2001年—2020年我国降水的时空变化特征

2001年—2020年我国降水的时空变化特征

摘要

本文利用TRMM卫星的降水资料，对我国2001年—2020年的平均降水和春、夏、秋、冬四个季节的平均降水进行了分析比较；然后选取了我国华北地区和西北地区对其十年间的降水距平和四季的降水距平进行了对比分析；最后对2005年和2006年全国的降水距平百分率进行了观察，结果表示：由于我国受季风气候、地形、地理位置等因素的影响，我国降水随着空间和时间变化而具有明显的变化；华北地区的降水距平高于西北地区，且波动更加剧烈，在西北地区春、秋、冬季的降水距平在零线附近，降水量保持在一个稳定的值，华北地区四季波动相对强烈。

关键字：降水TRMM 时空变化降水距平

目录

摘要.......................................................................................................... I Abstract .................................................................... 错误!未定义书签。第一章引言 . (1)

1.1研究意义 (1)

1.2研究现状 (1)

1.3本文研究内容 (2)

第二章资料和方法 (2)

2.1资料说明 (2)

2.2方法 (3)

第三章数据资料分析 (3)

3.1 2001年—2020年全国平均降水分布特征 (3)

3.2 2001-2020年降水的季节平均分布特征 (5)

3.3降水距平分析 (8)

3.4降水距平百分率分析 (10)

第四章结论 (11)

第一章引言

1.1研究意义

大气中的水汽以液态或固态的形式到达地面，称为降水。其主要形式有降雨和降雪，以及雹、露、霜等。降水是水循环基础的一个环节，且是水量平衡方程的基本参数之一。降水是地表径流的源头，也是地下水的主要补给源头。降水在空间分布上的不均匀与时间变化上的不稳定性是引起洪涝，旱灾的主要原因。所以对降水的研究分析显得尤为重要。

我国地处欧亚大陆东南部，濒临太平洋，大部分区域位于大陆气流和海洋气流的交汇区，这两种气流汇合形成了我国主要雨带，二者的强弱，消长容易造成降水的时空分布不均匀。又由于受到东亚季风活动的影响，我国降水具有鲜明的季节性变化特征。降水主要集中在下半年。在此期间，华南、长江中下游、华北等地区的降水分布、雨带的移动在很大程度上将受到东亚季风的控制伴随着季风，由南向北推进的降水给我国东部内陆地区带来了充足的水汽资源，必将导致各地区降水量的大小及其季节内的分配形态出现年际或年际带的变化。

我国的降水分布不仅在时间上呈现着鲜明的季节性变化，在空间分布上也有着显著的区域性特征。我国疆域辽阔，东边是浩瀚的太平洋，西北深入亚欧大陆，海陆分布的热力影响极为显著，各地区气候差异非常大。并且我国地势西高东低，从在我国西南的青藏高原到我国东部的平原地区形成三级阶梯，且我国多山地、丘陵，导致在相同纬度也具有独特的气候特征。

我国大部分地区处于季风气候,逐年之间季风的不稳定性造成了我国旱涝灾害的频繁发生。及时、有效地监测预警旱涝灾情并采取应对措施成为我国各级政府部门将面临的一项非常严峻的任务。在以往的监测中，通常以气象观测站点的数据作为指标，例如：标准化降水指数、相对土壤湿度、降水量距平百分率等，这些指标能比较好地反映出旱情,但在以往的方法中存在着以局部代表整体的问题，旱情观测范围仅限于有限的观测站点,不能完全覆盖我国地区。相比较于以往的站点监测,遥感方法的优势在于可以在时间和空间上快速获取大面积的地面信息,其监测结果更为直接、客观。

降水量距平百分率是一个传统的旱情指标,它是某时段的降水量与常年同期气候平均降水量之差与常年同期气候平均降水量相比的百分率。降水量距平百分比是表示某段时间降水量与常年值相比偏多或偏少的指标之一,能够直接表示由于降水异常引起的干旱;在气象业务中一般用于评估月、季、年发生的干旱事件。本文的目的是尝试利用遥感数据计算降水量距平百分比。所采用的遥感数据为TRMM降水产品。

