基于TRMM数据的秦巴山区降水特征分析

廖 伟,程志刚,李跃清

(1. 成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；2.中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072)

引言

近年来，随着全球变暖的加剧，导致了全球各地降水的不均匀分布，IPCC评估报告指出：21世纪全球平均降水量将增加，高纬地区的降水将会增加，陆地地区的多数副热带地区的降水量将会减少[1-2]。我国是农业大国，降水量的改变将直接影响农业的好坏，从而影响国民经济[3-4]，因此研究降水是许多研究者最主要的课题。秦巴山区是我国重要的气候缓冲区，其北部秦岭沿线是我国四大自然地理单元中南方地区和北方地区的分界，也是湿润与半湿润区分界、1月份0℃等温线分界、亚热带与暖温带分界[5]，因此秦巴山区的重要性不言而喻。山区多由盆地和山地组成，地形条件复杂，土质疏松，特别容易引发泥石流、滑坡、崩塌、洪涝等地质灾害[6-7]。由于复杂的地质结构，传统的气象站点资料受地理条件的限制，所以越来越多的学者采用卫星资料来替代气象站点资料来进行研究。如李燕等[8]人利用TRMM 3B42的降水资料和气象站点资料的进行对比，发现卫星资料与气象站点降水资料具有较好的一致性，能够替代站点资料分析广西西河流域降水的时空分布特征；曹爱琴等[9]以基于TRMM卫星资料的“麦莎”台风降水特征分析为题，分析出了台风要降水的云团的动力、热力构造和微物理特性；杨文月等[10]用TRMM卫星 3B43降水资料，得出了甘肃临夏州降水量从西南到东北呈现递减的趋势的结论，同时发现了降水量随着海拔的升高而增加、降水量六月最大和十二月降水量最小的结果；齐文文等[11]采用了TRMM卫星3B43月尺度的降水率资料，并根据青藏高原站点降水资料与TRMM数据的差额对原始数据进行了订正，分析了青藏高原1998～2011年的年平均降水特点和季节分布特点，结果表明青藏高原年降水量自东南向西北、从南到北降水均依次减少的空间分布特征；吴剑峰等[12]就三峡库区(重庆段)TRMM降水适用性分析及时空特征进行了研究，研究发现：气象站点的降水数据与TRMM降水数据存在显著的线性相关性，具有较好的实用性；周李磊等[13]用1998～2014年的TRMM3B43V7的数据，运用非参数Mann-Kendall趋势检验、变异系数、Sen-Mdian趋势分析和Hurst指数对西南的降水特点进行了分析，发现了西南降水的特点。王天天等[14]利用TRMM卫星分裂窗通道对东亚地区夏季降水判别方法进行研究指出，分裂窗通道亮度差(BTD45)为3.0K和10.8μm通道亮温为260K作为识别降水的阈值，两者相结合能够得到很好的降水识别结果。还有其他学者运用了TRMM降水数据进行了研究[15-18]，因此利用TRMM卫星的降水数据来研究秦巴山区降水具有很大的可行性。

1 秦巴山区地理概况

秦巴山区主要位于我国中部地区，且处于我国南方和北方的交界区域，其中“秦”是指秦岭山脉，“巴”是指大巴山山脉；山区位于30°50′～34°59′N，102°54′～112°40′E，地跨川、甘、陕、豫、鄂、渝六省市，西到青藏高原东部边缘，东到华北平原西南部，秦巴山区的主体大部分位于陕西省。该山区经纬跨度大，水系发达，地跨长江、黄河、淮河三大流域，是淮河、汉江、丹江、洛河等众多河流的发源地。山区地貌以山地、盆地、丘陵、坪坝为主[21]，其构成“南北高、中间低”且西部大于东部的地势特点。秦巴山区是我国南北气候的交汇地带，其处于亚欧大陆的东南部，太平洋的西部，冬季深受大陆气流的影响，夏季深受海洋气流的影响，形成明显的季风气候，秦岭以北为温带季风气候，秦岭以南为亚热带季风气候。

2 资料选取和方法介绍

本文采用的是1998～2015年TRMM卫星3B42的日降水资料，它的空间分辨率为0.25°×0.25°。统计了1998～2015年日降水量，计算了年、四季各季的时间变化和空间变化。根据中国气象局的标准规定(见表1)，对不同等级的降水量的日数进行了统计，同时利用最小二乘法对不同等级的降水量日数进行了趋势拟合。

