪抗旱工作的安排、生态环境状况的保护以及区域水资源量的合理调控均至关重要。通常分析中用到的降水量数据，一般是来自于地面气象站点的观测[2-4]。但在实际操作中，由于区域降水时空分布的不均匀性，气象站点数量的不足以及空间展布的不合理性，往往直接限制了最终分析的准确性[5]。

作为空基观测重要手段的卫星观测，由于其具有较大的空间覆盖性，对全球降水分布能做出时间和空间上都较为连续的观测，因此近年来已成为监测全球降水变化的重要手段[6]。其中，热带降雨计划卫星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）因为其具有观测三维降水信息的能力，因此在各种星载传感器中成为获取降水资料的首选[7]。但概括起来，当前TRMM降水数据还主要用于区域降水的空间结构以及季节变化等方面的研究[6-10]，而利用其时间序列数据开展区域同期降水趋势特征分析的研究还相对较少。

因此，本文充分利用TRMM数据空间连续分布的技术优势，以TRMM 3B43月降水时间序列数据为数据源，选取洞庭湖流域为实验区，采用气候倾向率的方法，对流域1998—2010年间10月份降水量的变化趋势进行分析；进而对TRMM数据在区域同期降水趋势特征分析中的可行性和应用前景进行揭示。

2 数据与方法

2.1 TRMM数据TRMM是由美国国家宇航局和日本国家空间发展局共同研制，于1997年11月成功发射的第一颗专门用于定量测量热带、亚热带降水的气象卫星。卫星设计轨道高度350km，倾角35°，能够满足对热带地区加密观测的要求。2001年8月，卫星轨道高度从350km调整为400km，以延长其使用寿命。卫星上搭载的用于降水观测的主要传感器有：降水雷达（PR）、被动式微波辐射计（TMI）以及可见/红外传感器（VIRS）。其中PR是第一个星载降水雷达，能够观测降水的三维结构，工作频率13.8GHz，刈幅220km，星下点水平分辨率4.3km，垂直分辨率0.25km。星上3种仪器不仅可以各自进行降雨探测，而且可以相互补充、共同测量[6-7]。

当前，NASA/NASDA先后发展了多种TRMM降水数据处理方法，并向全球用户免费发放多种不同级别的降水数据产品。在其格点化数据产品中，最小水平分辨率0.25°×0.25°，而最高时间分辨率3h，数据分发滞后时间约6h，可向全球中低纬地区提供近实时的降水信息。另外，随着TRMM卫星的轨道调整，其监测范围也从南北纬35°之间扩大到南北纬50°，覆盖了我国的绝大部分地区，因此在我国的降水变化监测中也发挥着越来越重要的作用[5，11]。

本文采用的TRMM 3B43月降水量数据为由TRMM 3B42数据产品、NOAA气候预测中心气候异常监测系统（CAMS）的全球格点雨量测量器资料、全球降水气候中心（GPCC）的全球降水资料共同合成的覆盖南北纬50°之间逐月平均的全球格点化数据集（资料等级：Level 3；版本号：Version 6；水平分辨率0.25°×0.25°）。由于结合了多种资料，数据较为准确，每月发布一次，可由NASA网站（http：//trmm.gsfc.nasa.gov/）免费获得[5，11]。