1.2研究现状

近些年来,国内外许多学者对我国东部的降水分布时空特征及其变化规律作

了不少研究,发现了若干事实。王艳娇和闫峰[1]

对1960—2020年中国降水区域分

异及年代际变化特征进行研究，发现我国降水实际区域分异特征比较符合，并与

中国气候区划相一致。在研究数据方面，已有的研究多采用中国500多或700多台站对降水特征进行分析(李聪,2012[2]，王勇,2007[3];)，由于中国地形差异大，降水空间分布极不均匀，采用500多或700多站点资料分析全国降水在表征局地降水区域性差异的代表性方面可能存在一定的不足；在研究空间范围方面，由于中国降水的区域性差异较大，已有的研究多选择中国的某个区域降水特征进行分析，如东部(张人禾,2008,[4])、西北地区(李栋良等,2003; 施雅风等,2003,[5])、西南地区(马振峰等,2006[6];)或更小的区域如流域(陈睿智等,2012[7])等，对全国性降水分区特征研究相对较少。杨少鄂，吴炳芳[8]基于TRMM 降水产品计算月降水距平百分率，对数据进行检验，得出由TRMM 数据计算月降水量距平百分率可作为旱情监测的有效手段。毛江玉，吴国雄[9]基于 TRMM 卫星资料揭示的亚洲季风区夏季降水日变化，揭示了亚洲季风区降水特征，格桑，苏雪燕[10]对降水距平百分率在西藏干旱判定中的验证，得出。降水距平百分率等级标准判断的干旱结果与实际出现的旱情基本吻合

1.3本文研究内容

本文将基于TRMM 卫星所得的降水观测资料，对2001年—2020年全国范围内的降水的平均分布特征，平均降水距平和降水距平百分比进行分析，研究了全国十年来降水空间分布的特征、降水十年来的波动情况以及我国近年来的干旱、洪涝情况。通过对各季我国陆地的降水多年的平均分布，分析了我国降水的季节性变化。

第二章 资料和方法

2.1资料说明

热带测雨卫星(the Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)是1997年11月27日由美国和日本共同发射的卫星。自成功发射以来，它为气象工作者提供了大量热带海洋降水、云中液态水的含量、潜热释放等气象数据。TRMM 卫星是一颗非太阳同步卫星, 轨道与赤道的倾角约 35°, 轨道高度为 350 km (2001年8月7日后调整为 400 km), 环绕地球一周约需 91.6分钟。分辨率是网格为0.25°×0.25°空间分辨率在50N 和50S 之间的一个全球性的皮带，并有3个小时的时间分辨率。TRMM 卫星共搭载5种遥感仪器，分别为可见光和红外扫描仪VIRS 、TRMM 微波图像仪TMI 、降水雷达PR 、闪电图像仪LIS 及云和地球辐射能量系统GERES 。其中VIRS 、TMI 和PR 为TRMM 卫星的基本降水测量仪器。

对于降水的测量，我们使用的TRMM 3B42第7版产品：该产品融合了降雨

雷达与地球同步卫星和从雨量计数据的附加信息对连续降水量估计测量。热带测雨卫星(the Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM) 上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar, PR)可以在时间、空间上快速获取大面积的地表信息,其监测结果更为直接、客观。

2.2方法

降水距平(precipitation anomaly)，是指某地个别年（月）份的降水量与多年（月）平均值之差称为降水距平。

M=P?P mean

其中P代表某地个别年、月的降水量，P mean代表多年、月降水量的平均值，M 代表降水距平。

降水距平的值有正有负，将某地区的某些年份降水距平的绝对值相加，再除以记录年份数，就得出该地区平均降水距平值

M a=∑|M i| n

i=1

n

其中n代表年份，M i代表i年的的降水距平，M a代表平均降水距平值。

降水量距平百分比，即将降水距平取绝对值，再减去降水量的平均值，将此结果除以降水量平均值，乘以100%，即为降水距平百分比。

P a=|M|?P mean

mean

×100%

式中P a为降水距平百分比。是重要的气候指标之一。

第三章数据资料分析

研究区域及季节划分：

全国数据的选取范围为：70°E～135°E，15°N～50°N；西北地区数据的选取范围为：90°E～100°E，30°N～40°N；华北地区数据的选取范围为：110°E～120°E，30°N～40°N。

