1979-2014年秦巴山區(qū)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度評估及變化特征分析

楊曉柳, 王 平, 高大威, 楊 幸, 丁智強(qiáng)

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

降水作為全球水循環(huán)的基礎(chǔ)組成部分，是氣象學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)的重要參數(shù)，是地球和大氣系統(tǒng)能量交換和物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分[1-5]。傳統(tǒng)的降水?dāng)?shù)據(jù)主要通過地面站點(diǎn)觀測獲得，這種觀測方式很大程度上受到地形條件的影響，特別是在地形復(fù)雜的山區(qū)和高原地區(qū)，地面觀測點(diǎn)稀少導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)相對缺乏[6-7]。因此，獲取準(zhǔn)確的降水信息對于研究全球氣候變化及水循環(huán)等具有重要意義[8]。

近年來隨著衛(wèi)星觀測的快速發(fā)展，在全球與區(qū)域尺度上已經(jīng)形成了一系列的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，雖然衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)具有空間覆蓋范圍廣、時空分辨率高的特點(diǎn)，但往往存在對實(shí)際降水高估或低估的現(xiàn)象，特別是在地形復(fù)雜、地勢起伏大的地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為明顯[9-11]。而融合了站點(diǎn)降水、衛(wèi)星降水和再分析數(shù)據(jù)的多源加權(quán)集成降水?dāng)?shù)據(jù)集[12-13](Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation，MSWEP)充分結(jié)合了站點(diǎn)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，具有長時間序列、高精度和高時空分辨率特性，在全球尺度上提供了較為可靠的降水?dāng)?shù)據(jù)[14]。MSWEP產(chǎn)品自發(fā)布以來，一些學(xué)者開展了精度評估研究，如學(xué)者Jiang等[15]對該降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，評估了MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在不同時間尺度上的表現(xiàn)和不同降雨強(qiáng)度等級下對總降雨量的貢獻(xiàn)率。Sahlu等[16]在埃塞俄比亞尼羅河流域，對比分析了6種衛(wèi)星產(chǎn)品和再分析產(chǎn)品精度，包括TMPA、CMORPH、PERSIANN、ECMWF、ERA-Interim和MSWEP。王園園等[17]利用三峽庫區(qū)及附近地區(qū)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)對MSWEP月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行評估，采用GAM融合站點(diǎn)降水空間插值結(jié)果和MSWEP產(chǎn)品就三峽庫區(qū)分析1979—2014年降水變化特征做了分析。鄧越等[18]基于1979—2015年中國大陸824個氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，評估MSWEP在中國大陸區(qū)域的精度。作為新的網(wǎng)格降水產(chǎn)品，MSWEP降水產(chǎn)品在秦巴山區(qū)尚未有人對其進(jìn)行研究。

秦巴山區(qū)是我國自然地理南北重要分界，是漢江、丹江、嘉陵江、渠江等重要河流的發(fā)源地，生態(tài)脆弱、氣候敏感，一直以來都是氣候變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域。對秦巴山區(qū)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，對MSWEP與站點(diǎn)降水多年變化進(jìn)行對比分析，旨在探討MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在該地區(qū)的適用性，為MSWEP產(chǎn)品在該區(qū)域的應(yīng)用，如氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、流域生態(tài)環(huán)境管理、水情調(diào)度及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

秦巴山區(qū)由秦嶺和大巴山兩大山區(qū)及之間的漢江谷地等構(gòu)成(30°29′—34°37′N，103°44′—113°13′E)，地處中國中部，橫跨于華北與華南之間，位于四川、重慶、陜西、湖北、河南、甘肅6省市交界處(圖1)，是我國人文、地理、氣候等南北過渡區(qū)，也是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，是漢江中上游、嘉陵江上游、渠江上游等匯水區(qū)，在維系下游水安全、水生態(tài)、水環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。以山地、丘陵、盆地為主，氣候類型多樣，四季分明，降水主要集中在夏秋季節(jié)，是亞熱帶和溫帶的分界線。該區(qū)域不僅是生物多樣性保護(hù)生態(tài)功能區(qū)，同時也是重要的水源涵養(yǎng)地，是中國重要的生態(tài)安全保障區(qū)[19]。

