基于遥感降水的西江流域降水时空特征分析.pdf

:/.:/第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:桂林市科学研究与技术开发计划项目()收稿日期:作者简介:秦湛博()男硕士研究生主要从事水文与水资源方面研究 :.通信作者:方荣杰()男硕士研究员主要从事水资源可持续利用和水环境保护研究 :.秦湛博方荣杰黄光灵等.基于遥感降水的西江流域降水时空特征分析.人民珠江():.基于遥感降水的西江流域降水时空特征分析秦湛博方荣杰黄光灵粟 忠许景璇(.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西 桂林.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西 桂林.桂林水文中心广西 桂林)摘要:为精确分析西江流域降水时空特征利用流域内 个气象站 年实测降水数据对同时期 降水数据在西江流域的适用性进行评估并根据 数据定量分析西江流域降水时空变化特征 结果表明:数据与实测降水数据一致性高误差合理在西江流域具有适用性流域内年降水量整体表现为上升趋势且具有欠 丰阶段性变化趋势 月降水量占全年降水量.年、月降水量空间分布均表现为自西向东逐级递增趋势 降水增加但未达到 置信度的区域占.降水变异程度以中变异程度为主占比.间降水表现为反向持续的区域占比.预计有.在过去 中降水增加但未达到 置信度的区域未来的降水可能逆转为减少趋势 研究结果可为科学规划西江流域水资源、推动新阶段流域水利高质量发展提供理论支持关键词:精度评价时空分布西江流域中图分类号:.文献标识码:文章编号:().人民珠江 年第 期 .降水作为重要的气候指标对农业生产乃至国家经济发展具有深远影响 第六次气候变化评估报告指出未来极端降水事件发生概率会随全球平均表面气温上升而增加给各地带来更多消极影响 获取准确的降水数据是加强降水研究应对未来极端降水事件的基础 在现有主要降水观测方法中气象站实测数据最精准但站点难以均匀布设部分地区数据时空连续性差而气象雷达发射的信号易受阻隔降水侦测范围有限 卫星遥感反演降水技术能有效弥补以上 种方法的缺陷为获取范围广、时空分辨率高的全球降水信息提供了途径 在众多遥感卫星降水产品中()是当下研究的主流数据之一 于 年发布较其前代产品()具有更高的时间分辨率()、空间分辨率(.)及更广的覆盖范围()同时 搭载了更先进的传感器使其拥有了更强的量化降水能力 因此 在为气象、水文等多领域研究提供准确可靠的遥感降水数据上具有更大潜力目前已有诸多学者对 的适用性进行了研究 等对 数据探测中国全域极端降水的能力进行了评估认为其能准确量化中国的极端降水 杜懿等在珠江流域对 的适用性进行了验证发现 数据的观测精度高能较准确地监测极端降水 盛夏等基于 数据在青藏高原开展降尺度研究结果表明降尺度后的 数据能更准确地反映降水特征 还有学者利用 数据构建了 模型认为 数据有效提高了站点稀疏地区的径流模拟精度 当下的众多研究证实了 数据的精度可为气象水文分析预报研究提供全面准确的遥感降水数据但将其用于降水时空趋势分析的研究仍较缺乏西江流域是中国南方喀斯特的重要组成部分喀斯特地区强烈的岩溶作用使西江流域生态环境脆弱旱涝灾害频发 流域喀斯特生态系统对未来降水时空变异响应更加敏感 因此研究以西江流域为研究对象利用流域内 个气象站的实测降水数据验证 数据的精度并将 数据用于分析流域 年的降水时空分布特征预估未来降水变化趋势以期为气候变化环境下流域气象灾害预警及水资源高效配置提供参考 数据与方法.研究区概况西江是珠江的主干流发源于云南曲靖市马雄山在广东省佛山市思贤滘与北江汇流进入珠三角地区全长约 水面比降.西江流域位于 流域面积约.万 平均年径流量 亿 西江流域地势自东向西逐渐升高东部为平原三角洲中部为山地丘陵西北部为高原地带 流域内喀斯特地貌面积约占流域面积的.