基于TRMM降水数据的不同时间尺度降水特征分析——以内蒙古地区为例

刘 月 璇，于 红 博，2，张 巧 凤，2，马 梓 策

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022； 2.内蒙古师范大学 遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022)

2013年IPCC第五次气候变化评估报告指出，全球变暖的现象一直在持续，这将会导致水循环的重大变化[1-2]。降水作为一个水分通量连接着大气过程和地表过程，是水循环的重要组成部分，也是区域水资源评价的重要内容[3]。降水常受气候变化、生态环境演变及人类活动等各种因素的影响，对人类的生产生存有着至关重要的作用[4-5]。内蒙古自治区位于中国的北部边疆，属于干旱半干旱气候向东南沿海湿润半湿润气候延伸的过渡带，地形复杂，生态环境脆弱，其气候的敏感性和多样性使之成为全球气候最为敏感的区域之一，且该区跨度大，降水区域分布不均，研究降水对了解内蒙古地区的生态环境及生态建设具有重要意义[6-8]。

目前，人们对内蒙古地区降水的研究主要基于地面气象站点。但由于气象站点分布不均、密度不够等缺点，难以全面、细致地反映该区降水的分布状况。相比于传统气象站点监测的方法，基于卫星遥感技术监测降水的方法具有覆盖范围广、时空分辨率高、获取方便、不受地形条件控制等优点。1997年发射的TRMM是世界上第一颗搭载测雨雷达的卫星，具有较高的时空分辨率，后续的一些改进产品也极大改善了降水反演精度[3]。目前这种类型的降水监测对中高纬度地区和高原地区具有重要意义，已被人们广泛使用[9-17]。齐文文等[9]基于该降水数据分析了青藏高原的降水时空分布；杨艳芬等[10]利用TRMM 3B42 V6日降水数据对中国西北干旱区进行了精度验证，认为其产品难以直接应用在该地区，还需进一步校正；蔡研聪等[13]利用该产品对内蒙古地区进行不同时间尺度的精度分析，具有较好的效果；秦福莹等[14]利用该产品对整个蒙古高原进行了大范围的精度评价，认为该产品在蒙古地区具有良好的适用性。

鉴于此，本文主要基于TRMM 3B43 V7产品，以北纬50°以南的内蒙古自治区作为研究区，采用37个气象站点实测降水数据，对不同时间尺度(月、季、年)的TRMM 3B43 V7数据进行精度验证，并借此分析该区2001～2018年不同时间尺度降水变化趋势及时空规律。

1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国北部边疆，介于37°24′～53°23′N，97°12′～126°04′E(见图1)。东西长2 400 km，南北宽1 700 km，自西向东横跨中国西北、华北、东北三大区，分布有大兴安岭、阴山、贺兰山等山脉，黄河、西辽河、嫩江等河流从中经过，土地面积118.3万km2，占中国国土面积的12.3%。内蒙古高原是中国第二大高原，可以分为呼伦贝尔高原、锡林郭勒高原、乌兰察布高原和巴彦淖尔、阿拉善及鄂尔多斯高原4部分[6-7]。该区大部分海拔在1 000 m以上，年降水量30～500 mm，气候类型以温带大陆性季风气候为主。由于水分的变化，植被类型从东到西分别是森林、草原和荒漠。其中，草原约占内蒙古陆地面积的75%[18]。由于TRMM产品覆盖的局限性，本文只研究北纬50°以南的内蒙古地区。

图1 内蒙古概况Fig.1 Overview of Inner Mongolia

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

采用的降水数据主要有两类：实测数据为内蒙古自治区内2001～2018年间37个气象站点的逐月降水数据(来源于中国气象数据共享网)，其空间分布如图1(b)所示，对于个别缺测值采用相邻站点观测数据多元线性回归插补的方式代替；遥感数据为TRMM卫星第7版3级产品TRMM 3B43 V7逐月降水数据，覆盖范围为50°S～50°N，时间范围是2001～2018年，空间分辨率为0.25°×0.25°(来源于美国航空航天局NASA网站)。

2.2 研究方法

2.2.1精度评价指标

对TRMM降水产品进行精度评价，所用评价指标为以下4种。

线性相关系数(R)是评定两者之间的线性相关程度：

相对误差(BIAS)是评定两组数据的偏离程度：

均方根误差(RMSE)是评定误差的整体水平：

平均绝对误差(MAE)是评定误差的实际情况：

2.2.2Sen和Mann-Kendall检验

Sen趋势度及Mann-Kendall检验分析是世界气象组织推荐并广泛应用于气象及水文等领域的趋势分析和非参数检验方法，可用来检验水文气象的趋势变化[19]，本文主要用来分析内蒙古地区年和季尺度上降水量的变化。