表1 中国气象局不同等级降水类型的划分标准

3 秦巴山区降水特征分析

3.1 时间变化特征

秦巴山区秦岭以北为温带季风气候，秦岭以南为亚热带季风气候，因此山区的年降水量较大[19]。如图1所示，山区年降水量最高在1998年，其值为1021mm,年降水量最小在2001年，其值为742mm。这18年中有三个波峰，分别为1998年(1021mm)、2003(1003mm)、2011年(998mm)；18年中有两个波谷，分别在2001年(742mm)、2006年(749mm)；从1998到2007年的年降水量的振幅变化程度较大而显得不稳定，2007年到2016年的降水量的振幅变化较小，比较稳定。从线性拟合曲线可以看出山区18年的降水量呈现一个稳步增长的过程。

如图2(a)所示，山区春季降水量最大的在1998年，其值为293mm,山区春季降水量最小的在2000年，其值为143mm；1998～2000年和2002～2004年春季降水量的下降的最快，1998～2000年以差不多每年70mm的趋势减小，2001～2002年春季降水量增加了115mm之多，2002～2004年的春季以每年40mm减少，而2004～2015年春季都在220mm左右上下浮动。从图2中的18年春季降水量的线性拟合可以看到春季降水量基本在220mm上下。从拟合方程可发现降水量随时间缓慢增加。

如图2(b)所示，1998～2007年山区夏季降水量振幅变化较大，各年之间夏季降水量差距较大，而2007～2015年山区夏季降水量振幅变化较少。山区夏季降水量最大值在1998年，其值为571mm；山区夏季降水量最小值在2007年，其值为294mm；由线性拟合曲线所示，夏季的年均降水量正随着时间减少。

如图2(c)所示，山区秋季降水量最大值出现在2011年，其值为382mm；山区秋季降水量最小值出现在1998年，其值为129mm；除2010～2012年振幅变化较大外，其他年份秋季的振幅变化较小；从总体趋势来看，秋季降水量有着明显增长的趋势。

如图2(d)所示，1999～2004年山区冬季降水量呈增长的趋势，2004～2005年降水量又快速的下降，2005～2008年降水量又开始缓慢的上升，2008～2012年，降水量快速的下降，虽然2011年略有点回升，但总体趋势是呈下降的，2013～2014年降水量又有较大的回升，但到2015时冬季降水量又开始下降了。山区最大降水量出现在2004年，它的值为41mm；山区最小降水量出现在1999年，它的值为12mm。

如图3所示，山区夏季的降水量远远大于春季、秋季、冬季，冬季的降水量最小[20]，春季和秋季就总体而言降水量差别不大，而冬季的降水量更远远低于其他三个季节，造成这种结果的可能原因是：山区受冬夏季风交替影响，夏季受夏季风影响，降水量较大，冬季受冬季风风影响，降水量较少；还有受大气环流和地形的影响。

3.2 空间分布特征

由图4可知，山区降水量从东南到西北依次递减，年降水量呈现“东南高西北低”的空间分布特征，变化范围在500～1400mm之间，年降水量存在两个明显的大值区，最大值为1400mm，还存在一个明显的低值区，最小值为500mm，大值区分别位于重庆的东南部和重庆的西部与四川东部之间的区域；小值区位于甘肃的南部。同时我们还可以看到年平均降水量从东南到西北是呈带状分布的，山区重庆部分年平均降水量大部分在1200～1400mm之间，只有重庆最东北部年平均降水量在1100～1200mm之间；山区湖北部分年平均降水量从西南到东北呈带状分布，呈阶梯状并且依次递减，年平均降水量在700～1200mm之间，最大值区位于山区湖北部分的的西南部，最小值区位于山区湖北部分的北部；山区陕西部分年平均降水量空间分布为：从南到北依次递减，且呈带状分布，这与卢珊等[22]的研究：陕西年降水量呈现“南高北低”的结论相一致。其最大值区位于陕西的南部，降水量范围在1100～1200mm之间，最小值区位于山区陕西部分的最北部，降水量范围在500～600mm之间，山区陕西中部主要的年平均降水量在700～900mm之间；山区河南部分年平均降水量在700～900mm之间；山区甘肃部分年平均降水量在500～900mm之间，山区甘肃主体的年平均降水量在500～700mm之 间，最大值区位于甘肃的南部，最小值区位于北部；山区四川部分从104.8°～108.8°E年平均降水量呈带状分布，且呈阶梯状依次递减，年平均降水量在700～1400mm之间，102.6°～104.8°E之间年平均降水在700～1000mm之间，四川境内年平均降水量最大值范围为1300～1400mm之间且位于四川东部，最小值范围为700～800mm之间且位于四川的北部。造成这种年平均降水量空间分布可能的原因是：1)受冬夏季季风的交替控制。2)山区内复杂的多变的地形。3)大气环流的控制。

