作者：罗布坚参 翟盘茂 假拉 吴璐 赤曲 次旦巴桑
1西藏自治区气象台，拉萨85000
2中国气象科学研究院，北京100081
3河南省气候中心，郑州450003
提要：利用124个测站2 011-2 012年6-8月逐小时降水资料，分辨率为o．25。×o．25。的TRMM估测降水和DEM高程数据，采用相关系数、相对误差和准确性指标，分析了西藏高原TRMM估测降水整体表现能力及海拔高度对降水估测影响。结果表明：TRMM估测降水在西藏高原整体趋势较一致，降水量级偏大，次数偏多；平均无降水准确率远高于平均有降水准确率，漏测率低而空测率高，降水量大的测站TRMM估测能力相对强。西藏高原上大部分测站处于相对低洼（河谷）地带，海拔高度差较小的区域TRMM估测降水与测站降水误差小，较大的区域误差则大。
关键词：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，地形复杂多样，地势起伏很大，其独特的地貌形态和复杂的大气环流系统造成了降水的复杂性，年降水量空间分布由东南向西北递减。这种分布主要受大气环流和地形的共同影响，如雅鲁藏布江下游地区是因西南季风爬坡形成丰沛降水，喜马拉雅山脉北麓和怒江以东地区形成少雨区与大地形、山脉背风坡局部地形有关，同时高原四季降水分布特征与季节性大气环流有很大关系。在我国，许多学者对西藏高原地形对降水影响做过很多研究（李川等，2006;舒守娟等，2006;董海萍等，2007;张杰等，2008;王永杰等，2010；刘元波等，2011；徐德祥等，2014a；2014b；胡亮等，2010；王敏等，2012; Duo et al，2007;周胜男等，2015；刘炜等，2014；庄薇等，2013）。比如舒守娟等(2005)研究表明在相对最大降水高度之下，所谓地形一降水分布剖面一致性，两种不同的地形一降水锁相关系即分别对应西藏高原两种地形一降水分布形态；李子良(2006)研究指出地形降水是水汽、气流和地形相互作用而形成的，小山脉地形降水主要发生在山脉的迎风坡，表现出典型的迎风降水和背风少雨特征；邹捍等2007)研究表明了陡峭的地形和强烈的地表差异在高原山区形成特殊的局地大气环流系统，在地气交换中起着重要作用。地形局地大气环流是由地形与地表状态调整的大气辐射加热和冷却所驱动，包含多种不同的山地环流成分，与典型山谷风环流不同，具有很强的特殊性，对地气间的交换有重要影响，同时也影响着局地的降水分配。在TRMM等卫星估测降水应用方面，国内外很多学者从评估检验、日和月变化及垂直分布等方面做了很多研究（李锐等，2005；白爱娟等，2008;傅云飞等，2008；骆三等，2011；何会中等，2004;穆振侠等，2010；刘俊峰等，2011；郝振纯等，2011;刘元波等，2011;毛江玉等，2012；江志红等，2013；成璐等，2014；邵颖，2014），Wu等(2012)认为TRMM估测降水反映日降水频数的能力优于月降水累积量，在地形相对平坦优于地形复杂区，尤其是青藏高原降水低估明显。以上大多数研究中采用的站点比较少，从而不能很好地反映西藏高原的整体情况，近2年西藏高原建立了124个自动气象站，对进一步评估TRMM估测降水在高原上适用性提供了基础。本文利用西藏124个自动站2011-2012年6-8月逐小时降水资料，研究TRMM估测降水与测站降水在3h时间尺度上的一致性评估，结合DEM高程数据，研究TRMM估测降水对不同海拔高度测站降水的真实反映能力。
1 资料及处理方法
1.1基本资料
1.1.1 自动站降水资料