Sen趋势的显著性判断需要采用Mann-Kendall(以下简称M-K)方法完成。M-K方法由Mann[20]提出，不仅用于检测序列数据的一种变化趋势是否显著，还能够测定各种变化趋势的起始位置。具体计算过程见文献[19]。

2.2.3变异系数CV

对于降水变化的剧烈程度，本文使用变异系数CV来表示：

3 TRMM降水精度评估

表1为TRMM降水数据与气象站点数据精度评估，图2为内蒙古地区2001～2018年间月、季、年不同时间尺度下，TRMM降水数据与气象站点实测数据之间的拟合图。由表1和图2可知，在各个时间尺度上，各站点TRMM降水量与实际降水量之间均呈显著(P<0.01)正相关关系，说明TRMM数据与实测站点数据之间在时空分布上具有良好的一致性。相对误差BIAS除了在冬季较大，其余时段均小于0.13，这与冬季地表冰雪覆盖和TRMM降水反演本身的缺陷有关[21-22]。

年尺度和夏季时间尺度下的均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE，与其余时间尺度下相比偏大，这与降水量这一变量在年和夏季尺度上，其数量值较大有关。冬季的RMSE和MAE最小。

整体上看，TRMM数据与站点实测数据具有良好的一致性，能够满足在月及以上时间尺度上进行内蒙古地区的降水变化研究。

图2 研究区2001～2018年TRMM不同时间尺度降水量 与实测站点降水量相关性Fig.2 Correlation of precipitation at different time scales of TRMM and precipitation at the measured sites in the study area from 2001 to 2018

4 结果分析

4.1 年降水量变化规律

内蒙古地处中高纬度地区，地形复杂，气候类型多样，降水量受季风影响显著。为进一步全面、细致地分析2001～2018年内蒙古年降水量变化，本文以TRMM数据为基础，从时间和空间两个方面对18 a降水量变化进行探讨。

4.1.1年降水量年际变化

图3为2001～2018年内蒙古年降水量及其累积距平年际变化。由图3可以看出，研究区年降水量介于228.95～403.80 mm之间，多年平均值为301.59 mm，降水变化曲线呈缓慢波动上升状态，有多个波峰波谷，比较突出的峰值点有3个，分别位于2003，2008年和2012年，比较突出的谷值点有两个，分别位于2007年和2015年。由Sen趋势度和M-K检验可知，上升速率为44.96 mm/10 a(P<0.05)；因此近18 a的降水量总体呈上升趋势，但趋势并不显著。

图3 内蒙古年降水量及其距平/累积距平年际变化Fig.3 Inter-annual variations annual precipitation and its anomaly/cumulative anomaly in Inner Mongolia

由图3(b)可知，年降水量呈现出阶段性变化趋势，以2011年为界，2001～2011年间，距平以负值为主，累积距平整体呈下降趋势，2011～2018年间，距平以正值为主，累积距平整体呈上升趋势。因此2011年是降水累积量由下降至上升的转折点。这一特征与马梓策等[23]研究的年降水量变化趋势相一致。

4.1.2年降水量空间分布

图4(a)为2001～2018年内蒙古多年平均降水量空间分布图。由图可知，降水量由内蒙古的东北向西南呈条带状逐渐减少，主要是因为内蒙古地区从东到西距海渐远，水汽逐渐衰减。内蒙古降水量最少的地区主要位于西部，即阿拉善的西北部，降水量均在100 mm以内；内蒙古中部降水量在200～400 mm之间，其中位于锡林郭勒盟的二连浩特市周边和位于巴彦淖尔市杭锦后旗往西的地区降水量在200 mm左右，在此界线往东的地区降水量逐渐增加至400 mm左右；降水量在400 mm以上的部分位于区域东北部、东部和东南大部分地区，如呼伦贝尔市，以及各种河流所在地如呼伦湖和锡林河流域。受东亚夏季风和西风环流的影响[24-25]，导致内蒙古中部地区出现明显的区域差异，例如受西风环流影响较明显的二连浩特市和杭锦后旗往西的内蒙古中部地区降水量较少，而受东亚夏季风环流影响较明显的赤峰市、通辽市等地区降水量较高，这与李文宝等[26]的研究结论相一致。

图4(b)为内蒙古2001～2018年年降水趋势图，由图可知，2001～2018年大部分地区降水有增加的趋势，只有小部分地区降水量有所减少，降水量减小的地区主要位于区域北部和西部，例如呼伦贝尔市的西北部、包头市的北部、巴彦淖尔市的大部分地区、阿拉善盟的东部和西北角。

图4 2001～2018年内蒙古多年平均降水量及变化趋势的空间分布Fig.4 Spatial distribution of the average annual precipitation and its change trend in Inner Mongolia from 2001 to 2018

