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     作者：羅布堅(jiān)參  翟盤茂  假拉  吳璐  赤曲  次旦巴桑

    1西藏自治區(qū)氣象臺(tái)，拉薩85000

    2中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081

    3河南省氣候中心，鄭州450003

    提要：利用124個(gè)測(cè)站2 011-2 012年6-8月逐小時(shí)降水資料，分辨率為o．25。×o．25。的TRMM估測(cè)降水和DEM高程數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差和準(zhǔn)確性指標(biāo)，分析了西藏高原TRMM估測(cè)降水整體表現(xiàn)能力及海拔高度對(duì)降水估測(cè)影響。結(jié)果表明：TRMM估測(cè)降水在西藏高原整體趨勢(shì)較一致，降水量級(jí)偏大，次數(shù)偏多；平均無(wú)降水準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于平均有降水準(zhǔn)確率，漏測(cè)率低而空測(cè)率高，降水量大的測(cè)站TRMM估測(cè)能力相對(duì)強(qiáng)。西藏高原上大部分測(cè)站處于相對(duì)低洼（河谷）地帶，海拔高度差較小的區(qū)域TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水誤差小，較大的區(qū)域誤差則大。

    關(guān)鍵詞：西藏高原，TRMM，平均3h降水量，海拔高度差

    引  言

    西藏高原平均海拔高度4000 m以上，地形復(fù)雜多樣，地勢(shì)起伏很大，其獨(dú)特的地貌形態(tài)和復(fù)雜的大氣環(huán)流系統(tǒng)造成了降水的復(fù)雜性，年降水量空間分布由東南向西北遞減。這種分布主要受大氣環(huán)流和地形的共同影響，如雅魯藏布江下游地區(qū)是因西南季風(fēng)爬坡形成豐沛降水，喜馬拉雅山脈北麓和怒江以東地區(qū)形成少雨區(qū)與大地形、山脈背風(fēng)坡局部地形有關(guān)，同時(shí)高原四季降水分布特征與季節(jié)性大氣環(huán)流有很大關(guān)系。在我國(guó)，許多學(xué)者對(duì)西藏高原地形對(duì)降水影響做過(guò)很多研究（李川等，2006;舒守娟等，2006;董海萍等，2007;張杰等，2008;王永杰等，2010；劉元波等，2011；徐德祥等，2014a；2014b；胡亮等，2010；王敏等，2012; Duo et al，2007;周勝男等，2015；劉煒等，2014；莊薇等，2013）。比如舒守娟等(2005)研究表明在相對(duì)最大降水高度之下，所謂地形一降水分布剖面一致性，兩種不同的地形一降水鎖相關(guān)系即分別對(duì)應(yīng)西藏高原兩種地形一降水分布形態(tài)；李子良(2006)研究指出地形降水是水汽、氣流和地形相互作用而形成的，小山脈地形降水主要發(fā)生在山脈的迎風(fēng)坡，表現(xiàn)出典型的迎風(fēng)降水和背風(fēng)少雨特征；鄒捍等2007)研究表明了陡峭的地形和強(qiáng)烈的地表差異在高原山區(qū)形成特殊的局地大氣環(huán)流系統(tǒng)，在地氣交換中起著重要作用。地形局地大氣環(huán)流是由地形與地表狀態(tài)調(diào)整的大氣輻射加熱和冷卻所驅(qū)動(dòng)，包含多種不同的山地環(huán)流成分，與典型山谷風(fēng)環(huán)流不同，具有很強(qiáng)的特殊性，對(duì)地氣間的交換有重要影響，同時(shí)也影響著局地的降水分配。在TRMM等衛(wèi)星估測(cè)降水應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從評(píng)估檢驗(yàn)、日和月變化及垂直分布等方面做了很多研究（李銳等，2005；白愛娟等，2008;傅云飛等，2008；駱三等，2011；何會(huì)中等，2004;穆振俠等，2010；劉俊峰等，2011；郝振純等，2011;劉元波等，2011;毛江玉等，2012；江志紅等，2013；成璐等，2014；邵穎，2014），Wu等(2012)認(rèn)為TRMM估測(cè)降水反映日降水頻數(shù)的能力優(yōu)于月降水累積量，在地形相對(duì)平坦優(yōu)于地形復(fù)雜區(qū)，尤其是青藏高原降水低估明顯。以上大多數(shù)研究中采用的站點(diǎn)比較少，從而不能很好地反映西藏高原的整體情況，近2年西藏高原建立了124個(gè)自動(dòng)氣象站，對(duì)進(jìn)一步評(píng)估TRMM估測(cè)降水在高原上適用性提供了基礎(chǔ)。本文利用西藏124個(gè)自動(dòng)站2011-2012年6-8月逐小時(shí)降水資料，研究TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水在3h時(shí)間尺度上的一致性評(píng)估，結(jié)合DEM高程數(shù)據(jù)，研究TRMM估測(cè)降水對(duì)不同海拔高度測(cè)站降水的真實(shí)反映能力。