研究数据尽管单站点实测降水数据无法全面反映流域内降水分布但其仍能精准地代表流域局部地区实际降水情况 因此将流域内 个气象站 年实测降水数据用于检验同时期 数据的精度及适用性并利用 数据分析流域降水时空变化特征预测未来降水的演化态势研究中所采用的站点降水数据获取自中国气象数据网(:/./)西江流域内站点分布见图 降水数据集获取自美国宇航局戈达德地球科学数据和信息服务中心网站(:/./)获取的数据时间分辨率为 个月以 格式储存单位为/在研究前需对原始数据进行格式、单位转换和累加处理人民珠江 年第 期图 西江流域气象站分布.研究方法本研究所涉及的方法主要包括 数据精度检验方法及降水趋势分析方法两类 拟采用相关系数()、均方根误差()、相对误差()检验 数据精度一元线性回归法、趋势分析与 检验、变差系数()及 指数分析降水变化趋势.精度检验方法选择 种评价指标对 数据的精度进行检验:相关系数()用于检验 数据与站点降水数据相关程度的高低均方根误差()用于评价 数据与站点降水数据的偏差程度相对误差()其正负反映 对站点降水数据是否存在高估或低估 数据与实测降水数据计算所得的 越接近于 越小 越接近于 则认为 数据与实测降水数据相关性好精确程度高 选取的评价指标计算见式()():()()()()()()()()式中 遥感降水量 站点实测降水量 遥感降水降水量的平均值 站点降水量的平均值 样本容量个数 气象站数().一元线性回归法采用一元线性回归法来分析研究时段内西江流域降水变化趋势主要通过最小二乘法得出统计要素与时间序列之间的回归方程来表征降水发展态势计算见式():()式中 降水量 时间 常数 线性趋势的斜率 时间序列长度().趋势分析与 检验 趋势分析及 检验是相关国际组织推荐用于气象或水文长序列资料趋势分析及非 参 数 检 验 的 方 法 本 研 究 利 用 趋势分析计算 趋势度()并通过 检验分析变化趋势的显著性 趋势度()的计算见式():()式中、时间序列、年份(说明变量随时间的变化呈上升趋势反之呈下降趋势 检验适用于非正态分布时间序列的长期趋势分析计算见式()():()()()()()式中 正态分布统计量()方差()符号函数人民珠江 年第 期对于给定的显著性水平 若 /则拒绝原假设所研究的时间序列在显著性水平 之上显著变化 本研究在检验 数据变化趋势显著性时给定了 类显著性水平:.、.即计算得 大于.、.时表示变化趋势分别通过了置信度为、的显著性检验.变差系数 降水量在研究时段内变化的剧烈程度采用变差系数 衡量计算见式():()式中 数据的标准差 数据的均值计算所得 值越大则表明该时段内降水变化越剧烈.指数在描述时间序列变化的可持续性程度时通常采用 指数进行分析 本研究采用/分析法计算 指数对流域降水变化趋势的可持续性程度进行分析设一时间序列为()对其中 个时间数据的极差 和标准差 有:()()()()式中 常数 指数一般认为计算所得 指数 为 .时反向持续性强未来趋势与当前趋势相反.时趋势持续性不强未来趋势不定.时正向持续性强未来趋势与当前趋势相同 结果与讨论.数据精度评价利用西江流域 个气象站点 年的实测月降水数据评价 数据的整体精度 由图(散点密度使用核密度函数计算)可知月尺度 数据与站点数据表现出了较好的一致性呈现出极显著的正相关关系.(.)图 中 内的降水量大致呈现出欠 丰的阶段性变化趋势降水由欠转丰的突变年份可能为 年与谢贤胜等的结论相同 年大部分年份的降水距平为负值累积距平值基本呈逐年下降趋势表明该时段降水偏少 年降水距平均为正值累积距平值逐年上升表明这一时段内降水量呈增加趋势该特征与苏恒等在这一地区利用站点实测数据得出的结果一致图 中西江流域 内月平均降水量呈现出明显的集中分布特征汛期(月)的降雨量在全年降水量中占比.月在各月份中降水最多平均降水量.占全年降水量的.月平均降水量为.在全年降水量中占比最少仅占.汛期内 月(夏季)的降水量的动态对于当年降水量丰枯情况有较大影响厄尔尼诺事件是影响西江流域夏季降水动态的原因之一 在/超强厄尔尼诺事件当年的夏季华南沿海地区降水异常偏多这或是造成 年降水量出现突变的重要原因 年本次厄尔尼诺事件发展达到顶峰当年西江流域出现流域性洪水流域东北部、东部洪涝灾害严重这与 内降水峰值在 年出现的时间一致)年降水量)年降水距平图 年西江流域降水量变化情况图 年西江流域各月平均降水情况.