中国可降水量时空分布及其变化趋势分析_黄双庆.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：安徽高校自然科学研究重点项目（）；空间天气学国家重点实验室开放课题资助项目（）作者简介：黄双庆（），男，安徽铜陵人，硕士研究生，主要从事大数据分析。：通信作者：唐超礼（），男，安徽阜阳人，教授，博士，硕士生导师，主要从事大气数据与信息技术研究。：，（）：中国可降水量时空分布及其变化趋势分析黄双庆，唐超礼，黄友锐（安徽理工大学 计算机科学与工程学院，安徽 淮南；安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南）摘 要：为了探究 年中国可降水量时空分布及其变化趋势特点，采用美国国家航空航天局地球观测系统卫星 上 探测仪反演的 中可降水量数据，通过线性拟合、检验和经验正交函数分析法，分析其时空变化影响因素。结果表明：中国日间、夜间年际可降水量呈上升趋势，日间上升速率为（），夜间上升速率为（），并得出日间、夜间突变点发生时间分别是 年和 年。中国日间、夜间四季变化均为上升趋势，夏季变化速率最大，春季、冬季变化速率较低，仅日间夏季和夜间的夏、秋和冬季通过了 的显著性检验。中国日间可降水量和地表温度空间分布与纬度呈负相关，纬度越低，可降水量、地表温度越高，华南地区可降水量较高，西北地区偏低，利用 分析法选取部分典型区域也验证了以上规律。可降水量与地表温度呈正相关，地表温度越高，其上升趋势越明显。研究成果对中国的气候、地形分布以及自然灾害预警均有一定参考意义。关键词：可降水量；地表温度；时空规律；趋势分析；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，），）：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景水汽是大气中占比 左右的一种含量较少的组成成分，但是它相对于其他大气成分来说非常活跃。由于其本身在空间上分布不均、时间上变化较快以及三态转化的特点，使其成为影响气候和天气的重要因素，除此之外，水汽还影响着陆地水循环和能量循环。大气可降水量是大气垂直积分中空气柱含有的水汽含量，反映出大气水汽丰富程度，是水资源的重要来源。中国地形复杂且属于季风季节气候最显著的国家之一，其水汽变化特征显著，而水汽变化与气候变化密切相关。因此，研究中国区域的可降水量变化规律对气候、地形分布以及自然灾害预警有着重要的参考意义。随着探空资料发展越来越成熟，国内外学者对地区水汽变化进行了众多分析。郑宁等利用遥感卫星数据探讨了新疆三大山区近 可降水量的时间和区域分布特征，发现水汽含量在该地区整体呈不显著增加趋势且具有明显的季节性变化。等利用气候预报系统分析（）再分析资料，分析了 年中国大陆 个地区的可降水量、地表温度的空间分布特征。姚宜斌等通过欧洲中期天气预报中心（）大气再分析资料得出青藏高原地区大气可降水量和地表温度多年分布均呈上升趋势并采用经验正交函数分解分析了时空变化特征。虽然我国学者对水汽在中国的分布情况研究取得不错的进展，但大部分采用的是再分析资料和站点数据，应用大气红外探测器（）卫星数据研究可降水量还是很少见，尤其在近几年中国的可降水量日间、夜间分布。相比其他卫星探测仪器的十几个红外光谱通道，探测系统拥有 多个红外光谱通道，检测范围广，极大地提高了数据精度，是目前较好的探测系统之一。本研究所用到的可降水量数据，是在垂直切面下空气柱内全部的水汽含量，研究其分布规律，在探讨如何进行空中水资源的开发方面比其他水汽数据更有参考价值。研究数据与方法 数据来源本文采用的数据来自地球观测系统卫星 上搭 载 的 探 测 仪 反 演 的 月 产 品 资 料（），水平分辨率为，卫星每天经过赤道两次，收集得到世界任意地点白天和晚上的大气参数数据（图中日间数据后缀为，夜间为）。本研究所用到的参数是大气可降水量（）和地表温度（），可降水量单位为 ，将地表温度原单位开尔文（）转为摄氏度（）。