基于TRMM 3B43 V7數據雅魯藏布江流域降水空間分異特征分析

李琳靜，潘 鋒*，鄒 進，陸 穎，劉 磊,王大雙

(1.昆明理工大學 電力工程學院，云南 昆明 650500；2.云南大學 國際河流與生態安全研究院，云南 昆明 650500)

降水不僅影響流域水資源時空分布，也是導致旱澇災害發生的重要原因。因而，降水時空分異特征研究一直是氣象及水文學研究關注的科學問題。雅魯藏布江流域是我國重要的國際跨境河流，水循環過程受氣候變化影響敏感而脆弱[1-2]，流域內降水直接影響下游地區用水和生態安全。同時，雅魯藏布江單位面積水能蘊藏量居全國首位，是我國水電能源基地建設主體區和優質水資源關鍵儲備區[3-4]。厘清雅魯藏布江流域降水特征對進一步認識流域水循環演變規律、合理開發利用水資源以及防治洪澇災害具有重要意義。

近年來，關于雅魯藏布江流域降水特征的研究已有不少成果[5]。聶寧等[6]基于雅魯藏布江流域及周邊39個氣象站1978—2009年逐年氣象數據展開研究，結果表明流域年平均降水量呈緩慢增加趨勢，達7.935 mm/10 a。楊勇等[7]基于西藏1971—2012年38個站點逐日降水資料對西藏地區暴雨時間時空變化進行分析，發現雅魯藏布江流域暴雨在1971—2012年的30 a存在3 a至6 a顯著性周期變化。劉江濤等[8]研究指出，雅魯藏布江流域極端降水指標整體呈上升趨勢，與年平均降水量變化趨勢保持一致。已往研究多基于站點實測數據對降水時序變化展開，針對流域降水空間分異性的研究較少，張小俠[9]基于雅魯藏布江流域內外22個氣象站1960—2009年實測降水資料對流域降水空間分布特征進行分析，結果揭示了流域降水在空間分布上呈自東南向西北遞減的規律。雅魯藏布江流域內僅有16座氣象站，且站點空間分布不均，主要集中在流域中下游?；诹饔騼认∈璧恼军c資料，難以反映流域連續的降水空間分布特征，目前對雅魯藏布江流域不同時間尺度(年、季、月)的降水空間分異特征仍缺少全面、清晰的認識。衛星遙感降水數據基于連續空間探測技術在揭示降水空間分異特征方面更具優勢。其中，TRMM降水數據因其較高時空分辨率和數據精度，成為科學研究中推薦使用的降水數據[10-11]，已被國內外學者廣泛應用于實測資料稀缺流域(地區)的降水空間分異特征研究[12-16]。

本研究基于1998—2015年TRMM 3B43 Version7月降水數據，統計得到雅魯藏布江流域年、季、月3個不同時間尺度的TRMM降水數據，借此對流域不同地區的降水空間分異特征進行深入研究。前人已陸續開展了TRMM降水數據在雅魯藏布江流域的適用性及精度評價工作[17-19]，研究表明TRMM 3B43降水數據在雅魯藏布江流域內精度較高，適用性較好。因此，文中對TRMM數據精度評價這部分內容不再贅述。

1 研究區概況

雅魯藏布江流域位于西藏自治區南部，介于82°00′E～97°07′E、28°00′N～31°16′N之間，流域東西狹長，南北窄短；其南面為喜馬拉雅山脈，北面為岡底斯山和念青唐古拉山脈，南北間為藏南谷地；流域地勢西高東低，干流源頭海拔5 590 m，東南部出境點僅155 m，總落差達5 435 m[20]。雅魯藏布江自西向東流經青藏高原南部，于林芝、波密和墨脫交匯處形成雅魯藏布江第一彎大峽谷，出境后改稱布拉馬普特拉河。雅魯藏布江流域地理位置及水系如圖1所示。

圖1 雅魯藏布江流域概況示意圖Fig.1 Overview of the Yarlung Zangbo River Basin

2 數據資料與研究方法

2.1 數據資料

TRMM 3B43降水數據是TRMM數據三級數據產品，由TRMM 3B42降水數據統計而得，目前公開發布的數據最新版本為Version7。TRMM 3B43降水數據記錄了每月的平均每小時降水量，數據的存儲格式為HDF格式，空間分辨率為0.25°×0.25°，數據下載自http://pps.gsfc.nasa.gov/tmpa/。