年和月降水空间分布特征图 为 数据 年平均降水量分布图综合流域地形及地理位置分析自西向东流域高程不断降低与水汽源地不断接近图中的降水量分布也呈现出逐步增加的趋势 流域内多年平均降水量在.之间变化变幅较大 降水量低值区主要分布于流域西部玉溪、曲靖和威宁等地降水量高值区主要集中于流域东北部的桂柳地区在流域东部、南部地区也有小块高值区分布 地形对于流域东北部桂柳地区的降水量有重要影响桂柳地区位于越城岭山脉与海洋山之间人民珠江 年第 期的湘桂走廊处湘桂走廊会促使冷空气由此南下侵入广西若冷空气与西南季风携带的暖湿气流在湘桂走廊交汇易产生锋面雨 另外受越城岭山脉和海洋山阻隔西南暖湿气流大量积聚于山坡南侧在地形的抬升作用下迎风坡一侧易产生地形雨 在地形雨、锋面雨双重影响下桂柳地区常为暴雨中心因而降水量偏多由 数据得出的流域降水空间分布与图 中本研究通过站点数据插值所得的降水空间分布基本一致但受流域气象站点密度较低和插值过程中误差的影响通过实测数据插值得到的降水量分布图中降水量“点状”聚集特征明显 因 数据的空间连续性高绘制的降水空间分布图降水量变化较连贯在整体精度得到保证的情况下更能反映降水量的空间分布特征 这与周李磊等利用 数据得出的结论相似从图 流域 年各月平均降水量空间分布来看与年平均降水分布类似各月降水量分布自东向西逐渐减少流域年内降水呈现干湿交替特征 月至次年 月干旱少雨 月湿润多雨 在汛期里 月流域受冷暖气流交汇及地形因素影响流域降水量高值区主要集中在桂北地区 月冷空气活动稍弱但南海海域热带气旋活动频繁台风在华南沿海登陆为流域南部带来大量降水流域降水量高值区转移至流域南部及东南部)降水数据)气象站实测降水插值数据图 年西江流域多年平均降水量分布图 年西江流域各月平均水量分布人民珠江 年第 期.年降水空间变化态势分析对 数 据 进 行 趋 势 分 析 及 检验并将所得结果耦合从像元角度对西江流域 降水空间变化趋势进行分析 趋势分析与 检验耦合得出的趋势类别及各类别占比见表 表 降水变化趋势统计百分比/变化类型.置信度下显著增加.置信度下显著增加.增加但未达到 置信度.减少但未达到 置信度 表 中过去 降水量在 置信度下显著增加的区域占.增加但未达到 置信度的区域在流域内占主导(.)降水减少区域占比.但趋势都未达到 置信度图 描述的是各变化类型在空间上的分布情况 西江流域内除西南部及北部、中部部分地区以外其余大片地区的降水变化类型为增加但未达到置信度 置信度下显著增加的区域主要集中在流域北部黔桂两省交界地区 置信度下显著增加区域散布于 置信度下显著增加区域的外围呈现减少但未达到 置信度的区域分布在流域西南部及流域南部部分地区)降水变化趋势)降水变异程度图 年西江流域降水变化态势利用变差系数 结合 数据从像元尺度分析流域内降水量增减变化的剧烈程度用自然断点法划分为 级见表 表 变差系数分级百分比/变差系数分类.低变异程度.中变异程度.高变异程度流域内 降水量 均值为.表 中降水量呈中变异程度地区的面积占比最大(.)其次分别为低变异程度地区(.)和高变异程度地区(.)图 中属中变异程度的地区在流域内广泛分布仅流域南部、北部及东北部部分地区非中变异程度地区低变异程度的地区大致在西南部至中南部一带及北部部分地区分布属高变异程度的地区主要集中在流域东北部湘桂两省交界处 降水出现变异的原因可能与研究时段内某些年份气压带、大气环流的活动异常以及近些年越发频繁的人类活动加速改变了地表下垫面条件和地面辐射导致水汽源急剧变化有关.年降水未来趋势分析计算 指数 检验过去降水趋势的可持续性结果见表 西江流域大部分区域降水变化趋势呈反向持续性高反向持续性区域和低反向持续性区域占流域面积比例分别为.、.而高正向持续性区域和低正向持续性区域占比分别人民珠江 年第 期为.、.的分布表明见图 呈反向持续性的区域主要分布在流域中部地区呈正向持续性的区域主要分布在流域的西部、北部及南部的小块地区表 降水趋势持续性 指数百分比/趋势持续性程度.高反向持续性.低反向持续性.低正向持续性.高正向持续性将 趋势分析、检验的结果与 指数耦合所得的 种未来降水趋势类型见 表 未 来 降 水 可 能 反 转 为 增 加 的 区 域(.)