    1  資料及處理方法

    1.1基本資料

    1.1.1  自動(dòng)站降水資料

    資料由西藏自治區(qū)氣象局網(wǎng)絡(luò)中心提供。考慮固態(tài)降水復(fù)雜性、建站時(shí)間不同和資料不穩(wěn)定性等實(shí)際問(wèn)題，采納了2011-2012年6  8月124個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水資料。質(zhì)量控制方法引用了任芝花等(2010)適用于全國(guó)自動(dòng)站小時(shí)降水資料的質(zhì)量控制方法，具體方法為：(1)界限值檢查：西藏高原區(qū)域界限值為0～85 mm．h-l，超越該界限值范圍數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤。(2)內(nèi)部一致性檢驗(yàn)：指同一時(shí)間觀測(cè)的氣象要素記錄之間關(guān)系必須符合一定規(guī)律的檢查，比如每日逐小時(shí)降水量累加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出日降水量，則認(rèn)為數(shù)據(jù)可疑。(3)時(shí)間一致性檢驗(yàn)（連續(xù)無(wú)變化檢查）：由于測(cè)量?jī)x器故障，雨量計(jì)漏斗部分堵塞，承水器收集的降水以勻速滲漏的方式進(jìn)人翻斗計(jì)量，報(bào)文上傳重復(fù)等因素導(dǎo)致連續(xù)多個(gè)時(shí)次出現(xiàn)同一個(gè)數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤。總樣本有1472個(gè)，經(jīng)質(zhì)量控制1420個(gè)樣本合格，故對(duì)1420各樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

    1.1.2   DEM高程數(shù)據(jù)

    DEM高程數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量的SRTM數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理制成的數(shù)字地形高程模型(DEM)，該測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋中國(guó)全境，分辨率達(dá)到100 m。

    1.1.3    TRMM估測(cè)降水資料

    TRMM測(cè)雨產(chǎn)品3842是TRMM衛(wèi)星與其他衛(wèi)星聯(lián)合反演的降水產(chǎn)品，提供全球格點(diǎn)降水資料。該數(shù)據(jù)的存檔和分發(fā)由Goddard分布式數(shù)據(jù)檔案中心負(fù)責(zé)，分發(fā)由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的地球科學(xué)事業(yè)(ESE)戰(zhàn)略計(jì)劃資助。3842算法是由TRMM科學(xué)小組開發(fā)的一種綜合降水評(píng)估算法，它結(jié)合了2831、2A12、微波成像專用傳感器( SSMI)、改進(jìn)的微波掃描輻射計(jì)(AMSR)、高級(jí)微波探測(cè)器( AMSU)等多種被認(rèn)為是高質(zhì)量的降水評(píng)估算法，并對(duì)地球同步紅外觀測(cè)系統(tǒng)獲得的紅外輻射資料進(jìn)行了校準(zhǔn)。要素有2項(xiàng)，降雨量和相對(duì)誤差。時(shí)間分辨率為3h，空間分辨率為0.25。×0. 25。，區(qū)域覆蓋范圍為準(zhǔn)全球50。N～50。S、180。W～180。E。

    1.2處理方法

    1.2.1  地形處理

    通過(guò)Arcgis+Envi軟件對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先通過(guò)測(cè)站所在位置的經(jīng)緯度在DEM數(shù)據(jù)上進(jìn)行定位，以測(cè)站所在點(diǎn)為中心，選取半徑為40 km圓形范圍（由于高原地區(qū)大部測(cè)站之間直線距離大于25 km）（圖1），提取該圓形范圍內(nèi)所包含的每個(gè)格點(diǎn)高度數(shù)據(jù)（圖1左下角），計(jì)算平均高度值，得出與測(cè)站高度值之差。