资料由西藏自治区气象局网络中心提供。考虑固态降水复杂性、建站时间不同和资料不稳定性等实际问题，采纳了2011-2012年6 8月124个自动气象站逐小时降水资料。质量控制方法引用了任芝花等(2010)适用于全国自动站小时降水资料的质量控制方法，具体方法为：(1)界限值检查：西藏高原区域界限值为0～85 mm．h-l，超越该界限值范围数据为错误。(2)内部一致性检验：指同一时间观测的气象要素记录之间关系必须符合一定规律的检查，比如每日逐小时降水量累加远远超出日降水量，则认为数据可疑。(3)时间一致性检验（连续无变化检查）：由于测量仪器故障，雨量计漏斗部分堵塞，承水器收集的降水以匀速渗漏的方式进人翻斗计量，报文上传重复等因素导致连续多个时次出现同一个数据为错误。总样本有1472个，经质量控制1420个样本合格，故对1420各样本进行了统计分析。
1.1.2 DEM高程数据
DEM高程数据由美国国家航空航天局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM数据，经过处理制成的数字地形高程模型(DEM)，该测量数据覆盖中国全境，分辨率达到100 m。
1.1.3 TRMM估测降水资料
TRMM测雨产品3842是TRMM卫星与其他卫星联合反演的降水产品，提供全球格点降水资料。该数据的存档和分发由Goddard分布式数据档案中心负责，分发由美国国家航空航天局(NASA)的地球科学事业(ESE)战略计划资助。3842算法是由TRMM科学小组开发的一种综合降水评估算法，它结合了2831、2A12、微波成像专用传感器( SSMI)、改进的微波扫描辐射计(AMSR)、高级微波探测器( AMSU)等多种被认为是高质量的降水评估算法，并对地球同步红外观测系统获得的红外辐射资料进行了校准。要素有2项，降雨量和相对误差。时间分辨率为3h，空间分辨率为0.25。×0. 25。，区域覆盖范围为准全球50。N～50。S、180。W～180。E。
1.2处理方法
1.2.1 地形处理
通过Arcgis+Envi软件对DEM数据进行分析。首先通过测站所在位置的经纬度在DEM数据上进行定位，以测站所在点为中心，选取半径为40 km圆形范围（由于高原地区大部测站之间直线距离大于25 km）（图1），提取该圆形范围内所包含的每个格点高度数据（图1左下角），计算平均高度值，得出与测站高度值之差。
1.2.2 TRMM估测降水与测站降水时空匹配
由于TRMM估测降水是格点数据，而测站降水资料是站点资料，无法直接把TRMM估测降水资料与测站降水资料进行对比检验。本文参考翟盘茂等(1997)，将格点与该格点所包含测站进行固定网格式“Frozen Grid”比对方法。但是考虑西藏高原测站所处地形复杂，受山顶与山谷、迎风坡与背风坡、局地对流性降水及空间分布不均等影响而降水量级不同，本文对该方法进行了修改。具体方法如下：如果格点内所包含的测站个数≥l，则不同测站降水资料与同一个格点数据进行分别比较。这样可以保证复杂地形对测站本身降水的影响，更好地检验TRMM估测降水准确性。由于TRMM产品3842降水数据为平均3 h(GMT)降水量，为了保证与测站降水量级一致，对测站逐小时降水量进行了平均3h降水量计算，把1天24 h按照3h分为8个时间段，分别为02时刻（01 03时）、05时刻（04 06时）、08时刻（07-09时）、11时刻(10 12时)、14时刻（13 -15时）、17时刻（16-18时）、20时刻（19 21时）、23时刻（22-00时，即次日），并把TRMM估测降水资料时间调整为GMT+8，这样可以保证降水量和时间一致性。
1.2.3 统计方法
采用相关系数(R)、相对偏差（Bia.s）、有降水准确率(POD)、空测率（FAR）、无降水准确率(PODN)、漏测率( FARN)等统计方法，计算公式如下：