少于可能反转为减少的区域(.)未来将持续减少的区域(.)少于未来将持续增加的区域(.)图 西江流域 指数分布表 未来降水趋势类型百分比/未来变化类别.过去减少但未达到 置信度未来可能逆转.过去在 置信度下显著增加未来可能持续增加 .未来趋势不明 图 中流域内除了西部、南部及北部部分地区外大部分过去降水增加但未达到 置信度的区域未来降水趋势有可能逆转为减少过去降水增加但未达到 置信度未来可能持续增加的区域分布于流域中西部云贵两省交界处与南部小块地区 过去降水增加在 置信度下显著增加未来将持续增加的区域主要分布在流域北部黔桂交界地区过去降水在 置信度下显著增加未来可能逆转为减少的区域在流域中部偏北部地区集中分布 过去减少未达到 置信度未来降水将持续减少的区域主要分布在西部高原地区过去降水减少但未达到 置信度未来可能逆转为增加的区域分布在流域西南及中南部的小块地区图 西江流域未来降水空间演化趋势 结论与展望基于西江流域 个气象站 年逐月人民珠江 年第 期降水数据对同时期 数据在西江流域的适用性进行检验在此基础上利用 数据分析西江流域 年的降水时空特征进行分析得到如下结论)月降水数据与实测降水数据相关性高.(.)间降水呈现欠 丰阶段性变化趋势极端气候事件是造成降水量在 年突变的主要原因汛期降水量占全年降水量的.其间降水量的动态对当年降水量具有重要影响)流域年、月降水空间分布大致随海陆位置变化自西向东渐增准静止锋和地形抬升作用使桂北地区成为流域降水高值区冷空气和热带气旋的依次影响使汛期降水高值区自流域东北向流域南部移动 中降水增加但未达到 置信度的区域分布于流域内除东北部西部以外的大部分地区占比.降水中变异地区在流域内除南部以外的地区广泛分布占比.)降水呈反向持续的区域在流域中部至南部大片分布占比.过去降水增加但未达到置信度未来可能逆转为减少的区域在流域内占.集中分布于流域除西部、东北部以外的地区 数据在西江流域适用性较好可以根据分析结果提出一些针对西江流域未来降水演化的合理展望 未来降水趋势分析的结果表明流域大部分地区降水将减少发生气象干旱的可能性较大 面对可能出现的干旱灾害应当著重以工程和非工程两类措施协同应对 通过完善喀斯特地区民生水利工程及区域水利网络在加强降水监测和干旱预警预报的基础上合理规划调度流域内水利枢纽等不同类型措施保障流域内各类用水需求 对于未来降水可能持续增加的流域东北部地区不仅要加强降水监测还要提高对洪水灾害的预警能力 虽然流域内大部分地区未来的水土流失情况可能会因降水量减少而减轻但是仍不能懈怠水土涵养措施的推行喀斯特地区久旱后土壤龟裂收缩抵御侵蚀性降雨的能力变弱突发强降雨可能导致旱涝急转山洪泥石流出现概率更大 流域东北部未来水土流失情况可能因降水量增加而加剧水土流失的防治压力更大参考文献:查显宝王双涛罗平平等.降水时空分布及变化特征分析:以安徽省为例.灌溉排水学报():.周天军陈梓明陈晓龙等.报告解读:未来的全球气候:基于情景的预估和近期信息.气候变化研究进展():.唐国强万玮曾子悦等.全球降水测量()计划及其最新进展综述.遥感技术与应用():.魏义熊王国帅石锐等.卫星降水数据在广西地区适用性分析.人民长江():.郭瑞芳刘元波.多传感器联合反演高分辨率降水方法综述.地球科学进展():././.杜懿王大洋张智等.降水产品在珠江流域的适用性分析.水文():.盛夏石玉立丁海勇.青藏高原 降水数据空间降尺度研究.遥感技术与应用():.许心怡李建柱冯平.不同降水产品在滦河流域径流模拟中的适用性.水力发电学报():.陈石磊熊立华查悉妮等.考虑喀斯特地貌的分布式降雨径流模型在西江流域的应用.人民珠江():.朱靖轩刘雯李振炜等.喀斯特流域径流对植被和气候变化的多尺度响应.生态学报():.靖娟利罗福林王永锋等.年滇黔桂岩溶区降水人民珠江 年第 期时空动态特征.水土保持研究():.赵兰兰闻童赵兵等.西南地区近 年干旱趋势及特征分析.水文():.刘月璇于红博张巧凤等.基于 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