图5为2001～2018年间内蒙古地区年降水量的变异系数。由图5可知，内蒙古年降水量变异系数CV最大值达到0.7左右，主要分布在西部阿拉善高原，这一趋势和任国玉等[27]研究结果相一致；降水量变异系数CV最小值为0.2左右，主要分布在呼伦贝尔市的东部、赤峰市的大部分地区和阿拉善盟的南部小部分地区。降水量少的地区CV值较大，降水量年际波动程度较为剧烈；降水量多的地区CV值较小，年际降水较为均衡。阿拉善盟南部降水量少但CV值较小，是因为该地区年际降水量变化趋势较小所导致的。总体而言，西部降水量波动程度较大，中部次之，东部降水量波动程度最小。

图5 2001～2018年内蒙古年降水量变异系数Fig.5 Coefficient Variation of annual precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

4.2 降水量季节变化

本文将3～5月划为春季，6～8月划为夏季，9～11月划为秋季，12至次年2月划为冬季，基于TRMM降水数据对内蒙古研究区进行季节降水量的时空特征分析。

4.2.1季节降水年际变化

表2是内蒙古自治区四季多年降水量的基本特征。春季降水量最大值出现在2010年，最小值出现在2006年，春季降水量呈现下降趋势，下降趋势不显著；夏季降水量最大值出现在2013年，最小值出现在2010年，夏季降水在年际变化上呈现出上升趋势，上升趋势不显著；秋季降水量最大值出现在2012年，最小值出现在2005年，秋季降水在年际变化上呈现出显著上升趋势(P<0.05)；冬季降水量最大值出现在2012年，最小值出现在2011年，冬季降水量呈现上升趋势，上升趋势不显著。由变异系数可知，秋季变异系数最大，因此该季降水年际波动最为剧烈，其次是春季和冬季，夏季变异系数最小，降水年际变化较为稳定。

表2 2001～2018年间内蒙古四季降水量的基本特征Tab.2 Basic characteristics of seasonal precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

图6为内蒙古地区18 a来四季降水量的年际变化，结合图表可知，除了春季降水量呈下降趋势外，其他3个季节的多年降水量均呈增加趋势，且夏、秋季降水量增加趋势较明显，这两个季节是年降水量增加的主要贡献者。

图6 2001～2018年内蒙古四季降水量的年际变化Fig.6 Interannual changes in seasonal precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

4.2.2季节降水空间变化

图7为2001～2018年间内蒙古地区四季降水量的空间变化。由图可知，各季节降水量变化趋势与年降水量变化趋势基本一致，均从内蒙古的东部向西南部逐渐减少，夏季和秋季降水量条带状特征较为明显，空间差异大，春季和冬季空间差异不明显，分布较为均一。春季降水量较年均降水量略有向东部减少的趋势，主要由于春季地表逐渐解冻后面临强烈的蒸发作用，地表水分被逐渐蒸发消耗，且该时间段降水较为稀少，被蒸发的水汽很难以降水形式返回地面，所以春季降水特征不明显[28]。

从等降水量线可知，四季中，降水量最少的地区均位于内蒙古西部，降水量较多的地区大部分位于呼伦贝尔市、内蒙古东南部。除去水域，春季降水量最大值在100 mm左右，夏季降水量最大值在400 mm左右，秋季降水量最大值在100 mm左右，冬季降水量最大值在20 mm左右。

图8为2001～2018年内蒙古季节降水量变异系数的空间分布图，由图可知，内蒙古东部的呼伦贝尔市大部分地区，其降水量变异系数在四季中基本处于最小值状态，降水量变化程度最小；春、夏和秋季变异系数最大值均主要出现在西部的阿拉善高原，冬季变异系数最大值除阿拉善高原外，还有通辽市和鄂尔多斯市，降水量变化程度较剧烈。阿拉善高原位于东亚季风区的边缘地带，受到季风和西风的共同影响，该地区降水波动与内蒙古其他地区相比较为剧烈[29]，这与李虹雨等[30]利用气象站点研究内蒙古降水的结论基本一致。其他降水波动较为明显的地区，有秋季和冬季的通辽市，冬季的鄂尔多斯市。春季和秋季降水量的变异系数最大值达到1以上，夏季和冬季降水量变异系数最大值在0.8～0.9，春秋季节空间差异大，夏冬季节较为均一。

图7 2001～2018年内蒙古地区四季降水量空间变化Fig.7 Spatial variation of seasonal precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

图8 2001～2018年内蒙古季节降水量变异系数空间分布Fig.8 Spatial distribution of the coefficient variation of seasonal precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

