基于TRMM降雨数据的西南地区特大气象干旱分析

臧文斌，阮本清，李景刚，黄诗峰

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

据兰州干旱气象研究所［1］分析，2009年秋季，我国西南地区、华南地区及东北地区降水较历史同期偏少20%～60%，这3个地区也是当时我国的3个主要旱区。2009年11月以后，受多次降水影响，华南、东北旱情得到极大缓解。而我国西南地区的降水量持续较历史同期偏少，加之该地区气温高、蒸发量大、土壤墒情差等因素影响，从而导致广西、重庆、四川、贵州、云南5个省市（以下简称西南5省）干旱强度持续加重。据相关省份气象部门报道，2010年2—3月，云南大部分地区干旱等级升至百年一遇以上，贵州总体上升至80年一遇，广西和四川西南山区也出现了50年一遇的气象干旱灾害［2］。截止2010年3月底，云南大部、贵州大部、广西局部持续干旱时间超5个月，且旱情仍呈加重趋势。

干旱在气象学上分为气候干旱和干旱灾害。通常人们关注的是干旱灾害，它是指某一地区在一段时间内降水量较历史同期显著偏少，且水工程供水不足，从而导致该地区的经济活动和人类活动受到较大危害的事件。传统干旱监测采用地面台站观测的点降水数据插值成空间的面降水数据，不能有效反映降水的空间分布特性。TRMM卫星数据空间遍布均匀、共享性高、同步性好，尤其适用于大尺度地区的降水研究。笔者尝试采用TRMM卫星降雨数据对2010年初我国大部分地区的气象干旱进行分析。

2 数据

2.1 TRMM降水数据 TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星是国际上监测风暴强度数据的主要卫星之一。TRMM卫星搭载的探测仪器有［3］：测雨雷达（Precipitation Radar，PR）、微波成像仪（TRMM μwave Imager，TMI）、可见/红外扫描仪（Visible and Infrared Scanner，VIRS）、云和地球辐射能量系统（Clouds and the Earth Radiant Energy System，CERES）、雷电成像传感器（Lightning Imaging Sensor，LIS）。其中降水雷达（PR）为装载于TRMM卫星的主动式微波辐射计，PR的工作频率为13.8GHz，扫描幅度215km，垂直分辨率250m，水平分辨率4.3～5.0km。为延长卫星使用寿命，2001年8月，轨道高度从350km调整到400km。

TRMM 3B42数据集（时间范围：1998年1月至今；时间分辨率：3h、1d、3d、7d；空间范围：50°S—50°N，180°W—180°E；空间分辨率：0.25°×0.25°）是TRMM卫星的三级产品，该数据集是用红外亮温资料采用3B42算法（详见http://trmm.gsfc.nasa.gov/）得到的准全球的降水估量数据。TRMM 3B43数据集（时间范围：1998年1月至今；时间分辨率：月；空间范围：50°S—50°N；180°W—180°E；空间分辨率：0.25°×0.25°）是由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）的全球降水资料合成。

2.2 TRMM数据有效性 杨传国等［4］以淮河地区1998—2000年30个雨量站实测逐日降水资料为依据，检验TRMM 3B42数据集降水数据质量，得出降水总量误差在±6%之内，两组序列离散度相近，并且TRMM 3B42降水数据和雨量站观测降水数据具有较好的空间分布一致性。Md.Nazrul Islam等［5］以1998—2002年孟加拉国31个雨量站5年降水数据为样本，对照分析TRMM 3B42数据，结果显示：雨季前TRMM 3B42降水数据偏高，雨季偏低，全年偏低，总体误差不大。李景刚等［6］以2008年10—12月全国714个以及2009年1—2月全国667个地面测站的雨量计观测数据作为样本，与对应的TRMM 3B43数据集的月降水量建立一元线性回归方程，对样本地区降水的有效性进行检验，得到3B43数据集的月降水量与地面站点观测的月降水量虽存在一定的偏差，但总体上两者间存在明显的线性相关性，样本地区降水观测整体上具有较好的可信度。通过国内外许多学者［4-13］对TRMM数据的有效性进行检验，证实数据可靠性较好，虽精度较地面站点观测略低，但更适合用于大尺度的水文分析。

