1979-2014年秦巴山区MSWEP降水数据精度评估及变化特征分析

杨晓柳, 王 平, 高大威, 杨 幸, 丁智强

(云南师范大学 旅游与地理科学学院, 昆明 650500)

降水作为全球水循环的基础组成部分，是气象学、水文学、生态学的重要参数，是地球和大气系统能量交换和物质循环的重要组成部分[1-5]。传统的降水数据主要通过地面站点观测获得，这种观测方式很大程度上受到地形条件的影响，特别是在地形复杂的山区和高原地区，地面观测点稀少导致降水数据相对缺乏[6-7]。因此，获取准确的降水信息对于研究全球气候变化及水循环等具有重要意义[8]。

近年来随着卫星观测的快速发展，在全球与区域尺度上已经形成了一系列的卫星降水数据产品，虽然卫星降水数据具有空间覆盖范围广、时空分辨率高的特点，但往往存在对实际降水高估或低估的现象，特别是在地形复杂、地势起伏大的地区，这种现象尤为明显[9-11]。而融合了站点降水、卫星降水和再分析数据的多源加权集成降水数据集[12-13](Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation，MSWEP)充分结合了站点数据和卫星数据的优点，具有长时间序列、高精度和高时空分辨率特性，在全球尺度上提供了较为可靠的降水数据[14]。MSWEP产品自发布以来，一些学者开展了精度评估研究，如学者Jiang等[15]对该降水数据进行了精度检验，评估了MSWEP降水数据在不同时间尺度上的表现和不同降雨强度等级下对总降雨量的贡献率。Sahlu等[16]在埃塞俄比亚尼罗河流域，对比分析了6种卫星产品和再分析产品精度，包括TMPA、CMORPH、PERSIANN、ECMWF、ERA-Interim和MSWEP。王园园等[17]利用三峡库区及附近地区气象站点的降水数据对MSWEP月降水数据进行评估，采用GAM融合站点降水空间插值结果和MSWEP产品就三峡库区分析1979—2014年降水变化特征做了分析。邓越等[18]基于1979—2015年中国大陆824个气象站点观测数据，评估MSWEP在中国大陆区域的精度。作为新的网格降水产品，MSWEP降水产品在秦巴山区尚未有人对其进行研究。

秦巴山区是我国自然地理南北重要分界，是汉江、丹江、嘉陵江、渠江等重要河流的发源地，生态脆弱、气候敏感，一直以来都是气候变化研究的热点区域。对秦巴山区MSWEP降水数据进行精度评估，对MSWEP与站点降水多年变化进行对比分析，旨在探讨MSWEP降水数据在该地区的适用性，为MSWEP产品在该区域的应用，如气象预报、防灾减灾、流域生态环境管理、水情调度及社会经济发展等方面提供科学依据。

1 研究区概况

秦巴山区由秦岭和大巴山两大山区及之间的汉江谷地等构成(30°29′—34°37′N，103°44′—113°13′E)，地处中国中部，横跨于华北与华南之间，位于四川、重庆、陕西、湖北、河南、甘肃6省市交界处(图1)，是我国人文、地理、气候等南北过渡区，也是气候变化的敏感区和脆弱区，是汉江中上游、嘉陵江上游、渠江上游等汇水区，在维系下游水安全、水生态、水环境等方面发挥着重要作用。以山地、丘陵、盆地为主，气候类型多样，四季分明，降水主要集中在夏秋季节，是亚热带和温带的分界线。该区域不仅是生物多样性保护生态功能区，同时也是重要的水源涵养地，是中国重要的生态安全保障区[19]。

图1 秦巴山区气象站点分布

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

MSWEPV 2.1数据是Beck等基于站点数据、卫星降水数据和再分析数据，制作的一款全新的多源加强集成降水数据集，该数据具有3小时的时间分辨率和0.1°的空间分辨率，时间跨度为1979—2016年。提取研究区内格点上MSWEP降水数据时间序列，使用的降水数据从http:∥www.gloh2o.org下载，MSWEP数据的储存格式为nc文件格式。使用Matlab软件对原始数据进行预处理，提取出流域内对应站点位置的月降水数据，再利用月降水数据进行累加得到季和年降水数据。

秦巴山区范围内的18个气象站点数据，来源于国家气象信息中心数据库，时间序列为1979—2014年，站点没有移动，数据资料序列连续完整,并通过R软件中的RClimDex程序对数据进行处理，以达到检验和提高数据质量的目的，包括异常值和错误值的筛选，以保证结果的可靠性[20]。秦巴山区平均序列为18个站总算术平均值。按照气候统计上的春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)、雨季(5—10月)、干季(11月—翌年4月)统计各季降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 精度评估方法 本文主要采用的是定量指标中的相关系数(CC)反映了两组数据之间的相关性程度，CC取值范围为[-1,1]，相关系数绝对值越大，表示两者之间的相关性程度越高，相关性绝对值越接近0，表明数据之间相关性越低；均方根误差(RMSE)表示两组数据之间的偏差，常用来评估误差的整体水平，数值越小，反映MSWEP降水与站点实测降水之间的误差越小；平均绝对误差(MAE)可以避免误差相抵的问题，可以准确反映MSWEP降水与站点实测降水之间的误差；相对偏差(Bias)映了一组数据相对于另一组数据的偏离程度，Bias越接近0，表明MSWEP数据越精确，两组数据的吻合度越高，Bias为正值，表明MSWEP降水高于实测降水，Bias为负值，表明MSWEP降水低于实测降水。运算公式如下所示[21-26]。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2.2 两种降水量变化特征分析方法 线性趋势法，即把气候要素表达为时间t的线性函数x=at+b，其中a,b为经验常数。根据所选的实际数据资料，运用最小二乘法，将a和b的数值演算出来，其中a表示的意义是线性函数的斜率，表征气候要素的线性趋势，如果a为正就表示的是增加趋势，如果a的值为负就代表减小趋势，如果a等于0则就说明没有变化趋势[27]。