由图5(a)可知，该图显示了秦巴山区18间年春季平均降水量的空间分布特点：春季平均降水量在山区呈带状分布，它的平均降水量范围在90～390mm，在103°～112°E之间春季平均降水量呈阶梯状并且依次递减。春季平均降水量最大值区位于山区重庆境内的南部，降水量范围在360～390mm之间；春季平均降水量小值区在山区的北部(既甘肃、陕西两省的北部)，降水量范围在90～120mm之间。

由图5(b)可知，整个18年的夏季平均降水量的范围在240～640mm之间。在山区重庆的西部与四川的东部之间的区域有一个大值区，降水量范围为600～640mm之间；在山区陕西的北部和山区甘肃的中部区域有降水量的小值区，小值区的范围为240～280mm。降水量数值较大的区域都位于山区的南部，降水量数值较小的区域基本都位于山区的北部。

由图5(c)可知，与夏季平均降水量最大值区域比较秋季平均降水量范围有所扩大。在105°～112°E范围内，降水量从大值区依次向外递减，呈现阶梯状，降水量最大值为300～320mm；降水量最小值区位于山区甘肃中部，年降水量范围处于120～140mm之间。在105°～112°E之间，降水量较大的区域都位于山区的南部，而降水量较小的区域都位于北部，且山区甘肃部分显得尤为突出。

由图5(d)可知，冬季年平均降水量与春、夏、秋季年平均降水量有明显的变化：降水量严重低于春季、夏季、秋季的平均降水量。平均降水量为0～10mm的区域主要位于甘肃省内；平均降水量为10～20mm的区域主要位于陕西省和四川省境内；平均降水量在20～40mm的区域主要位于四川省、河南省、陕西省的东部境内；平均降水量在40mm以上的位于秦巴山区重庆境内的东南部，范围较小。

3.3 不同等级降水特征

如图6(a)所示， 18年的平均无雨日数变化范围在160～270d之间，年平均无雨日数主要的小值区位于秦巴山区的西部，主要无雨日数范围在160～170d；年平均无雨日数主要的大值区位于山区南部、北部和东部，平均无雨日数主要范围在260～270d；同时山区四川部分呈明显的阶梯状分布；小值区位于31°～32°N,102.5°～103°E；大值区位于山区四川的南部。从图6(b)看出山区总体来看无雨日数随着年份的增长在缓慢的增加，大部分区域为每年增长0～2d的增长趋势，少部分区域为每年增长2～3d的增长趋势，极小部分的无雨日数有减弱的趋势，但趋势不是很大，每年减少的范围在0～1d/a之间。

从图7(a)可以看出山区西部的年平均小雨日数明显大于山区其他范围内的年平均小雨日数。山区中部既甘肃的东部、陕西的南部、河南的西部、湖北的西部和南部年平均小雨日数在80～90d每年且占了山区一半的区域。在四川的西部存在年平均小雨日数的大值区，年平均小雨日数高达150～160d.但是年平均的小雨日数的小值区同样也在四川境内，它位于山区四川境内的南部，年平均小雨日数在60～70d的范围内。从图7(b)中可以清晰的看出山区小雨日数强度基本都是减弱状态，最大的减弱值为3d/a，这种趋势分别位于重庆的北部、甘肃的西部和陕西的中部。陕西省、河南省和甘肃省小雨日数的减弱趋势不仅范围大而且减弱趋势的值相对而言也较大。

图8(a)可以清楚看到中雨的日数较无雨和小雨的年平均日数少了很多，年平均的中雨日数为11～22d，而小雨的日数为50～160d，无雨的日数为160～270d。同时可以看出年平均中雨日数从东南到西北依次递减，重庆的北部、四川的东部和湖北的南部区域存在着年平均中雨日数的大值区，大值区的值的范围为21～22d每年，可见这些区域下中雨频次较多。小值区位于甘肃境内，小值区的范围为12～13d每年。从图8(b)可知，中雨日数倾向率在山区呈块状分布，四川的北部、甘肃的南部、秦巴山区河南的全部(除去南部的一小块深蓝区域)区域倾向率都为正值，值在0～0.4d/a，中雨日数强度在增加，这表明年降水中中雨产生的降水在不断的增加。倾向率的负值区主位于重庆和四川接壤的区域同时还有湖北的西部区域，其值的变化范围在-0.3～0d/a之间，湖北的中雨日数倾向率负值最大,这预示着湖北的中雨的日数将会较大幅度的减少。