本研究季节划分为:12月~次年2月为冬季、3月~5月为春季、6月~8月为夏季、9月~11月为秋季。

3.1 2001年—2020年全国平均降水分布特征

图1 2011年—2020年全国平均降水分布

图l所示的是基于2001年1月－2020年12月TRMM的降水产品，分析了我国降水的10年平均分布特征。图中可以看出来降水量的大值区基本在图中呈现为黄色、少部分地区呈现橙色或红色由上图可以看出我国的降水的空间分布具有明显的地理特征。

从图中可以看出影响降水的因素基本可以认为有地理位置对降水的影响、气旋、对流等因素对降水的影响和地形对降水的影响。

在图中可以明显看出，全国降水量最大值可达2000mm以上，而最小值只有几十毫米。图中的颜色大致呈现出从南至北逐渐变浅，说明伴随着纬度的升高，降水量在逐渐变小。一般来说，低纬地区气温高，蒸发量大，从而导致空气中水汽含量大，所以降水多。而高纬地区，气温往往偏低，蒸发量小，空气中水汽含量低，故降水少。并且在图中可以看出，从海洋沿岸到内陆降水量也是逐渐递减的。因为海洋是水汽的主要源地。因而距离海洋的远近直接影响空气中的水汽含量，进而影响陆地上的降水量。所以我国降水量大致从东南沿海向西北内陆递减的。

图中的降水量在秦岭淮河一线有一个明显的色差，说明在我国的降水以此为界限，有一个明显的分别，而导致这种情况的原因是我国大部分地区处于季风气候，因而气旋、对流将对我国降水产生不可忽视的作用。在春夏之际气旋主要在我国长江流域和淮河流域一带常形成持续的连绵的阴雨天气，即梅雨季节，而进入7、8月份后锋面北移进入华北，西北地区，从而使广大的华北和西北地区进入雨季。台风对东南沿海地区的降水影响还是很大，是这一地区雨季的主要降水形式，有些台风还能深入内地，减弱后变成低气压，从而给我国内地带来较大的降水。

图中在同一纬度上，同样毗邻海洋，我国的青藏高原地区的降水量却明显低于其他地区。这说明地形对降水产生的重要影响。地形主要是通过气流的屏障作用与抬升作用对降水的强度与时空分布发生影响。当气流从西南方向过来，由于青藏高原的高海拔，对气流产生抬升作用，从而导致降水的产生。而在青藏高原上全年少雨。

3.2 2001-2020年降水的季节平均分布特征

图2~图5是利用2001年3月－2011年2月TRMM的产品得到的全国范围内的降水的季节平均分布图，以此来分析全国范围内降水的季节空间分布特征。降水不同季节的空间分布图如下图所示:

图2 01～10年全国降水春季平均分布

由春季我国降水的平均分布可以看出，降水区域主要集中在我国长江以南的大部分地区。在横断山脉南部与长江以南，南岭以北地区的我国东部地区（25°-30°N，110-120°E）的降水明显高于我国其他地区。位于我国西南地区的横断山脉，其降水达到了最大，约为900mm。另外一处的降水中心位于我国福建与江西交接处，最大值达到700mm。除横断山脉与江南地区以外，其他地区的降水明显较少，一般在200mm以下。从我国主要大雨带的南北位移情况来看，我国的大雨带从3月下旬至5月上旬主要停滞在我国江南地区（25—29°N），雨量较小，称为江南春雨期。造成这种情况的可能原因南岭武夷山的地形有关。南岭和武夷山脉是位于我国南部的大型山脉,在春季，从西南而来暖湿气流或者从东南而来暖湿气流,与来自东北和西北冷空气相交汇,锋面一般在那里停滞形成锢囚,从而形成了一个降水中心。而来自印度洋的庞大水汽，由于横断山脉的抬升作用，从而形成了一个降水大值中心。