Mann-Kendall突变检验法，是一种非参数统计检验方法，它不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的影响和干扰，能够反映序列的变趋势，还能够找出序列是否有突变及其位置[28-29]。

3 结果与分析

3.1 MASWEP产品精度分析

3.1.1 时间序列精度检验 秦巴山区18个气象站点降水的实测数据和对应网格位置上的MSWEP降水数据在年、季节和月尺度上的拟合结果及评价指标见表1。在年尺度上，MSWEP降水数据与站点实测数据相关性较好，相关系数达到0.83，均方根误差均值为57.30 mm，平均绝对误差均值为16.74 mm，从两者误差可以看出MSWEP降水和站点实测值较接近，相对偏差均值为-2.22%，表明MSWEP降水对实测降水有轻微的低估现象。

表1 年、季节、月尺度上MSWEP降水数据精度指标评估结果

在季节尺度上，相关系数都大于0.85，一致性较高，其中秋季一致性最高，其均值为0.92，大于春季0.86、夏季0.85及冬季0.89。从均方根误差来看，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分别为15.55，35.39，17.10，4.16 mm。从平均绝对误差看，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分别为4.45，10.47，4.57，1.04 mm。从相对偏差来分析，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分别为-7.55%，-1.40%，1.77%，-9.69%。

在月尺度上，MSWEP降水数据与站点实测数据间的相关系数均值为0.94，均方根误差均值为35.49 mm，平均绝对误差均值为27.19 mm，相对偏差均值为-2.22%。月尺度上的MSWEP降水数据与气象站点实测数据一致性很高，误差也较小，对实测数据有轻微低估现象。

3.1.2 单个站点精度检验 由于降水受多种气象和地理因素影响，因此，除了需要对整个区域时间序列上的MSWEP数据进行精度评估外，还需进一步在单个站点尺度上对MSWEP数据进行精度检验。由表2可知：(1) 18个气象站点实测数据与MSWEP降水数据之间在月尺度上存在明显的线性相关性，相关系数都在0.90以上，其中汉中站相关系数最高0.99。(2) 18个气象站点实测数据与MSWEP降水数据均方根误差都在11.5 mm以下，超过10的站点仅有4个，分别是房县站、广元站、万源站、奉节站，万源站最大为11.48 mm，卢氏站最小为3.62 mm。气象站点实测数据与MSWEP降水数据平均绝对误差都在2.4 mm以下，超过2 mm的站点仅有3个，分别是房县站、万源站、奉节站，其余站点均小于2 mm，房县站最大为2.39 mm，卢氏站最小为0.67 mm。(4) 18个站点中，有11个站点相对偏差小于0，7个站点大于0，表明MSWEP降水数据相对于站点实测降水数据，有11个站点存在轻微低估现象，7个站点存在轻微的高估现象。在所有站点中，有16个站点相对偏差的绝对值|Bias|在20%以内，占到18个站点总数的88.9%，其中|Bias|最小的站点为西峡站-0.70%，仅有2个站点|Bias|在20%以上，分别为武都站和房县站。说明各个站点MSWEP降水数据在月尺度上与气象站点实测降水数据之间具有很好的一致性，在一定程度上能够反映区域内真实的降水情况。

表2 单个站点月尺度MSWEP数据精度评价指标

3.2 站点与MSWEP降水量变化趋势分析

秦巴山区36 a来，站点年平均降水量为851.1 mm，年降水量最多的年份是1983年为1 220.2 mm，最少的年份是1997年为599.2 mm，并且呈波动减少趋势变化(图2)，倾向率为-27.3 mm/10 a。MSWEP年平均降水量为872.7 mm，年降水量最多的年份是1983年为1 180.2 mm，最少的年份是1997年为608.8 mm，降水量呈波动减少趋势变化，倾向率为-23.1 mm/10 a。站点和MSWEP降水量季节变化大(表3)，均呈现夏季>秋季>春季>冬季、雨季>干季，各季节降水量最多的年份，两种降水均出现在同一年，春、夏、秋、冬、雨、干季分别为1998年、1981年、2011年、1989年、1983年、1989年。降水量最少的年份除夏季(站点降水2006年，MSWEP降水1997年)外，其余季节均相同，并且都是在20世纪90年代中后期，春、秋、冬、雨、干季分别是1995年、1998年、1999年、1995年、1997年。从整体变化来看，除MSWEP降水夏季呈增多趋势变化外，其他各季两种降水均呈减少趋势变化，但春、秋、冬季MSWEP降水量的变化幅度大于站点降水量，而夏、雨、干季则是站点降水量变化幅度大于MSWEP降水量。