本文以2009年10月—2010年1月全国667个地面雨量站数据（来源于中国气象局国家气象信息中心）为标准，对TRMM 3B43数据质量进行检验。以雨量站降水数据为自变量，以对应网格内的TRMM 3B43数据为因变量，建立线性回归方程如图1。结果表明：两者之间存在明显的线性相关性，均通过了99%的显著性检验，TRMM 3B43数据整体上具有较好的可信度。本文又以其中的西南5省2009年10月—2010年1月120个地面雨量站数据为标准，检验TRMM 3B43数据在降水较少典型区域的可靠性（表1），结果表明：除2009年10月份误差稍微偏大外，其余各月误差均在±4%之内，TRMM 3B43数据与雨量站数据降雨过程基本一致。综上，TRMM 3B43数据可靠性较好，可用于大尺度气象干旱分析。

表1 西南5省2009年10月—2010年1月月平均降水量

TRMM卫星3B42数据集和3B43数据集均覆盖全球南北纬50°间区域，除我国东北高纬度地区外均可有数据覆盖。由于3B43产品更新较慢，本文计算中使用的2010年3月份降水数据采用3B42数据累积计算得出，其余数据均采用3B43产品数据。

3 研究方法

3.1 降水距平百分率 降水距平百分率能直观反映降水异常引起的干旱，是表征某时段降水量较常年同期值偏多或偏少的重要指标之一，同时也是我国气象干旱评估的主要参数之一［14］。

某时段降水距平百分率（Pa）按式（1）计算：

式中：P为某时段降水量（mm）；-P为计算时段同期气候平均降水量。某时段同期气候平均降水量-P按式（2）计算：

式中：n为1～30年，i＝1，2，…，n。

笔者借鉴李景刚［6］提出利用TRMM数据分析干旱的方法，使用ArcInfo、Envi软件，先将1998年1月—2009年12月共12年（限于TRMM数据时间系列较短）月降水量数据作为历史资料样本，对每月同期气候平均降水量-P进行求解。然后以2009年9月—2010年3月期间月降水量数据为观测样本，计算我国月降水距平百分率和累计降水百分率分布数据，并对我国2010年春季干旱和2009年9月—2010年3月气象干旱空间演变过程进行分析。

3.2 气象干旱标准 干旱灾害受自然环境和人类活动等多种因素影响，是下垫面、冷热源汇、水汽源汇等共同作用的结果。由于形成原因复杂，带来影响繁多，干旱灾害判断标准的制定也十分复杂。在常见的气象、农业、水文和社会经济干旱4种类型中，气象干旱类型标准计算简单（通常采用降水距平百分率），资料获取较易，具有较强的时空适用性。鉴此，本文借鉴冯佩芝［15］、王劲松［16］、韩海涛［14］和卫捷［17］等人思想提出基于降水距平百分率的气象干旱标准，见表2所示。

表2 基于降水距平百分率的气象干旱标准

4 结果分析

4.1 全国旱情分析

4.1.1 全国月降水距平百分率时空特征分析 利用TRMM 3B42和3B43降水数据，计算得到2009年9月—2010年3月全国各月降水距平百分率分布数据（见图2）。结合图2分析得出：2009年9月，全国降水分布较为普遍，各地区降水距平百分率呈现正负值交替现象。2009年10月，除青海、吉林、辽宁、海南、四川局部和西藏大部外，我国其它地方降水较历史同期偏低，且许多地区远远低于往年。2009年11月，除西藏东部、青海西南、湖南、台湾、海南、东北大部和西南5省外，我国降水较往年明显偏高，很大程度上缓解了前段时期我国大部分地区的秋旱压力。2009年12月，我国东北和华南地区降水较历史同期偏多，其它地区偏少。2010年1月，除新疆中部与北部、华北北部、内蒙古中东部、广西、广东、海南外，其它地区降水较往年偏少，且许多地区降水在往年的两成以下。2010年2月，我国西南地区及青海、湖北、湖南、内蒙古中东部、甘肃南部降水较历史同期偏少，且许多地区降水在往年的五成以下。2010年3月，降水较往年偏少地区主要集中在云南、贵州、四川南部与西部、广西、广东、西藏东部、青海中部与东部、湖南与江西南部、辽宁与吉林东部等地。全国各月降水距平百分率分布数据可协助下文的累积降水距平百分率分析我国旱情演变过程。

