基于TRMM 3B43 V7数据雅鲁藏布江流域降水空间分异特征分析

李琳静，潘 锋*，邹 进，陆 颖，刘 磊,王大双

(1.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500；2.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500)

降水不仅影响流域水资源时空分布，也是导致旱涝灾害发生的重要原因。因而，降水时空分异特征研究一直是气象及水文学研究关注的科学问题。雅鲁藏布江流域是我国重要的国际跨境河流，水循环过程受气候变化影响敏感而脆弱[1-2]，流域内降水直接影响下游地区用水和生态安全。同时，雅鲁藏布江单位面积水能蕴藏量居全国首位，是我国水电能源基地建设主体区和优质水资源关键储备区[3-4]。厘清雅鲁藏布江流域降水特征对进一步认识流域水循环演变规律、合理开发利用水资源以及防治洪涝灾害具有重要意义。

近年来，关于雅鲁藏布江流域降水特征的研究已有不少成果[5]。聂宁等[6]基于雅鲁藏布江流域及周边39个气象站1978—2009年逐年气象数据展开研究，结果表明流域年平均降水量呈缓慢增加趋势，达7.935 mm/10 a。杨勇等[7]基于西藏1971—2012年38个站点逐日降水资料对西藏地区暴雨时间时空变化进行分析，发现雅鲁藏布江流域暴雨在1971—2012年的30 a存在3 a至6 a显著性周期变化。刘江涛等[8]研究指出，雅鲁藏布江流域极端降水指标整体呈上升趋势，与年平均降水量变化趋势保持一致。已往研究多基于站点实测数据对降水时序变化展开，针对流域降水空间分异性的研究较少，张小侠[9]基于雅鲁藏布江流域内外22个气象站1960—2009年实测降水资料对流域降水空间分布特征进行分析，结果揭示了流域降水在空间分布上呈自东南向西北递减的规律。雅鲁藏布江流域内仅有16座气象站，且站点空间分布不均，主要集中在流域中下游。基于流域内稀疏的站点资料，难以反映流域连续的降水空间分布特征，目前对雅鲁藏布江流域不同时间尺度(年、季、月)的降水空间分异特征仍缺少全面、清晰的认识。卫星遥感降水数据基于连续空间探测技术在揭示降水空间分异特征方面更具优势。其中，TRMM降水数据因其较高时空分辨率和数据精度，成为科学研究中推荐使用的降水数据[10-11]，已被国内外学者广泛应用于实测资料稀缺流域(地区)的降水空间分异特征研究[12-16]。

本研究基于1998—2015年TRMM 3B43 Version7月降水数据，统计得到雅鲁藏布江流域年、季、月3个不同时间尺度的TRMM降水数据，借此对流域不同地区的降水空间分异特征进行深入研究。前人已陆续开展了TRMM降水数据在雅鲁藏布江流域的适用性及精度评价工作[17-19]，研究表明TRMM 3B43降水数据在雅鲁藏布江流域内精度较高，适用性较好。因此，文中对TRMM数据精度评价这部分内容不再赘述。

1 研究区概况

雅鲁藏布江流域位于西藏自治区南部，介于82°00′E～97°07′E、28°00′N～31°16′N之间，流域东西狭长，南北窄短；其南面为喜马拉雅山脉，北面为冈底斯山和念青唐古拉山脉，南北间为藏南谷地；流域地势西高东低，干流源头海拔5 590 m，东南部出境点仅155 m，总落差达5 435 m[20]。雅鲁藏布江自西向东流经青藏高原南部，于林芝、波密和墨脱交汇处形成雅鲁藏布江第一弯大峡谷，出境后改称布拉马普特拉河。雅鲁藏布江流域地理位置及水系如图1所示。

图1 雅鲁藏布江流域概况示意图Fig.1 Overview of the Yarlung Zangbo River Basin

2 数据资料与研究方法

2.1 数据资料

TRMM 3B43降水数据是TRMM数据三级数据产品，由TRMM 3B42降水数据统计而得，目前公开发布的数据最新版本为Version7。TRMM 3B43降水数据记录了每月的平均每小时降水量，数据的存储格式为HDF格式，空间分辨率为0.25°×0.25°，数据下载自http://pps.gsfc.nasa.gov/tmpa/。