图3 01～10年全国降水夏季平均分布

由夏季我国的平均降水分布可以看出，降水相比春季有了很大的增加，降水主要集中在我国秦岭淮河一线以南的区域和我国东北地区。在我国广东、广西、云南的沿海区域、青藏高原东部一小块区域和台湾岛的降水明显高于全国的其他地区。其最大值基本大于1000mm，在我国的新疆塔里木盆地地区，其夏季的平均降水量明显低于全国其他地区，基本处于100mm以下，其他位于秦岭淮河以北地区的夏季降水量则介于100mm-400mm之间。这与我国大雨带的移动息息相关，从5月中旬到8月下旬，我国的大雨带将从我国的华南地区到长江中下游地区到华北和东北地区，先后历经华南前汛期盛期、江淮梅雨、华北和东北雨季和华南后汛期，从而对全国的降水产生影响。故在图中可以看出华南地区的降水量最高，其次是长江淮河流域和东北地区，我国西北地区的降水最少。造成我国沿海地区明显的高值可能是因为夏季强的热带气旋变多，从而导致这一区域的降水量增加。

图4 01～10年全国降水秋季平均分布

由秋季我国降水的平均分布可以看出，全国的秋季平均降水普遍低于300mm。在陕西和四川交接处、江苏东部区域、广东和云南南部和青藏高原东南部的降水略高于齐国其他地区的降水，且中心值小、范围小。位于青藏高原东南部的区域，其降水达到了秋季的最大值，约为600mm，其余几个降水中心的最大值约为300mm。降水的最小值仍位于我国的新疆地区，且其范围相对夏季在变大，降水值基本低于100mm。从我国主要大雨带的南北位移情况来看，9月中旬至10月上旬雨带停滞在淮河流域，雨量比较小，称为淮河秋雨期。此后，全国降水全面减弱。

图5 01～10年全国降水冬季平均分布

由冬季我国降水的平均分布可以看出，在我国的浙江、江苏和江西三省交接处，其降水明显高于我国的其他地区，其降水值达到最大，中心值可达400mm。在长江中下游大部分地区，其降水高于其他地区，基本上大于200mm，在我国其他地区，冬季干燥少雨，降水量普遍在100mm以下。此时，由于太阳直射南半球，我国大部分区域气温低，水汽蒸发量小，空气中水汽含量小，不足以形成降水。

图2—图5分别研究了我国四季十年的平均的降水。其采用了相同的颜色棒，对比可以看出来：我国夏季的降水量值最大，降水区域最为广阔，春季次之，冬季全国降水稀少，大部分地区降水量低于100mm。其降水分布的时空特征，与全国的十年平均降水相似。我国东部大多数地区有较明显的干季和雨季之分。我国降水的不同，基本上由于主要的大雨带南北位移造成的。据统计，我国的大雨带从3月下旬至5月上旬主要停滞在我国江南地区（25—29°N），雨量较小，称为江南春雨期，5月中旬至6月上旬雨带主要停滞在我国华南地区，雨量迅速增大，形成华南雨季的第一阶段，称为华南前汛期盛期；6月中旬至7月上旬，我国雨带则停滞在长江中下游地区，称为江淮梅雨；从7月中旬至8月下旬，雨带停滞在华北和东北地区，造成华北和东北雨季。这是华南地区又出现了另一个大雨带，是由热带天气系统造成，称为华南雨季的第二阶段，为华南后汛期；从8月下旬起我国大雨带南撤，9月中旬至10月上旬雨带停滞在淮河流域，雨量较小，称为淮河秋雨期。之后，全国降水全面减弱。

3.3降水距平分析

距平是指指一系列数值中的某一个数值与这一系列数值的平均值之差。距平分为正距平和负距平。在本文中，主要是用来确定我国2001年—2020年华北地区和西北地区的降水值与其区域十年来的平均值的比较，进而分析其相对平均值的高低情况以及波动情况。