    1.2.2   TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水時(shí)空匹配

    由于TRMM估測(cè)降水是格點(diǎn)數(shù)據(jù)，而測(cè)站降水資料是站點(diǎn)資料，無(wú)法直接把TRMM估測(cè)降水資料與測(cè)站降水資料進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。本文參考翟盤茂等(1997)，將格點(diǎn)與該格點(diǎn)所包含測(cè)站進(jìn)行固定網(wǎng)格式“Frozen Grid”比對(duì)方法。但是考慮西藏高原測(cè)站所處地形復(fù)雜，受山頂與山谷、迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡、局地對(duì)流性降水及空間分布不均等影響而降水量級(jí)不同，本文對(duì)該方法進(jìn)行了修改。具體方法如下：如果格點(diǎn)內(nèi)所包含的測(cè)站個(gè)數(shù)≥l，則不同測(cè)站降水資料與同一個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分別比較。這樣可以保證復(fù)雜地形對(duì)測(cè)站本身降水的影響，更好地檢驗(yàn)TRMM估測(cè)降水準(zhǔn)確性。由于TRMM產(chǎn)品3842降水?dāng)?shù)據(jù)為平均3 h(GMT)降水量，為了保證與測(cè)站降水量級(jí)一致，對(duì)測(cè)站逐小時(shí)降水量進(jìn)行了平均3h降水量計(jì)算，把1天24 h按照3h分為8個(gè)時(shí)間段，分別為02時(shí)刻（01  03時(shí)）、05時(shí)刻（04 06時(shí)）、08時(shí)刻（07-09時(shí)）、11時(shí)刻(10  12時(shí))、14時(shí)刻（13 -15時(shí)）、17時(shí)刻（16-18時(shí)）、20時(shí)刻（19  21時(shí)）、23時(shí)刻（22-00時(shí)，即次日），并把TRMM估測(cè)降水資料時(shí)間調(diào)整為GMT+8，這樣可以保證降水量和時(shí)間一致性。

    1.2.3  統(tǒng)計(jì)方法

    采用相關(guān)系數(shù)(R)、相對(duì)偏差（Bia.s）、有降水準(zhǔn)確率(POD)、空測(cè)率（FAR）、無(wú)降水準(zhǔn)確率(PODN)、漏測(cè)率( FARN)等統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算公式如下：

    式中，S。代表第i個(gè)TRMM估計(jì)降水量，G：代表第i個(gè)測(cè)站降水量，S代表TRMM估測(cè)平均降水，G代表測(cè)站平均降水，N代表樣本數(shù)量，(A+ C)表示測(cè)站降水總次數(shù)，(AJ- B)表示TRMM估測(cè)降水總次數(shù)，(B+D)表示測(cè)站無(wú)降水總次數(shù)，(C+D)表示TRMM估測(cè)無(wú)降水總次數(shù)。

    2  結(jié)果分析

    2.1  平均3h降水量分布

    西藏年降水量為66.3～894.5 mm，呈自東南向西北遞減分布，其中東部的波密大于800 mm，西部的阿里地區(qū)不足200 mm。西藏降水高度集中在5 9月，占全年降水量的80%～95%。大部分地區(qū)最長(zhǎng)連續(xù)降水（連續(xù)每天出現(xiàn)≥0.1 mm降水）時(shí)段最早開始于6月中旬，最遲結(jié)束在8月下旬，把6-8月定義為西藏主汛期。圖2給出2011  2012年6  8月西藏平均3h降水量分布，可以看出西藏高原平均3h降水量不到1 mm，西藏西南部和西藏東南部大于0. 19 mm。西部地區(qū)不足0.07 mm。平均3h降水量分布與年降水量分布基本一致，大致代表了西藏主汛期（6 8月）降水量分布特征。

    2.2  海拔高度差分布

    以40 km圓形區(qū)域范圍內(nèi)所有DEM格點(diǎn)海拔高度的平均值與測(cè)站海拔高度的差值定義為海拔高度差。從海拔高度差情況來(lái)看（圖3），西藏高原上98. 39%的測(cè)站處于相對(duì)低洼（河谷）地帶，平均海拔高度差為745 m。從整體來(lái)看海拔高度差自西北向東南和南部逐漸加大，喜馬拉雅山脈和東部地區(qū)（除色季拉山高山站外）大于1000 m，其中西藏東南部達(dá)到1500 m以上；西藏東北部和雅魯藏布江一線及西部地區(qū)為500—1000  m;西藏北部和西北部在0～500 m;西藏東部林芝地區(qū)色季拉山測(cè)站為高山站，該測(cè)站海拔高于周圍海拔。