4.1.2 全国累积降水距平百分率时空特征分析 干旱灾害的一个重要特征是形成时间长和影响时间久。干旱灾害的形成是长期降水低于历史同期累积作用的结果，某月的干旱程度，不仅与当月的降水量有关，而且与前期累积降水量也有关系，为此考虑累积降水距平百分率评价干旱情况更为合理，逐月累积降水距平百分率图可展现干旱的具体演变过程。

分析累积计算得到的2009年9月—2010年3月期间8个时段的全国累积降水距平百分率分布数据（图3），得知我国气象干旱演变过程：2009年9月—2010年3月，全国降水偏少地区明显多于偏多地区，西南5省、西藏东部、湖南中部和南部、甘肃南部、内蒙古中部累积降水低于历史同期20%～70%，旱情严重；由图3（a）、（b）可以看出：我国2009年秋旱主要分布在我国西南、华南和东北地区；结合单月降水距平百分率数据和图3（c）分析可得：2009年11月期间，我国华南和东北地区大部旱情得到极大缓解；结合单月降水距平百分率数据和图3（g）、（h）可看出：2010年3月，我国西南5省、湖南大部、湖北西北部、河南南部、西藏东部、青海中部和东部、甘肃南部、山西南部仍有不同程度的旱情，其中西南5省旱情和甘肃中东部尤其严重，且持续时间较长。

4.2 西南5省旱情分析 鉴于累积降水距平百分率更为科学合理，本文以各月距平百分率数据为辅助，采用累积降水距平百分率数据分析西南5省旱情变化。由于2009年9月西南5省降水较为丰沛，较往年差别不大，本文以2009年10月为起点，累积计算2009年10月—2010年3月期间5个时段西南5省累积降水距平百分率分布（图4），分析我国西南5省旱情发展如下：

（1）2009年10月—2010年3月，云南省大部地区5个时段累积降水距平百分率低于-50%，且局部地区累积降水距平百分率低于-80%，云南大部分地区旱情十分严重，全省大部分地区2010年3月灾情属重旱。此次旱情从2009年10月开始，持续时间长达半年，据报道2010年3月旱情已超过“百年一遇”［2］。

（2）2009年10月—2010年3月，贵州省大部分地区5个时段累积降水距平百分率低于-25%，局部地区累积降水距平百分率低于-50%，旱情较为严重，主要集中在贵州南部和西部，全省大部分地区2010年3月灾情属重旱。从2009年10月，贵州降水较往年偏少，持续时间长达半年，据报道2010年3月旱情已达到“80年一遇”［2］。

（3）由2009年10月—2010年2月累积图可看出，重庆市大部累积降水距平百分率低于-25%，局部低于-50%，旱情较为严重，全市大部分地区2010年2月份灾情属干旱。由图4（e）可看出，重庆市南部和北部局部地区累积降水距平百分率低于-25%，旱区范围缩小。结合图2（g）分析，2010年3月，重庆中部等区域降水较往年有所增加，土壤墒情得到改善，当地的旱情有所缓解，但由于工程蓄水未得到有效补充，部分地区人畜饮水依然困难，这些地区2010年3月灾情仍属干旱。

（4）由2009年10月—2010年1月累积降水距平百分率图可以看出，2010年1月广西得到降水补给，前段时间的旱情得到了极大的缓解。图4（d）、（e）显示，此后2个月广西累积降水距平百分率累积持续下降，全省降水较历史同期大大偏少，广西西部、北部及东南部累积降水距平百分率低于-25%，西部局部地区低于-50%，广西西部局部地区2010年3月份灾情属于重旱，据报道广西局部地区旱情已达“50年一遇”［2］。