式中，S。代表第i个TRMM估计降水量，G：代表第i个测站降水量，S代表TRMM估测平均降水，G代表测站平均降水，N代表样本数量，(A+ C)表示测站降水总次数，(AJ- B)表示TRMM估测降水总次数，(B+D)表示测站无降水总次数，(C+D)表示TRMM估测无降水总次数。
2 结果分析
2.1 平均3h降水量分布
西藏年降水量为66.3～894.5 mm，呈自东南向西北递减分布，其中东部的波密大于800 mm，西部的阿里地区不足200 mm。西藏降水高度集中在5 9月，占全年降水量的80%～95%。大部分地区最长连续降水（连续每天出现≥0.1 mm降水）时段最早开始于6月中旬，最迟结束在8月下旬，把6-8月定义为西藏主汛期。图2给出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，西藏西南部和西藏东南部大于0. 19 mm。西部地区不足0.07 mm。平均3h降水量分布与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圆形区域范围内所有DEM格点海拔高度的平均值与测站海拔高度的差值定义为海拔高度差。从海拔高度差情况来看（图3），西藏高原上98. 39%的测站处于相对低洼（河谷）地带，平均海拔高度差为745 m。从整体来看海拔高度差自西北向东南和南部逐渐加大，喜马拉雅山脉和东部地区（除色季拉山高山站外）大于1000 m，其中西藏东南部达到1500 m以上；西藏东北部和雅鲁藏布江一线及西部地区为500—1000 m;西藏北部和西北部在0～500 m;西藏东部林芝地区色季拉山测站为高山站，该测站海拔高于周围海拔。
为了进一步分析西藏高原测站周围地形复杂性，选取位于西藏西部、中部、东部和东南部的改则（图4a）、拉萨（图4b）、八宿（图4c）和墨脱（图4d）4个站为代表，以测站为中心半径40 km圆形范围DEM高程数据14万个格点高度值进行了分析。由图可见，4个站基本能表现测站周围地形的复杂性，西北部地区海拔高度差不大，西藏中部、东部和东南部地区高于测站海拔的格点数远远大于接近测站海拔格点数，尤其是东南部地区更为突出，其中墨脱站周围格点最大高度与最小高度相差达到7100 m，说明高原内部呈现出自西北向东部和南部地形落差逐渐加大的情况，特别是中东部和南部高山交错复杂的地貌反映明显。显然，这种局地复杂地形，势必导致测站降水和TRMM估测面元降水量之间出现差异。
2.3 TRMM估测降水与测站降水相关性评估
TRMM估测降水评估检验相关系数和相对偏差分布（图5）上看，西藏高原平均相关系数为0. 35，相关系数大于0. 30以上测站数占总测站的73%。所有测站相关系数通过丁0. 01的显著性水平检验。西藏中北部、沿喜马拉雅山脉北坡及东南部地区相关系数低于0. 30，最低为0.08;西藏西北部、东北部和沿雅鲁藏布江一带相关系数大于o．30，其中西藏东部的个别测站最大可以达到0. 50～0.59。西藏高原平均相对偏差为52%，TRMM总体估测偏大，主要在高原西部、沿雅鲁藏布江以南和高原东北部偏大显著，其中有8个站大于200%；冈底斯山至念青唐古拉山以北相对偏差在-15%～15%，为正常范围；TRMM估测降水偏小的测站较少且分布较散，但相对偏差在50%以内。
以上分析表明，西藏高原中北部、西北部、雅鲁藏布江东段和东北部相关系数≥o．3，相对偏差在-50%～15%，TRMM估测降水与测站降水一致性较高，其余地区差异比较大。
2.4 TRMM估测降水准确性评估