圖1 秦巴山區(qū)氣象站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

MSWEPV 2.1數(shù)據(jù)是Beck等基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)，制作的一款全新的多源加強(qiáng)集成降水?dāng)?shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)具有3小時的時間分辨率和0.1°的空間分辨率，時間跨度為1979—2016年。提取研究區(qū)內(nèi)格點(diǎn)上MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)時間序列，使用的降水?dāng)?shù)據(jù)從http:∥www.gloh2o.org下載，MSWEP數(shù)據(jù)的儲存格式為nc文件格式。使用Matlab軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取出流域內(nèi)對應(yīng)站點(diǎn)位置的月降水?dāng)?shù)據(jù)，再利用月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行累加得到季和年降水?dāng)?shù)據(jù)。

秦巴山區(qū)范圍內(nèi)的18個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，來源于國家氣象信息中心數(shù)據(jù)庫，時間序列為1979—2014年，站點(diǎn)沒有移動，數(shù)據(jù)資料序列連續(xù)完整,并通過R軟件中的RClimDex程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，以達(dá)到檢驗(yàn)和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的，包括異常值和錯誤值的篩選，以保證結(jié)果的可靠性[20]。秦巴山區(qū)平均序列為18個站總算術(shù)平均值。按照氣候統(tǒng)計上的春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)、雨季(5—10月)、干季(11月—翌年4月)統(tǒng)計各季降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 精度評估方法 本文主要采用的是定量指標(biāo)中的相關(guān)系數(shù)(CC)反映了兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性程度，CC取值范圍為[-1,1]，相關(guān)系數(shù)絕對值越大，表示兩者之間的相關(guān)性程度越高，相關(guān)性絕對值越接近0，表明數(shù)據(jù)之間相關(guān)性越低；均方根誤差(RMSE)表示兩組數(shù)據(jù)之間的偏差，常用來評估誤差的整體水平，數(shù)值越小，反映MSWEP降水與站點(diǎn)實(shí)測降水之間的誤差越??；平均絕對誤差(MAE)可以避免誤差相抵的問題，可以準(zhǔn)確反映MSWEP降水與站點(diǎn)實(shí)測降水之間的誤差；相對偏差(Bias)映了一組數(shù)據(jù)相對于另一組數(shù)據(jù)的偏離程度，Bias越接近0，表明MSWEP數(shù)據(jù)越精確，兩組數(shù)據(jù)的吻合度越高，Bias為正值，表明MSWEP降水高于實(shí)測降水，Bias為負(fù)值，表明MSWEP降水低于實(shí)測降水。運(yùn)算公式如下所示[21-26]。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2.2 兩種降水量變化特征分析方法 線性趨勢法，即把氣候要素表達(dá)為時間t的線性函數(shù)x=at+b，其中a,b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。根據(jù)所選的實(shí)際數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用最小二乘法，將a和b的數(shù)值演算出來，其中a表示的意義是線性函數(shù)的斜率，表征氣候要素的線性趨勢，如果a為正就表示的是增加趨勢，如果a的值為負(fù)就代表減小趨勢，如果a等于0則就說明沒有變化趨勢[27]。

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法，它不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的影響和干擾，能夠反映序列的變趨勢，還能夠找出序列是否有突變及其位置[28-29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 MASWEP產(chǎn)品精度分析

3.1.1 時間序列精度檢驗(yàn) 秦巴山區(qū)18個氣象站點(diǎn)降水的實(shí)測數(shù)據(jù)和對應(yīng)網(wǎng)格位置上的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在年、季節(jié)和月尺度上的擬合結(jié)果及評價指標(biāo)見表1。在年尺度上，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83，均方根誤差均值為57.30 mm，平均絕對誤差均值為16.74 mm，從兩者誤差可以看出MSWEP降水和站點(diǎn)實(shí)測值較接近，相對偏差均值為-2.22%，表明MSWEP降水對實(shí)測降水有輕微的低估現(xiàn)象。

表1 年、季節(jié)、月尺度上MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度指標(biāo)評估結(jié)果

在季節(jié)尺度上，相關(guān)系數(shù)都大于0.85，一致性較高，其中秋季一致性最高，其均值為0.92，大于春季0.86、夏季0.85及冬季0.89。從均方根誤差來看，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分別為15.55，35.39，17.10，4.16 mm。從平均絕對誤差看，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分別為4.45，10.47，4.57，1.04 mm。從相對偏差來分析，MSWEP降水在春、夏、秋、冬季的均值分別為-7.55%，-1.40%，1.77%，-9.69%。

在月尺度上，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)均值為0.94，均方根誤差均值為35.49 mm，平均絕對誤差均值為27.19 mm，相對偏差均值為-2.22%。月尺度上的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)一致性很高，誤差也較小，對實(shí)測數(shù)據(jù)有輕微低估現(xiàn)象。