（5）从5个时段累积图可得出，四川旱情主要集中在川西南地区，川西南大部分地区累积降水距平百分率低于-25%，局部低于-50%，川西南局部地区旱情较为严重，2010年3月份灾情属于重旱，据四川气象部门报道2010年3月份川西南地区旱情已达50年一遇［2］。

经分析，此次旱灾形成主要因素如下：旱区气温高、蒸散发大；旱区许多水库靠降雨径流蓄水，降水长时期较历史同期偏少，许多水库水位已降低至死水位以下，甚至干涸；旱区大型水库和骨干水利工程很少，基础水利工程设施薄弱；旱区主要分布在以山区、丘陵地带，以雨水养农业为主，缺乏基础灌溉设施，旱情应对机制欠缺；旱区作物处于高需水生长阶段，对水分的依赖性较强。因此，如果后期没有有效降水，西南5省旱区干旱强度将愈来愈严重，旱情范围会越来越大。

4.3 云贵旱情演变分析 选取云南省（双柏县和西畴县）和贵州省（紫云苗族布依族自治县和安龙县）旱情较重各两个地区（位置见图4（e））为研究区，对2009年9月至2010年3月期间降水过程进行分析（图5）。由图5可以看出：研究区2009年10月—2010年3月，降水量远低于历史同期水平；自2009年10月以来，研究区持续半年基本没有有效降水，由于特殊的地质构造，当地许多水库靠降水径流蓄水，从而导致不少水库水位降低到死水位以下甚至空库；在此期间，云南省气温较往年平均偏高1～2℃，进一步加大了蒸散发水量的损耗；加之缺乏必要的水利设施建设理念，雨水蓄不住，地下水用不上，便造成了该地区的干旱灾害现象。

通过对云南、贵州两省累积降水距平百分率低于-50%区域面积变化趋势（图6）分析知，云南省累积降水距平百分率低于-50%的面积在逐渐增加，其主要原因是长时间持续没有或仅有较少有效降水，从而导致重灾区面积逐渐增加。贵州省累积降水距平百分率低于-50%的面积先减少，2010年1月至2010年3月期间又呈现显著递减趋势；2009年12月面积减少的主要原因是11月有比较充沛的降水，缓解了部分地区旱情，此后数月降水大大低于历史同期，故导致重旱区面积不断增加。

5 结论与探讨

基于本文构建的气象干旱标准，利用TRMM卫星3B42和3B43数据集对以西南5省为主的我国2009年9月—2010年3月旱情演变过程进行了分析，得出结论如下：

（1）2010年3月，我国旱情总体比较严重，西南5省尤为突出。除西南5省外，湖南省大部、湖北省西北部、河南省南部、西藏自治区东部、青海省中部和东部、甘肃省南部、山西省南部仍有不同程度的旱情，其中甘肃、湖南旱情比较严重。

（2）截止2010年3月底，西南5省除重庆外，均未出现旱情缓解趋势，旱情可能继续发展，相关部门应密切监测旱情发展动态。在做好西南5省抗旱同时不能忽视其它地区的旱情发展，抗旱部门应统筹好全局抗旱工作。

利用TRMM数据对我国大部分地区2009年10月—2010年3月的气象旱情分析和研究区自然旱情较为吻合，干旱分析效果较好。需要指出的是，由于本文所做分析研究为气象干旱，与农业干旱等其他干旱类型不同，分析结果与实际旱情有一些差别。另外，TRMM的3B42时间分辨率小，数据同步性较好，可用于短期旱情分析；3B43为月降水数据，可用于中长期旱情分析。同时，TRMM卫星数据空间分辨率较大，可适用于大尺度旱情分析，对缺乏降水观测数据地区尤为适用。

另外需要注意是，TRMM数据时间是UTC时间，我国与UTC的时差为+8h。使用3B42数据时，应注意转换为我国时间；使用3B43数据时，由于合成的月降水数据为UTC时间，数据集在我国使用存在原始误差，精度要求较高时应谨慎使用此数据集。

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