图9 2001～2018年内蒙古四季降水量年际变化趋势的空间分布Fig.9 Spatial distribution of interannual changes in seasonal precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2018

图9为内蒙古地区2001～2018年间四季降水量年际变化趋势的空间分布图。由图可知，不同季节降水量变化趋势的区域差异明显。春季降水量呈减少趋势的地区主要位于区域东北部、东南部、中部大部分地区和西部小部分地区，包括呼伦贝尔市、兴安盟、乌兰察布市、包头市、呼和浩特市和鄂尔多斯市的大部分地区；其余盟市大部分区域降水量呈增加趋势。夏季降水量呈明显增加趋势的地区主要位于呼伦贝尔市的东南部和西南部、兴安盟和通辽市的大部分地区、赤峰市的南部、鄂尔多斯市的东南部；明显减少的地区主要位于呼伦贝尔的西南部和锡林郭勒盟的中部。秋季降水量明显增加的地区主要位于呼伦贝尔市的东南部及与兴安盟接连区域；呈减少的地区主要位于赤峰市的南部、巴彦淖尔市的西部和阿拉善的大部分地区。冬季降水量无显著性变化。

表3为内蒙古地区2001～2018年间不同显著性水平下，四季降水量变化趋势的面积百分比。结合F检验，由表3可知，春、夏、秋、冬四季降水量呈增加趋势的面积均高于呈减少趋势的面积；除了夏季，其余季节降水量变化趋势的面积百分比基本为：增加不显著>减少不显著>显著增加>显著减少；夏季呈显著增加的面积所占比重远大于其余3个季节。

表3 不同显著性水平的四季降水量变化趋势的面积占比Tab.3 Area percentages of seasonal trends in precipitation with different significance levels %

5 讨论与结论

5.1 TRMM降水数据与实测数据的比较

内蒙古面积广阔，是中国第三大省区。由于气象站点具有分布不均、覆盖范围不够广，且部分站点数据不易获取等缺点，因此利用气象站点数据插值只能大致概况研究区的降水空间分布，无法全面细致地了解研究区降水的细微差异。TRMM降水数据作为一种重要的全球卫星降雨产品，具有广泛的覆盖范围、较高的时空分辨率，且经过验证可知，数据质量较好[32]，能够弥补气象站点数据精度不足等缺陷[33]。

本文利用TRMM数据得出的内蒙古地区年降水量的空间分布与殷方圆等[31]利用气象站点数据得出的研究结果大致相同。所以，利用TRMM数据研究大范围地区降水有较好的效果，同时能够弥补气象站点不全等缺陷。范科科等[34]在利用NDVI数据对内蒙古地区TRMM数据降尺度结果中发现，降尺度后的大部分站点的相对偏差BIAS存在下降趋势，因此可以推断出大部分站点的TRMM原始降水数据有高估的现象，这与本文的研究结果相一致。

5.2 基于TRMM的降水时空变化特征

本文利用2001～2018年内蒙古地区的37个气象站点实测数据，采用4种精度评价指标对TRMM降水数据进行月、年和季尺度的精度验证，表明TRMM降水数据与实测数据之间的拟合优度达到0.85(P<0.01)以上，两者整体误差水平相对较小。通过精度验证结果可知，TRMM降水数据可用于监测北纬50°以南的内蒙古地区的降水状况。以TRMM降水数据作为基础数据，基于Sen-MK检验法和变异系数法分析了内蒙古地区18 a不同时间尺度的降水时空特征。研究结论如下：

(1) 2001～2018年内蒙古自治区年降水量介于228.95～403.80 mm之间，多年平均值为301.59 mm，年际变化趋势上，近18 a降水呈上升趋势，上升速率为44.96 mm/(10 a)，2011年是降水累积量由下降至上升的转折点。

(2) 降水量由内蒙古的东北向西南呈条带状逐渐减少，大部分地区降水有增加的趋势，只有小部分地区降水量有减小趋势。降水量减小的地区主要位于区域西部的阿拉善高原，且其降水波动最为剧烈，内蒙古中部次之，东部降水量变化较为均衡。

(3) 从季节降水年际变化可知，除了春季降水有减少趋势外，其余季节的降水均呈上升趋势，其中夏季和秋季是年降水量增加的主要贡献者。

(4) 从季节降水的空间变化可知，四季降水量均自内蒙古东部向西南逐渐减小，且夏季和秋季条带状特征明显。四季中，内蒙古的西部降水量最少，该地区的阿拉善高原降水量变化最为剧烈，而降水量变化均衡的地区主要位于内蒙古东部的呼伦贝尔市。四季降水量呈增加趋势的面积均高于呈减小趋势的面积，其中，夏季降水量呈显著增加趋势的面积为四季中最大。