西藏高原平均有降水准确率为50%，大于平均值区域与相关系数较大、相对偏差较小分布结果较一致，西藏高原西部、雅鲁藏布江中游和东部有降水准确率小于50%（图6a）；空测率总体平均为62%，其中雅鲁藏布江一线、东北部和东部空测率较小，相对高值位于西藏高原北部、与不丹交界附近及西部（图6b）；无降水准确率在雅鲁藏布江大拐弯下游、西藏南部与不丹国交界附近和西北部较小，其余地区都在70%以上，特别是西部和东部在90%以上（图6c）；漏测率除雅鲁藏布江大拐弯东侧相对高外，其他地区低于18%（图6d）。从以上对比评估情况看，指标的高低与西藏主汛期平均降水量和测站海拔高度差等有一定关系。
2.5 TRMM估测能力与地形、平均降水量关系
不同海拔高度差上相关系数和相对偏差分布（图7）可以看出，低于周围环境600～750 m区域测站降水与TRMM估测降水之间的相关系数在0.35以上，相对偏差也小，说明该海拔高度差范围内TRMM估测降水与测站降水较为一致；海拔高度差在200～400 m的相对平缓地带相关系数较高，相对偏差≤50%，两者分布趋势比较一致；从海拔高度差<200 m开始，相关系数振幅比较大，相对偏差为负值的占多数，但在一致性较好的范围内；在海拔高度差>1500 m以上测站，相关系数平均达到0.4，而TRMM估测降水从异常偏大迅速向明显偏小过渡，由于海拔高度差>1500 m以上测站主要位于西藏的东南部和沿喜马拉雅山脉南坡，这些区域降水量明显比其他测站多。因此，在分析海拔高度差影响时也需要进一步研究相关系数、相对偏差与测站平均降水量的关系。
从主汛期平均降水量与相关系数、相对偏差情况看（图8），TRMM估测降水与测站降水之间相关系数随着降水量增加而增加，相对偏差随降水量增加而减小。测站平均降水量在200 mm以下，相关系数和相对偏差振幅很大；>200 mm以上开始相关系数小幅升高，相对偏差逐渐减小，在300 mm开始相对偏差减小得更加明显，主要以零附近正偏差占主导，相关系数保持在高值区。平均降水量>500 mm出现了负偏差，说明TRMM估测降水比测站降水偏小，但偏小范围在50%之内。总之，TRMM估测降水整体偏大，在实际测站平均降水量大的区域TRMM估测降水与测站降水之间具有较好的一致性。
总之，西藏西北部有降水准确率较高，这与该区域海拔高度差较小，地势较为平坦有关，同时由于该区域平均降水量少，也会导致空测率高。西藏东南部（尤其是雅鲁藏布江大拐弯及下游区域）是平均降水量最大的区域，这与该区域有降水准确率高、无降水准确率低和漏测率高的指标相一致。西藏其余地区受海拔高度差和降水量的共同影响有降水准确率较西北部和东南部小。西藏西北部测站分布稀疏，今后利用TRMM估测降水对天气气候分析具有一定的参考依据。
3 结论与讨论
(1)西藏高原上绝大多数测站处于低洼（河谷）地带，海拔高度差平均为745 m。西藏西北部小于500 m，东部地区和沿喜马拉雅山脉南坡大于1500 m，个别地方达到2400 m，从整体来看海拔高度差自西北向东南和南部逐渐加大。西藏高原中东部和南部高于测站海拔的格点数远远大于接近测站海拔格点数，表现出了明显的谷地和高山交错复杂地貌。
(2)西藏高原上TRMM估测降水与测站降水平均相关系数为0. 35，东部地区大于中西部地区，最大可以达到0. 50～0.59;平均相对偏差为52%，总体估测偏大；西藏高原中北部、西北部、雅鲁藏布江东段和东北部相关系数≥0.3，相对偏差在-so%～15%，说明以上区域TRMM估测降水量与测站降水一致性较高，其余地区差异性比较大。
(3) TRMM估测降水与测站降水之间，在海拔高度差较小的区域误差小，较大的区域误差则大；相关系数随着降水量增加而增加，相对偏差随降水量增加而减小。