2.2 研究方法

首先使用MATLAB對全球TRMM 3B43 Version7降水數據進行讀取及處理，將其由HDF格式轉換成TIF格式、月平均每小時降水量(mm/h)轉換為逐月降水量(mm)；然后在ArcMap中按照雅魯藏布江流域矢量邊界對其進行裁剪，得到流域范圍內的TRMM降水數據；進而利用ArcMap中的柵格計算器等工具進行統計，可得到流域年、季、月3個不同時間尺度的TRMM降水數據，其中，多年平均季節降水數據按氣候統計法的標準《氣候季節劃分》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)進行統計計算。

3 結果分析

為便于闡述雅魯藏布江流域降水特征，根據流域地形地貌及降水空間分布特征，將流域劃分成西區、中部上游區、中部下游區及東區共4個降水特征區。其中，流域西區為馬泉河流域；流域中部上游區包括多雄藏布、香曲、年楚河等流域；流域中部下游區包括羊卓雍措、拉薩河等流域；流域東區包括尼洋河、易貢—帕隆藏布等流域。

3.1 流域年降水空間分布特征

基于TRMM 3B43 V7降水數據，統計得到1998—2015年雅魯藏布江流域多年平均年TRMM降水數據，成果如圖2所示。

經計算，雅魯藏布江流域多年平均年降水量為806.3 mm，流域東區降水量最大，達3 333.5 mm，西區仲巴一帶降水量最小，僅277.4 mm。由圖2可見，流域年降水量總體呈西少東多的分布特征；在不同分區，降水又表現出不同的空間分異性。其中，流域西區多年平均年降水量為417.3 mm，降水呈自西北向東南逐漸減少的特征；其西北部降水多，達615.7 mm；東南部降水量僅277.4 mm，是年降水量最小的區域。流域中部上游區多年平均年降水量511.3 mm，區域內有兩個近“西南—東北”走向的多雨帶，降水以多雨帶為中心而后向四周遞減；這兩個多雨帶一個位于薩嘎一帶，年降水量在619.0 mm左右；另一個位于拉孜—日喀則一帶，年降水量在630.0 mm左右。流域中部下游區多年平均年降水665.0 mm，其多雨帶也呈“西南—東北”走向分布；該多雨帶南側位于干流右岸羊卓雍措一帶，年降水量在756.0 mm左右；干流左岸為拉薩河流域，其年降水呈明顯的西少東多的特征。流域東區多年平均年降水量達1 299.4 mm，具有東南多西北少的分布特征。

圖2 1998—2015年雅魯藏布江流域平均年TRMM降水數據Fig.2 The average annual TRMM precipitation data in the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

3.2 流域四季降水空間分布特征

基于TRMM 3B43 V7降水數據，統計得到1998—2015年雅魯藏布江流域春、夏、秋、冬四季降水柵格數據，成果如圖3所示。

圖3 1998—2015年雅魯藏布江流域平均季節TRMM降水數據Fig.3 The average seasonal TRMM precipitation data in the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

根據不同季節的TRMM降水數據，分別計算出全流域及4個降水特征區各季的平均降水量P、降水變差系數Cv以及各個特征區不同季節的降水比重i。其中，變差系數Cv反映了區域內降水空間變異性的大小，變差系數Cv越大說明降水空間變異性越強，反之亦然[12]。計算結果如表1所示。

雅魯藏布江流域四季多年平均降水量為春季163.5 mm、夏季474.3 mm、秋季142.4 mm、冬季26.1 mm，分別占全年降水量的20.3%、58.8%、17.7%及3.2%，四季降水呈現出夏季多、冬季少、春秋季均衡的特征。春季和秋季的降水空間特征大致相同，表現為東區降水最多，中部下游區次之，西區和中部上游區降水量較少且接近。夏季，各區降水量均達到一年中的最大值，其中流域東區降水最為豐沛，達690.0 mm；中部上游區、下游區降水次之，西區降水最少，僅226.0 mm；此外，流域內分布著多個呈“西南—東北”走向的多雨帶，這與印度季風走向一致，同時這些多雨帶強度和范圍呈自東向西減少的趨勢。冬季，流域內降水極少，降水最多的西區也僅有48.2 mm，東區降水次之，中部上游區和下游區降水不足16.0 mm。雅魯藏布江流域四季降水Cv分別為春季0.95、夏季0.63、秋季0.77、冬季1.01，四季降水Cv均高于0.6，表明雅魯藏布江流域季節降水空間分異性較強。其中，夏季降水Cv相對較小，即夏季降水空間異質性相對較??；冬季降水Cv最大，表明此時降水空間異質性最強，這與冬季降水極少且空間分布不均有關。四季中，流域各區降水Cv均為東區最高，表明流域東區空間異質性最強。