图6 华北地区和西北地区2001年—2020年降水距平

图中红线为我国华北地区的降水距平波动情况，蓝线为我国西北地区的降水距平波动情况。通过对西北地区和华北地区的降水距平进行对比分析，发现华北地区和西北地区的距平基本上呈现一个相同的趋势，基本上都为同高或者同底于降水的平均值。且可以看出我国华北地区十年来的距平值基本都大于西北地区，说明在我国华北地区降水波动大于我国的西北地区造成这种现象的原因可能是因为华北地区受季风的影响，水汽条件相对于西北内陆地区更加充沛，降水的变化更加强烈。在我国华北地区，由图可以看出其降水距平的绝对值的最大值为200.47，其年份为2003年；绝对值的最小值为4.97，其年份为2009年。其中有六年的降水值高于降水平均值，但05、07、08、09和10年偏离平均值的程度不大，基本上都在50mm以内。我国华北地区的降水十年间整体呈现增加的趋势，开始几年在平均值周围浮动，随着时间的推移，后面几年都是高于平均值，说明降水呈现一个增加的趋势。而在我国西北地区的降水距平的绝对值的最大值为52.65，其年份为2006年；绝对值的最小值为2.48，其年份为2004年。其中有六年的降水值高于降水平均值，但在03、04年降水值偏离平均值的程度不大，基本上在5mm以内。我国西北地区的降水整体上也呈现增加的趋势。在图中可以看出来后面几年也是高于我国十年来平均降水的。故可猜测在未来几年，我国的降水可能会持续增加。

上面我们研究了季节对降水的影响，知道由于我国大雨带的南北移动，东亚

季风和南亚季风，青藏高原地形等因素造成了我国季节降水的不均匀。下面对所选的西北地区和华北地区的四个季节的降水距平进行对比分析。

图7 华北地区和西北地区2001年—

2020年春季降水距平

图8 华北地区和西北地区2001年—2020年夏季降水距平

图9 华北地区和西北地区2001年—

2020年秋季降水距

图10 华北地区和西北地区2001年—2020年冬季降水距平 在上面四张图中，分别对华北地区和西北地区的四个季节的降水距平进行了作图，其中红线代表华北地区，蓝线代表西北地区。上图中分别对我国华北地区和西北地区的降水距平进行了分析。由图7可以看出我国西北地区十年来的降水距平都在10mm 以内，在图2中，可以观察到此区域的春季十年平均降水量在100mm 左右。故可以得出春季我国西北地区降水稳定，基本波动不会太大。我国华北地区春季的降水距平相比较我国西北地区波动幅度大，说明降水在这一区域在春季随着年份变化较大。在图8中，可以看到西北地区夏季的降水距平变化曲线基本上与西北地区全年的降水距平变化相一致，说明西北地区的降水主要集中在夏季，其他季节的降水十年来基本变化很小。而对于华北地区的降水距平，在图中的变化比春季更加剧烈，降水波动更加明显。根据图7，可以看出西北地区秋季基本在零线附近波动，和春季相似，其降水距平一般在10mm 以内，十年来西北地区秋季的降水基本维持在一个稳定的值。华北地区秋季的降水距平在开始五年间变化非常大，而在后面五年降水稳定，且降水距平的最大值出现在03年，达到快100mm 。在图10中，可以看出来，进入冬季，我国的降水基本不会有太大的波动，西北地区和华北地区的降水距平都是在零线附近摆动，降水十年间基本可以保持到一个稳定的数值。

对比分析四个季节的降水距平，可以看出来西北地区的降水波动主要集中在夏季，春季、秋季和冬季的降水波动很小，而在我国华北地区，四个季节的降水距平大部分都高于西北地区的降水距平，说明华北地区的降水更加具有不确定性。并且在华北地区的降水距平在春季、夏季和秋季都变化很大，在冬季的降水距平大部分年份和西北地区相当，变化不大。在图中，可以看出来在01、03、07、0年四季的降水距平基本都高于或者低于平均值，