如图9(a)所示，年平均大雨日数呈现出从东南到西北依次递减的总体趋势，年平均大雨日数的变化范围在2～12d之间，总体来说产生大雨的日数较小，年大雨日数的大值区还是位于重庆境内和重庆和四川东部接壤的地方，日数在10～12d之间变化；年大雨日数的小值区位于甘肃境内，日数在2～4d之间变化。从图9(b)可以看出，大雨日数的倾向率分布不均匀，在秦巴山区呈带状或者块状分布。倾斜率为正值的区域明显大于倾向率为负值的区域。倾向率的强度变化范围在-0.2～0.25d/a之间。山区甘肃部分大雨日数除甘肃东南部的绿色区域外基本都为正值，呈现日数增长的趋势；秦巴山区重庆部分除去其南部的一小块浅绿色区域外都为负值，表明了秦巴山区重庆部分的大雨日数在依年递减的趋势。倾向率的大值区位于陕西的南部、湖北的西南部，其值在0.2～0.25d/a之间；倾向率的小值区位于山区重庆部分的东部，其值在-0.2～0.15d/a之间。四川境内、湖北境内、陕西境内的大雨日数倾向率正值区域明显大于负值区域，说明了大雨的天数正在随着年份的增长而增多。重庆境内、河南境内大雨倾向率的负值区明显大于正值区，呈现出大雨日数随着年份增长而减少的趋势。

从图10(a)可以得到，山区南部、北部两边的年平均暴雨日数具有显著的差别，南部基本都为大值区，而北边基本都是小值区特别是西北部；最大的年平均暴雨日数的值的区域位于四川境内，可见四川下暴雨的日数较多；山区四川部分的西部和甘肃境内的暴雨日数较小，它的值为0～0.8d每年，其中甘肃还有最小的年平均暴雨日数，它的值为0～0.4d每年并且它位于甘肃的中西部。如图10(b)所示，秦巴山区暴雨日数的倾向率总体变化为：从西部到东部表现为先增加后减小的趋势，其中中部的值最大，左右两边的值较小；暴雨日数倾向率较大的地方在四川境内，其值0.06～0.15d/a，在表明了四川境内暴雨日数正在随着年份的增长而增长；秦巴山区甘肃境内、重庆境内和陕西境内总来说他们的值都为正值，说明了甘肃、重庆和陕西的暴雨日数正在增加。河南境内的暴雨日数倾向率总体来说为负值，说明了河南境内的暴雨日数将随着年份的增加而减少。而山区其他区域正负值范围差不多大小，而且又因为各个区域内的年平均暴雨日数倾向率不同，所以暴雨日数的增加或者减少的趋势无法比较。

4 结论

(1)1998～206年秦巴山区年平均降水量从东南到西北呈现依次递减的区域变化且呈带状分布，其中大值区分别位于秦巴山区重庆部分的东南部和重庆的西部与四川东部之间的区域；小值区位于甘肃的南部。秦巴山区南北部年降水量两极分化严重，南部降水量显著多于北部；秦巴山区东西部年降水量相差不大。

(2)从春夏秋冬四个季节看，季平均降水量基本都呈现“南高北低”的空间分布特征，且夏季的降水量远远高过其他三季，春秋季降水量相差不大，冬季的降水量远远低于其他三季。秦巴山区重庆部分和四川部分接壤的区域在四季的降水量都处于领先地位。

(3)无雨日数在整个秦巴山区基本都呈现增大的趋势，在山区的北部和中部增长趋势最为明显。小雨日数在整个山区都呈现出减小的趋势，且这种趋势在秦巴山区呈大块状分布。中雨日数在整个山区东南部呈减少趋势，山区西部、东北部中雨日数为增加的趋势，增加趋势较明显。大雨日数在山区四川、甘肃、陕西的交界处的较大区域内和山区河南境内还有山区重庆的东部呈现减少的趋势，山区其他地方的大雨日数基本呈现增加的趋势，但不管增加还是减少，幅度较小。暴雨日数在秦巴山区的中部呈现增加的趋势，东西部的暴雨日数都成减少的趋势。

(4)就总体而言，整个山区的平均降水量在900mm左右，年降水量随着时间的增长略微有所增加；春秋两季的季降水量随着时间呈略微的增长，而夏冬两季降水量随着时间呈现略微的下降。