    為了進(jìn)一步分析西藏高原測(cè)站周圍地形復(fù)雜性，選取位于西藏西部、中部、東部和東南部的改則（圖4a）、拉薩（圖4b）、八宿（圖4c）和墨脫（圖4d）4個(gè)站為代表，以測(cè)站為中心半徑40 km圓形范圍DEM高程數(shù)據(jù)14萬(wàn)個(gè)格點(diǎn)高度值進(jìn)行了分析。由圖可見，4個(gè)站基本能表現(xiàn)測(cè)站周圍地形的復(fù)雜性，西北部地區(qū)海拔高度差不大，西藏中部、東部和東南部地區(qū)高于測(cè)站海拔的格點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接近測(cè)站海拔格點(diǎn)數(shù)，尤其是東南部地區(qū)更為突出，其中墨脫站周圍格點(diǎn)最大高度與最小高度相差達(dá)到7100 m，說(shuō)明高原內(nèi)部呈現(xiàn)出自西北向東部和南部地形落差逐漸加大的情況，特別是中東部和南部高山交錯(cuò)復(fù)雜的地貌反映明顯。顯然，這種局地復(fù)雜地形，勢(shì)必導(dǎo)致測(cè)站降水和TRMM估測(cè)面元降水量之間出現(xiàn)差異。

    2.3 TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水相關(guān)性評(píng)估

    TRMM估測(cè)降水評(píng)估檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)和相對(duì)偏差分布（圖5）上看，西藏高原平均相關(guān)系數(shù)為0. 35，相關(guān)系數(shù)大于0. 30以上測(cè)站數(shù)占總測(cè)站的73%。所有測(cè)站相關(guān)系數(shù)通過(guò)丁0. 01的顯著性水平檢驗(yàn)。西藏中北部、沿喜馬拉雅山脈北坡及東南部地區(qū)相關(guān)系數(shù)低于0. 30，最低為0.08;西藏西北部、東北部和沿雅魯藏布江一帶相關(guān)系數(shù)大于o．30，其中西藏東部的個(gè)別測(cè)站最大可以達(dá)到0. 50～0.59。西藏高原平均相對(duì)偏差為52%，TRMM總體估測(cè)偏大，主要在高原西部、沿雅魯藏布江以南和高原東北部偏大顯著，其中有8個(gè)站大于200%；岡底斯山至念青唐古拉山以北相對(duì)偏差在-15%～15%，為正常范圍；TRMM估測(cè)降水偏小的測(cè)站較少且分布較散，但相對(duì)偏差在50%以內(nèi)。

    以上分析表明，西藏高原中北部、西北部、雅魯藏布江東段和東北部相關(guān)系數(shù)≥o．3，相對(duì)偏差在-50%～15%，TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水一致性較高，其余地區(qū)差異比較大。

    2.4 TRMM估測(cè)降水準(zhǔn)確性評(píng)估

    西藏高原平均有降水準(zhǔn)確率為50%，大于平均值區(qū)域與相關(guān)系數(shù)較大、相對(duì)偏差較小分布結(jié)果較一致，西藏高原西部、雅魯藏布江中游和東部有降水準(zhǔn)確率小于50%（圖6a）；空測(cè)率總體平均為62%，其中雅魯藏布江一線、東北部和東部空測(cè)率較小，相對(duì)高值位于西藏高原北部、與不丹交界附近及西部（圖6b）；無(wú)降水準(zhǔn)確率在雅魯藏布江大拐彎下游、西藏南部與不丹國(guó)交界附近和西北部較小，其余地區(qū)都在70%以上，特別是西部和東部在90%以上（圖6c）；漏測(cè)率除雅魯藏布江大拐彎東側(cè)相對(duì)高外，其他地區(qū)低于18%（圖6d）。從以上對(duì)比評(píng)估情況看，指標(biāo)的高低與西藏主汛期平均降水量和測(cè)站海拔高度差等有一定關(guān)系。