3.1.2 單個站點(diǎn)精度檢驗(yàn) 由于降水受多種氣象和地理因素影響，因此，除了需要對整個區(qū)域時間序列上的MSWEP數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估外，還需進(jìn)一步在單個站點(diǎn)尺度上對MSWEP數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。由表2可知：(1) 18個氣象站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)之間在月尺度上存在明顯的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.90以上，其中漢中站相關(guān)系數(shù)最高0.99。(2) 18個氣象站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)均方根誤差都在11.5 mm以下，超過10的站點(diǎn)僅有4個，分別是房縣站、廣元站、萬源站、奉節(jié)站，萬源站最大為11.48 mm，盧氏站最小為3.62 mm。氣象站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)平均絕對誤差都在2.4 mm以下，超過2 mm的站點(diǎn)僅有3個，分別是房縣站、萬源站、奉節(jié)站，其余站點(diǎn)均小于2 mm，房縣站最大為2.39 mm，盧氏站最小為0.67 mm。(4) 18個站點(diǎn)中，有11個站點(diǎn)相對偏差小于0，7個站點(diǎn)大于0，表明MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)相對于站點(diǎn)實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，有11個站點(diǎn)存在輕微低估現(xiàn)象，7個站點(diǎn)存在輕微的高估現(xiàn)象。在所有站點(diǎn)中，有16個站點(diǎn)相對偏差的絕對值|Bias|在20%以內(nèi)，占到18個站點(diǎn)總數(shù)的88.9%，其中|Bias|最小的站點(diǎn)為西峽站-0.70%，僅有2個站點(diǎn)|Bias|在20%以上，分別為武都站和房縣站。說明各個站點(diǎn)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在月尺度上與氣象站點(diǎn)實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)之間具有很好的一致性，在一定程度上能夠反映區(qū)域內(nèi)真實(shí)的降水情況。

表2 單個站點(diǎn)月尺度MSWEP數(shù)據(jù)精度評價指標(biāo)

3.2 站點(diǎn)與MSWEP降水量變化趨勢分析

秦巴山區(qū)36 a來，站點(diǎn)年平均降水量為851.1 mm，年降水量最多的年份是1983年為1 220.2 mm，最少的年份是1997年為599.2 mm，并且呈波動減少趨勢變化(圖2)，傾向率為-27.3 mm/10 a。MSWEP年平均降水量為872.7 mm，年降水量最多的年份是1983年為1 180.2 mm，最少的年份是1997年為608.8 mm，降水量呈波動減少趨勢變化，傾向率為-23.1 mm/10 a。站點(diǎn)和MSWEP降水量季節(jié)變化大(表3)，均呈現(xiàn)夏季>秋季>春季>冬季、雨季>干季，各季節(jié)降水量最多的年份，兩種降水均出現(xiàn)在同一年，春、夏、秋、冬、雨、干季分別為1998年、1981年、2011年、1989年、1983年、1989年。降水量最少的年份除夏季(站點(diǎn)降水2006年，MSWEP降水1997年)外，其余季節(jié)均相同，并且都是在20世紀(jì)90年代中后期，春、秋、冬、雨、干季分別是1995年、1998年、1999年、1995年、1997年。從整體變化來看，除MSWEP降水夏季呈增多趨勢變化外，其他各季兩種降水均呈減少趨勢變化，但春、秋、冬季MSWEP降水量的變化幅度大于站點(diǎn)降水量，而夏、雨、干季則是站點(diǎn)降水量變化幅度大于MSWEP降水量。

3.3 站點(diǎn)與MSWEP降水量突變分析

用M-K突變檢驗(yàn)，對秦巴山區(qū)1979—2014年年降水量進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果顯示(圖3)，站點(diǎn)年降水量呈“減少—增多”兩個階段變化，1979—1986年UF曲線>0，該時段降水量呈增多趨勢變化，但沒有超過95%置信區(qū)間，證明該時段降水量增多趨勢不顯著，1986—2014年UF曲線<0，該時段降水量呈減少趨勢，并在1993—2005年超出95%置信區(qū)間，該時段降水量減少顯著，UF和UB曲線1985年，表明1985年是突變年。MSWEP降水量也呈“增多—減少”階段變化，1979—1985年UF曲線>0，降水量呈增多趨勢變化，該階段UF曲線處于置信區(qū)間內(nèi)，降水量增多不顯著，1985—2014年UF曲線<0，降水量呈減少趨勢，其中1996—2002年超出95%置信區(qū)間，該時段降水量減少顯著，1985年UF和UB曲線相交，1985年為突變年。