2.2 研究方法

首先使用MATLAB对全球TRMM 3B43 Version7降水数据进行读取及处理，将其由HDF格式转换成TIF格式、月平均每小时降水量(mm/h)转换为逐月降水量(mm)；然后在ArcMap中按照雅鲁藏布江流域矢量边界对其进行裁剪，得到流域范围内的TRMM降水数据；进而利用ArcMap中的栅格计算器等工具进行统计，可得到流域年、季、月3个不同时间尺度的TRMM降水数据，其中，多年平均季节降水数据按气候统计法的标准《气候季节划分》中的春季(3月—5月)、夏季(6月—8月)、秋季(9月—11月)及冬季(12月—翌年2月)进行统计计算。

3 结果分析

为便于阐述雅鲁藏布江流域降水特征，根据流域地形地貌及降水空间分布特征，将流域划分成西区、中部上游区、中部下游区及东区共4个降水特征区。其中，流域西区为马泉河流域；流域中部上游区包括多雄藏布、香曲、年楚河等流域；流域中部下游区包括羊卓雍措、拉萨河等流域；流域东区包括尼洋河、易贡—帕隆藏布等流域。

3.1 流域年降水空间分布特征

基于TRMM 3B43 V7降水数据，统计得到1998—2015年雅鲁藏布江流域多年平均年TRMM降水数据，成果如图2所示。

经计算，雅鲁藏布江流域多年平均年降水量为806.3 mm，流域东区降水量最大，达3 333.5 mm，西区仲巴一带降水量最小，仅277.4 mm。由图2可见，流域年降水量总体呈西少东多的分布特征；在不同分区，降水又表现出不同的空间分异性。其中，流域西区多年平均年降水量为417.3 mm，降水呈自西北向东南逐渐减少的特征；其西北部降水多，达615.7 mm；东南部降水量仅277.4 mm，是年降水量最小的区域。流域中部上游区多年平均年降水量511.3 mm，区域内有两个近“西南—东北”走向的多雨带，降水以多雨带为中心而后向四周递减；这两个多雨带一个位于萨嘎一带，年降水量在619.0 mm左右；另一个位于拉孜—日喀则一带，年降水量在630.0 mm左右。流域中部下游区多年平均年降水665.0 mm，其多雨带也呈“西南—东北”走向分布；该多雨带南侧位于干流右岸羊卓雍措一带，年降水量在756.0 mm左右；干流左岸为拉萨河流域，其年降水呈明显的西少东多的特征。流域东区多年平均年降水量达1 299.4 mm，具有东南多西北少的分布特征。

图2 1998—2015年雅鲁藏布江流域平均年TRMM降水数据Fig.2 The average annual TRMM precipitation data in the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

3.2 流域四季降水空间分布特征

基于TRMM 3B43 V7降水数据，统计得到1998—2015年雅鲁藏布江流域春、夏、秋、冬四季降水栅格数据，成果如图3所示。

图3 1998—2015年雅鲁藏布江流域平均季节TRMM降水数据Fig.3 The average seasonal TRMM precipitation data in the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

根据不同季节的TRMM降水数据，分别计算出全流域及4个降水特征区各季的平均降水量P、降水变差系数Cv以及各个特征区不同季节的降水比重i。其中，变差系数Cv反映了区域内降水空间变异性的大小，变差系数Cv越大说明降水空间变异性越强，反之亦然[12]。计算结果如表1所示。

雅鲁藏布江流域四季多年平均降水量为春季163.5 mm、夏季474.3 mm、秋季142.4 mm、冬季26.1 mm，分别占全年降水量的20.3%、58.8%、17.7%及3.2%，四季降水呈现出夏季多、冬季少、春秋季均衡的特征。春季和秋季的降水空间特征大致相同，表现为东区降水最多，中部下游区次之，西区和中部上游区降水量较少且接近。夏季，各区降水量均达到一年中的最大值，其中流域东区降水最为丰沛，达690.0 mm；中部上游区、下游区降水次之，西区降水最少，仅226.0 mm；此外，流域内分布着多个呈“西南—东北”走向的多雨带，这与印度季风走向一致，同时这些多雨带强度和范围呈自东向西减少的趋势。冬季，流域内降水极少，降水最多的西区也仅有48.2 mm，东区降水次之，中部上游区和下游区降水不足16.0 mm。雅鲁藏布江流域四季降水Cv分别为春季0.95、夏季0.63、秋季0.77、冬季1.01，四季降水Cv均高于0.6，表明雅鲁藏布江流域季节降水空间分异性较强。其中，夏季降水Cv相对较小，即夏季降水空间异质性相对较小；冬季降水Cv最大，表明此时降水空间异质性最强，这与冬季降水极少且空间分布不均有关。四季中，流域各区降水Cv均为东区最高，表明流域东区空间异质性最强。