时间上选取 年，采用年、月、季节平均值法计算出每个参数相应时间内的平均值，利用多项式拟合方法判断地表温度和大气可降水量之间的关系。研究方法 线性拟合线性拟合能利用线性模型，对可降水量时间序列拟合出其线性变化趋势进行分析。（）式中：为可降水量年际变化速率；为截距；为时间序列；为可降水量拟合值；运用最小二乘法确保真实值与拟合值误差最小。趋势检验（）趋势分析法是一种不要求样本符合特定的分布，常用于大气要素时间序列的数据分析方法，具有计算简单、检测范围广等特点。在 趋势检验中，本研究运用了两种用法，即趋势变化和突变点分析。研究选取的 个时间序列样本，对应本文 年时间序列数据，定义检验统计量 为 ()，。（）式中（）为符号函数，当 分别为、时，（）取值分别为、。标准化后的检验统计量 可确定可降水量变化显著水平，计算如下 （），；，；（），。|（）其中，方差 ()()()。代表可降水量为增加趋势，反之为减少趋势。的绝对值时，表示否定原假设，通过了置信度 显著性检验。采用突变点分析时，定义统计量 为 ，。（）其中，。长江科学院院报 年 假设样本数据随机独立时，的均值和方差分别为：()；（）（）（），。（）定义顺统计量为（）。（）再将其序列取逆得到逆统计量为 。（）式中 ，且 。画出序列曲线、和给定显著性水平对应的临界线，若两条序列曲线在正负临界线内出现交点，此点即为突变点。经验正交函数分析法经验正交函数分析法（）是一种气象科学研究方法，在研究区域内针对于某一大气参数经过变量分解得出的空间模态和时间系数图进行时空分布特征分析，空间模态图反映方差贡献率较大的模态可以得出主要的时空变化特征，时间系数则反映了不同年份对其时空分布贡献的大小。其中 代表第一模态空间分布图，是对应的时间系数图，以此类推。可降水量的时间序列变化分析 年际变化特性对 年中国可降水量进行线性拟合分析和 突变点检验（见图）。可看出在日间和夜间，可降水量均呈现上升趋势，日间上升速率为（），夜间上升速率为（）。年日间中国可降水量出现谷值 ，夜间 谷 值 ，年 日 间 出 现 峰 值 ，年夜间出现峰值 。在日间，经过 检验，在 年下半年期间以及 年下半年到 年范围内可降水量呈现下降趋势，其余年份均为上升趋势。在 年下半年出现突变点并在 年第一季度附近超过显著性水平，说明 年第一季度以后可降水量上升趋势明显。夜间在通过 检验后，可降水量趋势是由降转升，在 年下半年以后处于上升趋势，突变点出现在 年，年以后均超过 显著性水平，可以看出夜间的可降水量超过 显著性水平发生的时间节点要早于日间。(b)MK(c)(d)MK2 6.22 6.02 5.82 5.62 5.42 5.22 5.043210-1-22 8.42 8.22 8.02 7.82 7.62 7.42 7.22 7.02 6.82 6.643210-1-2/(k gm-2)/(k gm-2)MKMK2 0 0 32 0 0 52 0 0 72 0 0 92 0 1 12 0 1 32 0 1 52 0 1 72 0 1 92 0 2 12 0 0 32 0 0 52 0 0 72 0 0 92 0 1 12 0 1 32 0 1 52 0 1 72 0 1 92 0 2 12 0 0 32 0 0 52 0 0 72 0 0 92 0 1 12 0 1 32 0 1 52 0 1 72 0 1 92 0 2 12 0 0 32 0 0 52 0 0 72 0 0 92 0 1 12 0 1 32 0 1 52 0 1 72 0 1 92 0 2 1y=0.0 4 4 x-6 2.5 4 7R2=0.7 8 9y=0.0 6 2 x-9 6.6 4 3R2=0.7 8 2U FU B5%U FU B5%(a)图 中国 年日间、夜间线性拟合及 检验 季节变化特性将每年的 月份每 个月定为春、夏、秋季，月到次年 月份定为冬季，研究季节变化特性。图 显示了中国日间、夜间各季节可降水量逐年变化情况，根据逐年变化和趋势检验的结果绘制出表（因为所选遥感资料还未更新到 年 月，考虑到 年冬季无法绘制，所以四季分布均选取 年）。