2.2 研究方法本文中区域同期降水的变化趋势采用气候倾向率来表征，具体计算方法为[3，12]：设区域内某格点降水量时间序列可以用一次直线方程来定量描述，即

式中：Y为降水要素；t为时间；a0为常数项。而降水趋势变化率方程为：

式中：a1为线性趋势项，a1×10称作气候倾向率，其单位为mm/10a。

式（1）中的系数可通过一元线性回归来求得。另外，可采用F检验方法对回归方程中的线性趋势项a1分别进行α=0.01，0.05和0.1水平下的显著性检验。

3 实例应用

在洞庭湖流域，从27个地面站点（图1）近30年的降水观测来看，10月份的流域降水量总体呈现出一定程度的减少趋势，而这种减少在近期的2003、2004、2005、2007和2009年中表现得尤为突出（图2），这在影响当地工农业生产的同时也必会带来流域四水径流量的减少。而此时又正值三峡水库的汛末蓄水期，在流域降水偏少、三峡工程蓄水的共同作用下，必然带来最终入湖水量的大幅减少，造成湖区水面锐减，加重湖区夏秋连旱程度，进而诱发一系列的生态安全问题[13-14]。因此，本文选取洞庭湖流域为试验区，以1998—2010年间流域10月份的降水变化趋势为应用实例，对TRMM数据以及气候倾向率法在区域同期降水趋势特征分析中的有效性进行分析。具体计算过程，在ENVI/IDL环境下通过编程实现。

3.1 TRMM数据有效性检验对局地而言，常规地面降水仍然是最准确的测量[5]。此处以1998—2010年间洞庭湖流域27个测站（图1）10月份的地面雨量计观测数据作为“真实”的降水资料，与与其对应的TRMM各格点内的月降水进行一元线性回归方程的构建，从而对TRMM观测局地降水的有效性进行检验。其中，各测站的雨量观测数据来自于中国气象局国家气象信息中心气象资料室。

图3中给出了TRMM和地面测站1998—2010年间10月份降水量的散点图和线性回归方程。从中可以看出：TRMM降水数据与地面站点观测数据两者间存在明显的线性相关性，其相关系数为0.903，且通过了99%的显著性检验；但整体上TRMM降水量要比地面站点观测的降水量略微偏小，这可能主要是因为TRMM降水量为各格点内的平均值，一定程度上削弱了区域内部部分地区的降水极值[5]。但总体来讲，TRMM降水数据在区域尺度上具有较高的可信度，可以用来对区域同期降水趋势特征进行分析。

3.2 洞庭湖流域10月份降水趋势总体特征分析洞庭湖流域地处长江中游以南，南岭以北，为东南季风和西北季风交绥地带，属典型的亚热带季风气候（图1）。其降水主要取决于冷暖气流的盛衰及其交绥过程和地理位置，而冷暖气流的交绥及雨区的移动主要受西太平洋副热带高压和冷空气活动的制约。在春夏之交，南下冷气团与暖湿气流交绥于南岭一带，形成静止锋，造成持续阴雨，雨带停留于流域中部和南部；之后，随着副热带高压的逐渐增强及其西伸北进，雨带逐渐北移。10月份，全区均处在副热带高压控制之下，晴热少雨。尤其是湘、资水中下游和洞庭湖区，直接受到西太平洋副热带高压的控制，降水量显著减少；只是流域西部由于地处副热带高压边缘，降水较多[5]。

图4（a）为基于TRMM数据的1998—2010年间洞庭湖流域10月份月平均降水量空间分布，从中可以看出：流域降水量从东南到西北方向呈现出明显递增趋势。其中，东南大部区域的月平均降水量较低，基本在50～70mm之间，中部地区则在70～100mm之间波动，而西北部则最高，月降水量均超过了100mm，局部甚至达到125mm。另外，从流域27个气象站点和TRMM所有格点的观测数据来看（图4（b）—（c）），虽然二者在数值上存在一定差异，但其变化趋势均具有一致性，即在1998—2010年间洞庭湖流域10月份平均降水量总体呈现出一定程度的下降趋势。

3.3 洞庭湖流域10月份降水趋势空间特征分析图5（a）中给出了洞庭湖流域基于TRMM数据的各格点1998—2010年10月份降水的气候倾向率。从中可以看出，流域10月份降水气候倾向率主要介于-101.09～32.67mm/10a之间，其中流域大部分地区为负值，即降水主要表现为减少趋势，只有在岳阳、南县、常德一带表现为增加的趋势；另外，在空间上，流域10月份降水气候倾向率沿岳阳—常德—吉首—铜仁一线向两侧呈现出逐渐负向增加的趋势，即降水量表现出逐渐减少的趋势，其中在流域东南部地区表现得尤为突出。