表1 1998—2015年雅鲁藏布江流域季节性降水特征数据Tab.1 Seasonal precipitation characteristics of the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

3.3 流域逐月降水空间分布及变化特征

基于TRMM 3B43 V7降水数据，统计得到1998—2015年雅鲁藏布江流域多年平均逐月降水栅格数据，如图4所示。

据统计，雅鲁藏布江流域7月降水最多，达187.9 mm，12月降水最少，仅为4.8 mm。由图4(a)可知，11月—翌年4月，流域中部上、下游区及东区降水逐月降水变化特征基本一致，降水在12月达到最少，而后在1月—4月不断增加；但流域西区最大降水出现在2月。3月—4月，流域3东区波密—林芝—墨脱一带出现“早春雨”现象，这与南支槽前沿布拉马普特拉河—雅鲁藏布江河谷的水汽输送密切相关[21]。由图4(b)可知，进入5月，随着印度季风爆发，此时流域东区已进入或即将进入雨季。6月，流域中部下游区降水明显增多，东区大峡谷一带降水进一步增强，且降水范围向西北扩大。7月，流域中部下游区、中部上游区和西区降水均显著增多，其中山南—拉萨一带，拉孜—日喀则一带迎来一年中降水最多的时期。8月，流域东区林芝以南地区、中部下游区拉萨以南地区、中部上游区拉孜—日喀则一带降水减弱；但萨嘎和西区西部降水的变化不大，甚至略有增加。9月，流域中部上游区、中部下游区和西区降水显著减少，流域东区降水强度和范围也进一步减小。10月，流域各区降水都已不明显。以上分析表明，雅鲁藏布江流域降水干湿季分明，逐月降水量差异较大，5月—8月流域内多雨带自东向西推进，即东部地区早于西部地区进入雨季，并且持续时间也较西部地区长。周顺武等[22]在开展西藏高原雨季开始和中断的气候特征分析时也得到相同结论。

4 结论

本研究基于1998—2015年TRMM 3B43 Version7降水数据，分析了雅鲁藏布江流域年、季、月3种时间尺度降水空间分异特征，主要结论如下：

1)雅鲁藏布江流域年降水空间分布不均，总体呈西少东多的分布特征。流域多年平均年降水量为806.3 mm；雅鲁藏布大峡谷一带降水最多，降水量高达3 333.5 mm，仲巴一带的降水最小，降水量仅为277.4 mm。

图4 1998—2015年雅鲁藏布江流域平均11月—翌年4月(a)和5月—10月(b)TRMM降水数据Fig.4 The monthly TRMM precipitation in the Yarlung Zangbo River Basin from November to next April (a) and from May to October (b) from 1998 to 2015

2)雅鲁藏布江流域四季降水具有明显的季节特征，呈现出夏季多、冬季少、春秋季均衡的特点。其中，夏季降水具有多区域特征，在大峡谷—墨脱—林芝、浪子卡—拉萨、拉孜—日喀则以及萨嘎一带均有多雨带分布，这些雨带大都呈“西南—东北”走向分布，且其强度和范围自东向西不断减小。在季节上，流域冬季降水空间异质性最大，夏季最小；在空间上，流域东部地区降水空间分异性最强。

3)雅鲁藏布江流域年内降水分配不均，逐月降水差异较大，7月最多，12月最少。此外，TRMM 3B43 V7降水数据可以较好地反映流域降水逐月变化特征，不但印证了3月—4月流域东部林芝—波密—墨脱一带的“早春雨”现象，同时揭示了5月—8月流域多雨带自东向西的推进过程及各地雨季开始及持续时间的差异。