3.4 站點(diǎn)與MSWEP降水量變化周期分析

由1979—2014年秦巴山區(qū)站點(diǎn)及MSWEP年降水量小波變化系數(shù)實(shí)部圖和小波方差可知(圖4)，站點(diǎn)年降水量，存在4～7 a和20～25 a時間尺度的“豐—枯”交替變化周期。在20～25 a時間尺度上存在3個準(zhǔn)震蕩周期，站點(diǎn)年降水量經(jīng)歷了豐枯豐的循環(huán)交替，20世紀(jì)80年代中期前秦巴山區(qū)處于多雨期，而1987—2000年處于少雨期，進(jìn)入21世紀(jì)后降水量較前一階段有所增加為多雨期，但沒有20世紀(jì)80年代中期前的降水量多，而到2014年等值線還沒有閉合，證明未來一段時間降水量將繼續(xù)偏多；4～7 a的周期震蕩主要在20世紀(jì)90年代前和1997年以后比較活躍，存在降水較豐富和較少交替循環(huán)交替。小波方差表明，該時段站點(diǎn)年降水量存在兩個峰值，分別為5 a和23 a，其中23 a的時間周期峰值最顯著，所以為站點(diǎn)年降水量變化的主周期。

MSWEP年降水量，存在3～5 a，6～10 a，19～26 a時間尺度的“豐—枯”交替變化周期。在29～26 a時間尺度上存在3個準(zhǔn)震蕩周期，站點(diǎn)年降水量經(jīng)歷了豐枯豐的循環(huán)交替，1987年前處于多雨期，1987—2000年處于少雨期，2000年以后降水較前一時段增多，為多雨期，但降水量不如1987年前多，而到2014年等值線還沒有閉合，證明未來還有一段時間降水量將繼續(xù)偏多；6～10 a的周期震蕩主要在21世紀(jì)以前比較活躍，存在降水量較多和較少交替變化；3～5 a的短時間尺度的降水變化，存在降水量較豐富和較少的交替變化。小波方差表明，該時段MSWEP年降水量存在兩個峰值，分別為8 a和24 a，其中24 a的時間周期峰值最顯著，所以為MSWEP年降水量變化的主周期。

圖2 站點(diǎn)與MSWEP降水量變化趨勢

表3 1979-2014年站點(diǎn)與MSWEP降水量年、季節(jié)變化趨勢及其傾向率

圖3 站點(diǎn)與MSWEP年降水量M-K檢驗(yàn)

圖4 站點(diǎn)與MSWEP降水量變化周期

4 結(jié) 論

(1)從精度檢驗(yàn)結(jié)果來看，首先站點(diǎn)降水與MSWEP降水在年、季節(jié)、月尺度上相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，具有較高的一致性，月尺度和秋季一致性最高，相關(guān)系數(shù)在0.9以上；均方根誤差，年尺度為57.3 mm、月尺度為35.5 mm，季節(jié)尺度春、夏、秋、冬季分別為15.6，35.4，17.1，4.2 mm；平均絕對誤差，年尺度為16.7 mm，月尺度為27.2 mm，季節(jié)尺度春、夏、秋、冬季分別為4.4，10.5，4.6，1.0 mm；相對偏差，年尺度為-2.22%，月尺度為-2.22%，季節(jié)尺度春夏秋冬分別為-7.55%，-1.40%，1.77%，-9.69%。其次，各個站點(diǎn)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在月尺度上與氣象站點(diǎn)實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)之間也具有很好的一致性，在一定程度上能反映區(qū)域內(nèi)真實(shí)的降水情況。

(2)從變化趨勢來看，站點(diǎn)和MSWEP年降水量均呈波動減少趨勢變化，傾向率分別為-27.3，-23.1 mm/10 a，季節(jié)降水量除春季MSWEP呈增加趨勢外，其余各季節(jié)兩者降水?dāng)?shù)據(jù)均呈減少趨勢變化，其中降水量減少最顯著的季節(jié)無論是站點(diǎn)還是MSWEP降水都是夏季(站點(diǎn)傾向率：-23.1 mm/10 a，MSWEP傾向率：-22.2 mm/10 a)和雨季(站點(diǎn)傾向率：-24.5 mm/10 a，MSWEP降水傾向率：-22.7 mm/10 a)。從突變分析來看，站點(diǎn)和MSWEP降水量在該時段均有突變現(xiàn)象，并且突變年份都為1985年。從變化周期上看，站點(diǎn)數(shù)據(jù)與MSWEP數(shù)據(jù)均出現(xiàn)“枯—豐”周期性變化規(guī)律，但站點(diǎn)降水量變化主周期比MSWEP降水量短2 a。