大气降水作为全球水循环的重要环节,是维持全球生态系统稳定的物质基础^[1],也是气象气候等研究领域的重要研究对象。因此,获取高精度的降水资料对于认识和了解陆地表面过程以及制定相应水利管理措施具有重要意义^[2]。目前国内已有不少学者利用TRMM 3B43降水数据在我国高寒山区开展了相关研究,齐文文等^[3]研究表明了青藏高原降水自东南向西减少的分布规律; 王晓杰等^[4]研究表明TRMM数据在天山及周边地区具有很好的适用性; 吴雪娇等^[5]分析验证了TRMM多卫星数据在黑河流域的适用性。祁连山位于西北内陆地区,海拔较高,对气候变化的响应非常明显。国内学者对于祁连山地区降水的研究主要集中在时空分布以及结合同位素分析降水的化学与环境意义方面,例如,虞敏等^[6]研究分析了近30 a祁连山南坡降水量年内分配与汛期降水量的变化特征; 马兴刚等^[7]结合大气降水中的稳定同位素研究分析了祁连山的水汽来源及输送过程,而关于降水数据精度检验和变化趋势方面的研究较少^[8]。祁连山作为西北地区不可或缺的生态屏障,验证该区域降水数据精度并分析其时空分布特征,对该地区的气候监测及分析、生态系统保护和区域可持续发展具有重要意义^[9],以期为祁连山等高寒地区的生态环境保护和资源开发等提供必要的气象理论支持。

祁连山(36°30'—39°30'N,93°30'—103°E)位于我国西北青海与甘肃两省的交界地带,东西绵延约1 000 km,南北宽200～400 km,西端在当金山口与阿尔金山脉相接,东至黄河谷地与秦岭、六盘山相连,北抵河西走廊,南至柴达木盆地。祁连山地区有三分之一的山脉海拔高于4 000 m,祁连山最高峰为团结峰,海拔5 828.6 m^[10]。祁连山以青海湖和哈拉湖为界被分为东、中、西三段。祁连山区具有大陆性气候与高山气候的特征,年均降水量300～700 mm左右,是一座天然“高山水塔”,同时也是我国河西内陆水系、青海内陆水系以及黄河上游水系的发源地^[11-12]。祁连山区分布有大量现代冰川及森林草原,是河西走廊绿洲灌溉的主要水源,因此,祁连山地区的气候变化会对当地社会经济发展产生重要影响^[13]。

本文利用了TRMM 3B43卫星降水数据并结合祁连山地区1998—2018年台站降水数据进行了精度检验,并对其时空分布特征与降水突变情况进行了研究。精度检验结果表明TRMM数据在祁连山地区适用性较好,在年尺度与月尺度上均与实测台站有较高的相关性,这与孙美平等^[24]关于祁连山最大降水高度带的研究结果基本相同。就整体而言,TRMM数据在祁连山地区表现出了一定程度的高估现象,其中在冬季高估现象最为明显。另外,发现在这一时期内降水量整体上有波动上升的趋势,该研究结论与虞敏等^[6]和陈志昆等^[8]对祁连山降水研究的结论大致相同。而本文关于祁连山降水季节分布的研究结论也与王海军等^[27]利用GIS研究祁连山区降水时空变化的结论基本一致。目前,TRMM卫星资料在低纬度地区的研究已经取得了一系列进展,例如嵇涛等^[28]验证了TRMM数据在川渝地区的精度; 史婷婷等^[29]利用TRMM数据对于福建省降水进行了时空格局分析; Su等^[30]结合TRMM资料,在南美洲拉普拉塔河流域帮助进行了水文模拟。而在较高纬度的高原地区,由于气候条件复杂、人迹罕至,气象站点的稀缺和损耗给精度验证带来了一定困难,还需要更多的研究结果来加以论证,因此在高原地区还需要投入更多的观测设备与研究精力来加深卫星对其探测效果的认知。总体而言,TRMM卫星在中低纬度的探测结果较为准确,精度较高,有着良好的应用前景,在研究手段日益多元化的今天,可以考虑将TRMM数据的利用从小范围推至大尺度,从而能够对区域降水有更加全面与宏观的把握; 而对于高原复杂地形区,可以考虑结合降尺度等一系列方法来进一步提高其精度^[31],为今后高原地带TRMM数据适用性研究提供更加准确的参考。

本文利用TRMM降水数据与实测台站数据进行了精度验证,但由于祁连山地区海拔较高、地形复杂,气象台站并未均匀分布在研究区内,对于缺少台站的部分区域,难以对其插值结果进行评估。因此,今后还需展开进一步深入的研究来加以验证。

祁连山地区降水呈现空间分布差异是由于东南暖湿气流提供大量水汽,而祁连山西段由于受到地形影响,导致降水量东西差异明显。从时间变化的角度来看,祁连山降水增加趋势的背后,实际上也是对全球气候变暖的响应,产生这一变化的原因可能是近年来祁连山地区局地农业开发导致灌溉面积扩大以及祁连山地区的植被覆盖情况呈现好转的趋势推动了当地“绿洲化”的过程,使得陆面实际蒸发和低层大气水含量增加,由此削弱了干燥区域雨滴降落时的蒸发效应,增强了临近区域降水频次^[32-33]。结合西北地区水资源总量缺乏的背景,降水量的增加推动了祁连山地区的农业生产建设,但也要警惕并防范降水增加后可能带来的一系列地质灾害,因此,相关部门需要加强对气候变化的监测和灾害预警,减缓雪灾、洪涝等极端事件带来的危害。

(1)TRMM卫星降水数据在祁连山地区整体精度良好,适用性较强,与实测台站数据的相关系数在年尺度和月尺度下分别为0.74,0.79,在季尺度下的相关系数略低于年尺度和月尺度,其中在降水最少的冬季最低,仅为0.44,相对误差达到了31.3%,存在明显的低值高估现象。

(2)从时空分布来看,祁连山地区降水量整体处于波动上升的变化趋势,一年中夏季降水所占比重最大,5—9月的降水量占据了全年降水量的80%以上; 多年平均降水量分布由于受到地形和大气环流的影响呈现自东向西递减的趋势。

(3)从Mann-Kendall突变检验分析来看,祁连山地区降水量在年尺度与季尺度上均表现出了一定的上升趋势,并出现了几次明显的突变增加,说明近21 a来祁连山地区降水整体上在经历波动变化之后有增加的趋势。