可以看出 年中国日间、夜间四季变化中，可降水量均呈增加趋势，夏季最多，年际变化速率较其它季节最高，是因为夏季温度较高以及季风气候带来的额外水汽引起大气可降水量增大。春季和冬季由于空气干燥及温度较低对大气的水汽补给较少，其可降水量和年际变化速率较小。在趋势检验结果中，只有日间夏季和夜间的夏、秋和冬季通过了 的显著性检验，证明在此期间中国夏季以及夜间秋、冬季可降水量整体呈显著增加趋势。从图 的多年月份平均图中可看出中国大气可降水量在日、夜间的整体变化趋势相同，只是夜间可降水量逐月值高于日间。月份可降水量大幅上升，在 月份出现峰值，日间峰值 ，夜间峰值 。月份往后就呈递减趋势，日间最低值出现在 月份，为 ，夜间在 月份出现最低值 。此部分结果与上文季节变化特性分析一致，均表现出夏季可降水量最高，春、冬季偏低。第 期黄双庆 等 中国可降水量时空分布及其变化趋势分析图 年中国日间、夜间可降水量四季逐年变化 表 年中国日间、夜间可降水量四季年际变化趋势 季节日间夜间变化速率（）值变化速率（）值春季夏季秋季冬季图 中国 年可降水量各月均值 可降水量的空间变化特性分析 多年平均可降水量空间分布图 是 年中国多年日间平均可降水量和地表温度空间分布图。由分析图可以看出中国可降水量和地表温度分布均呈现明显的纬度分布特征，随着纬度的降低，可降水量、地表温度均升高，再根据可降水量较大的地区多为低纬度的热带地区，可以看出可降水量的分布可能跟温度高低有关，这与刘艳霞等学者研究结论保持一致，下文将对这个问题进行探讨。中国日间可降水量和地表温度平均值分别为 、，同纬度的情况下，西北地区的可降水量低于华北地区，一方面是由于西北地区多为沙漠荒地，能通过持续蒸发途径进入上层空气的水分很少；另一方面是因为由季风从海洋带来的水汽很难到达这些地区，可降水量偏低，而华北地区离海洋较近，受季风气候影响，空气湿润，导致可降水量较高。图 中国 年日间平均可降水量、地表温度空间分布 各季节可降水量空间分布图 是中国四季可降水量分布整体趋势（以日间为例），与图 呈现的多年平均空间分布类似，均随着纬度降低而升高，由北向南呈递增趋势，但 个季节分布情况有差异。各季节可降水量空间分布可能是受气候以及温度的影响。从图 中可知夏季可降水量最多，主要集中在华北地区东部和华南地区，一方面是因为这两块区域受东亚季风影响，上空中由其带来的湿润空气导致水汽含量较其它季节偏高。另一方面，夏季气温较高，地表水由于蒸发补给足从而增加了空气中的水汽含量。冬季大气可降水量最小，主要是 长江科学院院报 年 图 中国 年四季平均可降水量空间分布 因为来自内陆季风带来的干燥空气，使得空气中的水汽含量下降明显。同时冬季气候寒冷，地表水难以通过蒸发进入上层空气，大气可降水量大幅下降。基于 方法中国可降水量的时空分布 通过对中国可降水量（以日间为例）进行 分解法验证，绘制出图。可以得出前三个模态占总共方差比分别为、，累计占比，可以反映出中国可降水量时空变化特征。因为第一模态对应的方差贡献率占比最大，可作为反映中国可降水量时空变化特征的依据，所以我们着重研究第一模态对应的空间分布和时间系数变化情况。可以看出，在空间分布上，中国大部分地区均呈现正值分布，极少数如云南等地出现负值情况，说明中国可降水量在大部分地区上表现出一致上升或下降趋势，再结合右边的时间系数在 年往后出现由负变正的转变，可以得出 年在中国范围内可降水量呈现上升趋势，这与上文时间变化特征分析结果一致。其中，青藏高原和广东等地在空间分布上是正值较大区域，可以得出这些地区可降水量的增长趋势比较明显，对这些典型地区进行进一步分析。选取青藏高原和广东两个典型区域在 年期间进行年际变化分析和 趋势检验，绘制出图。从图（）可以看出，青藏高原地区在 年和 年左右发生突变，存在两段可降水量处于下降趋势的时间区间，分别是在 年到 年下半年和 下半年到 年上半年，其余时间段均处于上升趋势，并且在 年超过 显著性水平，可降水量上升趋势明显。由图（）可以得出