    2.5 TRMM估測(cè)能力與地形、平均降水量關(guān)系

    不同海拔高度差上相關(guān)系數(shù)和相對(duì)偏差分布（圖7）可以看出，低于周圍環(huán)境600～750 m區(qū)域測(cè)站降水與TRMM估測(cè)降水之間的相關(guān)系數(shù)在0.35以上，相對(duì)偏差也小，說(shuō)明該海拔高度差范圍內(nèi)TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水較為一致；海拔高度差在200～400 m的相對(duì)平緩地帶相關(guān)系數(shù)較高，相對(duì)偏差≤50%，兩者分布趨勢(shì)比較一致；從海拔高度差<200 m開始，相關(guān)系數(shù)振幅比較大，相對(duì)偏差為負(fù)值的占多數(shù)，但在一致性較好的范圍內(nèi)；在海拔高度差>1500 m以上測(cè)站，相關(guān)系數(shù)平均達(dá)到0.4，而TRMM估測(cè)降水從異常偏大迅速向明顯偏小過(guò)渡，由于海拔高度差>1500 m以上測(cè)站主要位于西藏的東南部和沿喜馬拉雅山脈南坡，這些區(qū)域降水量明顯比其他測(cè)站多。因此，在分析海拔高度差影響時(shí)也需要進(jìn)一步研究相關(guān)系數(shù)、相對(duì)偏差與測(cè)站平均降水量的關(guān)系。

    從主汛期平均降水量與相關(guān)系數(shù)、相對(duì)偏差情況看（圖8），TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水之間相關(guān)系數(shù)隨著降水量增加而增加，相對(duì)偏差隨降水量增加而減小。測(cè)站平均降水量在200 mm以下，相關(guān)系數(shù)和相對(duì)偏差振幅很大；>200 mm以上開始相關(guān)系數(shù)小幅升高，相對(duì)偏差逐漸減小，在300 mm開始相對(duì)偏差減小得更加明顯，主要以零附近正偏差占主導(dǎo)，相關(guān)系數(shù)保持在高值區(qū)。平均降水量>500 mm出現(xiàn)了負(fù)偏差，說(shuō)明TRMM估測(cè)降水比測(cè)站降水偏小，但偏小范圍在50%之內(nèi)�？傊�，TRMM估測(cè)降水整體偏大，在實(shí)際測(cè)站平均降水量大的區(qū)域TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水之間具有較好的一致性。

    總之，西藏西北部有降水準(zhǔn)確率較高，這與該區(qū)域海拔高度差較小，地勢(shì)較為平坦有關(guān)，同時(shí)由于該區(qū)域平均降水量少，也會(huì)導(dǎo)致空測(cè)率高。西藏東南部（尤其是雅魯藏布江大拐彎及下游區(qū)域）是平均降水量最大的區(qū)域，這與該區(qū)域有降水準(zhǔn)確率高、無(wú)降水準(zhǔn)確率低和漏測(cè)率高的指標(biāo)相一致。西藏其余地區(qū)受海拔高度差和降水量的共同影響有降水準(zhǔn)確率較西北部和東南部小。西藏西北部測(cè)站分布稀疏，今后利用TRMM估測(cè)降水對(duì)天氣氣候分析具有一定的參考依據(jù)。

    3  結(jié)論與討論

    (1)西藏高原上絕大多數(shù)測(cè)站處于低洼（河谷）地帶，海拔高度差平均為745 m。西藏西北部小于500 m，東部地區(qū)和沿喜馬拉雅山脈南坡大于1500 m，個(gè)別地方達(dá)到2400 m，從整體來(lái)看海拔高度差自西北向東南和南部逐漸加大。西藏高原中東部和南部高于測(cè)站海拔的格點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接近測(cè)站海拔格點(diǎn)數(shù)，表現(xiàn)出了明顯的谷地和高山交錯(cuò)復(fù)雜地貌。

    (2)西藏高原上TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水平均相關(guān)系數(shù)為0. 35，東部地區(qū)大于中西部地區(qū)，最大可以達(dá)到0. 50～0.59;平均相對(duì)偏差為52%，總體估測(cè)偏大；西藏高原中北部、西北部、雅魯藏布江東段和東北部相關(guān)系數(shù)≥0.3，相對(duì)偏差在-so%～15%，說(shuō)明以上區(qū)域TRMM估測(cè)降水量與測(cè)站降水一致性較高，其余地區(qū)差異性比較大。

    (3) TRMM估測(cè)降水與測(cè)站降水之間，在海拔高度差較小的區(qū)域誤差小，較大的區(qū)域誤差則大；相關(guān)系數(shù)隨著降水量增加而增加，相對(duì)偏差隨降水量增加而減小。