说明在这几年间可能会发生旱涝

灾害，而在02、03、05、06年间，四季降水距平波动强烈，说明这几年里四季的降水差异更大。

在05、06年，我国西北地区和华北地区的降水距平均偏离平均值一个相对较大的幅度，说明很可能在全国范围内的降水均高于或低于十年来的降水平均值，这种情况可能会导致我国发生干旱或者洪涝灾害的发生。故下面我们将对2005年和2006年进行降水距平百分率的分析。

3.4降水距平百分率分析

降水距平百分率是反应某一时间段的降水和同时期的平均状态对比的偏离

程度。是一个传统的旱情指标,它是某段时间的降水量与常年同时期的平均降水量之差与常年同时期气候平均降水量相比的百分率。降水量距平百分比是表征某段时间降水量与常年降水值偏多或偏少的指标之一,能直观反映由于降水异常引起的干旱和洪涝现象;在气象业务中通常用于评估月、季、年发生的干旱和洪涝事件。下表是我国降水量距平百分率气象干旱等级的划分表，降水量距平百分率通常适用于半湿润、半干旱地区平均气温高于10℃的地区。

图11 2005年全国降水距平百分率图12 2006年全国降水距平百分率

根据2005年的全国降水距平百分率，可以看出来在我国新疆地区的降水距平百分比基本上大于50%，最高处可达100%。而且全国大部分地区的降水距平百分率大于0，说明当年的降水基本高于平均值。在我国宁夏北部和内蒙古大部分地区，其最值基本上约为-50%。在我国西南一带，降水距平百分率基本是上在0附近，说明降水与平均值相差不大。根据我国的气象干旱等级划分，在我国的宁夏南部和内蒙古地区出现了重旱情况。根据我国2006年的全国降水距平百分率，能够发现，我国大部分地区的降水距平在-20%左右，在山东半岛、新疆部分区域

和西藏部分地区的降水量距平百分率在-40%左右，这些地方可能会出现严重干旱情况。在我国东南沿海地区，出现了06年我国降水距平百分率的一个高值，其中心值可达80%左右，在此区域的的值都在20%以上，可能会在此发生洪涝灾害。根据我国气象干旱等级划分，可以看出来：2006年我国绝大部分区域处于轻旱的情况。造成我国降水年份间分布的不均匀可能的原因有东亚夏季风和大气环流年代际变化的影响、阿拉伯海和里海异常偏多的水汽输送有关和季风和西北太平洋水汽输送的年代际变化相关、青藏高原地形、东亚季风和副热带高压等因素的影响。

第四章结论

本文利用TRMM卫星的降水资料，对我国2001年—2020年的平均降水和春、夏、秋、冬四个季节的平均降水进行了分析比较；然后选取了我国华北地区和西北地区对其十年间的降水距平和四季的降水距平进行了对比分析；最后对2005年和2006年全国的降水距平百分率进行了观察，主要得出了以下结论：（1）、我国的降水空间分布具有明显的地理特征，主要因为地理位置、气流和地形的影响。主要表现为降水量从南至北、从东南沿海到西北内陆逐渐减少；我国降水由于受季风气候的影响，导致我国降水的分布的不均匀；由于我国地形多变，其对水汽的抬升作用，影响降水的分布。

（2）、我国降水季节不均匀，夏季全国降水量充足，而冬季降水量稀少，春季主要集中在江南地区。由于我国大部分地去处于季风气候，所以我国的降水呈现了明显的季节性变化，且受大雨带的影响，雨季时降水就明显增加，而干季时降水稀少。

（3）、华北地区的降水距平明显高于西北地区，且华北地区降水距平四季波动都很剧烈，西北地区降水距平除夏季外，基本都在零线附近波动，十年间其降水量维持在一个稳定的值。有一些偏离平均值特别大的年份，可能会发生旱涝灾害。

（4）、2005年全国大部分区域降水距平百分率大于0，其降水量高于平均水平，在我国内蒙古部分地区和宁夏南部其值大于50%，可能有旱灾发生。2006年的全国大部分地区降水距平百分率低于0，在我国东南沿海地区，中心值可达80%左右，在此区域的的值都在20%以上，可能会在此发生洪涝灾害。