3.3 站点与MSWEP降水量突变分析

用M-K突变检验，对秦巴山区1979—2014年年降水量进行检验。结果显示(图3)，站点年降水量呈“减少—增多”两个阶段变化，1979—1986年UF曲线>0，该时段降水量呈增多趋势变化，但没有超过95%置信区间，证明该时段降水量增多趋势不显著，1986—2014年UF曲线<0，该时段降水量呈减少趋势，并在1993—2005年超出95%置信区间，该时段降水量减少显著，UF和UB曲线1985年，表明1985年是突变年。MSWEP降水量也呈“增多—减少”阶段变化，1979—1985年UF曲线>0，降水量呈增多趋势变化，该阶段UF曲线处于置信区间内，降水量增多不显著，1985—2014年UF曲线<0，降水量呈减少趋势，其中1996—2002年超出95%置信区间，该时段降水量减少显著，1985年UF和UB曲线相交，1985年为突变年。

3.4 站点与MSWEP降水量变化周期分析

由1979—2014年秦巴山区站点及MSWEP年降水量小波变化系数实部图和小波方差可知(图4)，站点年降水量，存在4～7 a和20～25 a时间尺度的“丰—枯”交替变化周期。在20～25 a时间尺度上存在3个准震荡周期，站点年降水量经历了丰枯丰的循环交替，20世纪80年代中期前秦巴山区处于多雨期，而1987—2000年处于少雨期，进入21世纪后降水量较前一阶段有所增加为多雨期，但没有20世纪80年代中期前的降水量多，而到2014年等值线还没有闭合，证明未来一段时间降水量将继续偏多；4～7 a的周期震荡主要在20世纪90年代前和1997年以后比较活跃，存在降水较丰富和较少交替循环交替。小波方差表明，该时段站点年降水量存在两个峰值，分别为5 a和23 a，其中23 a的时间周期峰值最显著，所以为站点年降水量变化的主周期。

MSWEP年降水量，存在3～5 a，6～10 a，19～26 a时间尺度的“丰—枯”交替变化周期。在29～26 a时间尺度上存在3个准震荡周期，站点年降水量经历了丰枯丰的循环交替，1987年前处于多雨期，1987—2000年处于少雨期，2000年以后降水较前一时段增多，为多雨期，但降水量不如1987年前多，而到2014年等值线还没有闭合，证明未来还有一段时间降水量将继续偏多；6～10 a的周期震荡主要在21世纪以前比较活跃，存在降水量较多和较少交替变化；3～5 a的短时间尺度的降水变化，存在降水量较丰富和较少的交替变化。小波方差表明，该时段MSWEP年降水量存在两个峰值，分别为8 a和24 a，其中24 a的时间周期峰值最显著，所以为MSWEP年降水量变化的主周期。

图2 站点与MSWEP降水量变化趋势

表3 1979-2014年站点与MSWEP降水量年、季节变化趋势及其倾向率

图3 站点与MSWEP年降水量M-K检验

图4 站点与MSWEP降水量变化周期

4 结 论

(1)从精度检验结果来看，首先站点降水与MSWEP降水在年、季节、月尺度上相关系数均在0.8以上，具有较高的一致性，月尺度和秋季一致性最高，相关系数在0.9以上；均方根误差，年尺度为57.3 mm、月尺度为35.5 mm，季节尺度春、夏、秋、冬季分别为15.6，35.4，17.1，4.2 mm；平均绝对误差，年尺度为16.7 mm，月尺度为27.2 mm，季节尺度春、夏、秋、冬季分别为4.4，10.5，4.6，1.0 mm；相对偏差，年尺度为-2.22%，月尺度为-2.22%，季节尺度春夏秋冬分别为-7.55%，-1.40%，1.77%，-9.69%。其次，各个站点MSWEP降水数据在月尺度上与气象站点实测降水数据之间也具有很好的一致性，在一定程度上能反映区域内真实的降水情况。

(2)从变化趋势来看，站点和MSWEP年降水量均呈波动减少趋势变化，倾向率分别为-27.3，-23.1 mm/10 a，季节降水量除春季MSWEP呈增加趋势外，其余各季节两者降水数据均呈减少趋势变化，其中降水量减少最显著的季节无论是站点还是MSWEP降水都是夏季(站点倾向率：-23.1 mm/10 a，MSWEP倾向率：-22.2 mm/10 a)和雨季(站点倾向率：-24.5 mm/10 a，MSWEP降水倾向率：-22.7 mm/10 a)。从突变分析来看，站点和MSWEP降水量在该时段均有突变现象，并且突变年份都为1985年。从变化周期上看，站点数据与MSWEP数据均出现“枯—丰”周期性变化规律，但站点降水量变化主周期比MSWEP降水量短2 a。