表1 1998—2015年雅魯藏布江流域季節性降水特征數據Tab.1 Seasonal precipitation characteristics of the Yarlung Zangbo River Basin from 1998 to 2015

3.3 流域逐月降水空間分布及變化特征

基于TRMM 3B43 V7降水數據，統計得到1998—2015年雅魯藏布江流域多年平均逐月降水柵格數據，如圖4所示。

據統計，雅魯藏布江流域7月降水最多，達187.9 mm，12月降水最少，僅為4.8 mm。由圖4(a)可知，11月—翌年4月，流域中部上、下游區及東區降水逐月降水變化特征基本一致，降水在12月達到最少，而后在1月—4月不斷增加；但流域西區最大降水出現在2月。3月—4月，流域3東區波密—林芝—墨脫一帶出現“早春雨”現象，這與南支槽前沿布拉馬普特拉河—雅魯藏布江河谷的水汽輸送密切相關[21]。由圖4(b)可知，進入5月，隨著印度季風爆發，此時流域東區已進入或即將進入雨季。6月，流域中部下游區降水明顯增多，東區大峽谷一帶降水進一步增強，且降水范圍向西北擴大。7月，流域中部下游區、中部上游區和西區降水均顯著增多，其中山南—拉薩一帶，拉孜—日喀則一帶迎來一年中降水最多的時期。8月，流域東區林芝以南地區、中部下游區拉薩以南地區、中部上游區拉孜—日喀則一帶降水減弱；但薩嘎和西區西部降水的變化不大，甚至略有增加。9月，流域中部上游區、中部下游區和西區降水顯著減少，流域東區降水強度和范圍也進一步減小。10月，流域各區降水都已不明顯。以上分析表明，雅魯藏布江流域降水干濕季分明，逐月降水量差異較大，5月—8月流域內多雨帶自東向西推進，即東部地區早于西部地區進入雨季，并且持續時間也較西部地區長。周順武等[22]在開展西藏高原雨季開始和中斷的氣候特征分析時也得到相同結論。

4 結論

本研究基于1998—2015年TRMM 3B43 Version7降水數據，分析了雅魯藏布江流域年、季、月3種時間尺度降水空間分異特征，主要結論如下：

1)雅魯藏布江流域年降水空間分布不均，總體呈西少東多的分布特征。流域多年平均年降水量為806.3 mm；雅魯藏布大峽谷一帶降水最多，降水量高達3 333.5 mm，仲巴一帶的降水最小，降水量僅為277.4 mm。

圖4 1998—2015年雅魯藏布江流域平均11月—翌年4月(a)和5月—10月(b)TRMM降水數據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)雅魯藏布江流域四季降水具有明顯的季節特征，呈現出夏季多、冬季少、春秋季均衡的特點。其中，夏季降水具有多區域特征，在大峽谷—墨脫—林芝、浪子卡—拉薩、拉孜—日喀則以及薩嘎一帶均有多雨帶分布，這些雨帶大都呈“西南—東北”走向分布，且其強度和范圍自東向西不斷減小。在季節上，流域冬季降水空間異質性最大，夏季最??；在空間上，流域東部地區降水空間分異性最強。

3)雅魯藏布江流域年內降水分配不均，逐月降水差異較大，7月最多，12月最少。此外，TRMM 3B43 V7降水數據可以較好地反映流域降水逐月變化特征，不但印證了3月—4月流域東部林芝—波密—墨脫一帶的“早春雨”現象，同時揭示了5月—8月流域多雨帶自東向西的推進過程及各地雨季開始及持續時間的差異。