另外，图5（b）、（c）分别为流域降水气候倾向率正负值最高的两格点在1998—2010年间10月份的降水量变化情况。其中，格点①内降水量，在1998—2002年间相对比较稳定，基本维持在100mm左右；但在2003—2010年间变化比较剧烈，其中，2007年最低，只有19.6mm，而2010年最高，达到了214.0mm，两者变化幅度接近200mm。总体上，该格点10月份降水量在1998—2010年间呈现出一定程度的增加趋势。对于格点②内降水量，相反在1998—2002年间变化比较剧烈，其中，2000和2002年的降水量相对较高，分别为244.1mm和285.5mm，为其它年份的5～6倍；但在2003—2010年间，该格点降水量相对比较稳定，均低于50mm。总体上，该格点10月份降水量在1998—2010年间呈现出一定程度的减少趋势。

3.4 洞庭湖流域10月份降水趋势显著性检验图6（a）中给出了洞庭湖流域基于TRMM数据的各格点1998—2010年10月份降水趋势显著性检验F值。从中可以看出，流域大部分地区10月份降水趋势显著性不高，未通过显著性F检验；只是在流域中南部地区，其降水趋势分别通过了α=0.01，0.05和0.1水平下的显著性检验。在流域总计446个格点内，通过α=0.01水平显著性检验的有1个，占流域总面积的0.22%；通过α=0.05水平显著性检验的有43个，占流域总面积的9.64%；而通过α=0.1水平显著性检验的有74个，占流域总面积的16.59%；其余格点未通过趋势显著性检验，其面积占流域总面积的73.55%。

另外，图6（b）、（c）分别为流域降水趋势通过α=0.01水平显著性检验格点①和通过α=0.05水平显著性检验某一格点②在1998—2010年间10月份的降水量变化情况。从中可以看出，在过去的十几年间，两格点10月份的降水量虽均存在一定波动，但其总体下降的趋势却十分明显。这说明显著性检验中的F指数可以对各格点降水趋势的显著性进行有效刻画。

4 结论与讨论

受区域降水时空分布不均、气象站点数量不足以及空间展布不合理等因素的影响，通常利用地面站点观测数据进行的降水变化分析结果往往精度不高。TRMM卫星由于其具有连续观测的能力，因此在区域降水空间特征分析上具有很大的技术优势。本文针对当前利用TRMM卫星时间序列数据开展区域同期降水趋势特征分析研究还相对较少的现状，以TRMM 3B43月降水时间序列数据为数据源，选取洞庭湖流域为实验区，采用气候倾向率的方法，对流域1998—2010年间10月份降水量的变化趋势进行了分析。

分析结果显示：在过去的10余年间，洞庭湖流域10月份降水总体呈现出一定程度的下降趋势，气候倾向率主要介于-101.09～32.67mm/10a之间，除岳阳、南县、常德一带降水表现为增加的趋势外，其它地区则沿岳阳—常德—吉首—铜仁一线向两侧呈现出递减的趋势，其中流域东南部地区降水量减少表现得尤为突出。另外，经F检验，流域内绝大部分地区10月份的降水趋势显著性不高，未通过显著性检验；只是在中南部地区，分别有0.22%、9.64%和16.59%的流域面积通过了α=0.01、0.05和0.1水平下的显著性检验。

需要说明的是，由于TRMM卫星被发射升空只有短短的十几年，对地观测数据时间序列相对有限，因此本文只是对仅有的13年降水观测数据进行了趋势性假设检验，样本长度具有一定的局限性。不过总体来讲，本文利用TRMM数据结合气候倾向率法，通过洞庭湖流域的实例分析表明，TRMM数据在区域同期降水趋势特征分析中具有较强的可行性和广泛的应用前景。

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