何 忠,楊紹鍔,謝國(guó)雪,陳燕麗,黃啟廳,蘇秋群,張家玫
(1.廣西農(nóng)墾集團(tuán)有限責(zé)任公司,廣西南寧 530022;2.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,廣西南寧 530007;3.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所,廣西南寧 530022)
降水是全球水循環(huán)的基本組成之一[1],降水時(shí)空分布直接影響淡水資源供給和生態(tài)系統(tǒng)維持,與洪水、干旱、泥石流等災(zāi)害具有密切聯(lián)系。準(zhǔn)確掌握降水時(shí)空分布特征對(duì)水資源管理、災(zāi)害防控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域都具有極其重要的意義[2]。
傳統(tǒng)的降水?dāng)?shù)據(jù)獲取以地面雨量站觀測(cè)為主,雖然在數(shù)據(jù)上具備較高精度,但在空間分布及密度上存在諸多不足,難以提供精準(zhǔn)的降水時(shí)空分布特征[3]。經(jīng)過(guò)近幾十年的迅速發(fā)展,衛(wèi)星遙感為全球降水監(jiān)測(cè)提供了可靠的技術(shù)支撐,成為了全球降水監(jiān)測(cè)的有效手段[2,4]。其中Global Precipitation Measurement mission (GPM)系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)是當(dāng)前最具代表性的全球降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。GPM是用于全球降水觀測(cè)的國(guó)際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),由美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)、日本宇航探索局(JAXA)創(chuàng)辦,并由包括法國(guó)航天局、印度空間研究組織和歐洲氣象衛(wèi)星開(kāi)發(fā)組織等國(guó)際空間研究機(jī)構(gòu)共同參與運(yùn)行。GPM衛(wèi)星于2014年2月27日發(fā)射,在繼承了TRMM[5,6]探測(cè)大中型降水的能力之外,GPM還搭載了最新的雙頻雷達(dá)系統(tǒng)并改進(jìn)了微波輻射計(jì)的性能,提高了對(duì)弱降水和固態(tài)降水的探測(cè)能力[7],眾多學(xué)者研究結(jié)果都顯示,GPM具有較高的降水監(jiān)測(cè)精度[8-10]。東南亞國(guó)家聯(lián)盟(Association of Southeast Asian Nations,ASEAN,簡(jiǎn)稱東盟),現(xiàn)由馬來(lái)西亞、印尼、泰國(guó)、菲律賓、新加坡、文萊、越南、老撾、緬甸和柬埔寨共10個(gè)成員國(guó)組成。東盟是我國(guó)“一帶一路”國(guó)際合作的重要伙伴,也是和中國(guó)山水相連的近鄰。近年來(lái),隨著中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)進(jìn)程不斷深入,中國(guó)與東盟各國(guó)的合作交往日趨增多。準(zhǔn)確掌握東盟各國(guó)的降水時(shí)空特性,是研究東盟各國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的重要基礎(chǔ),可為制定相關(guān)對(duì)內(nèi)、對(duì)外政策提供關(guān)鍵參考依據(jù)。為此,本文基于2015-2017年的GPM系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)集,對(duì)東盟區(qū)域及東盟各國(guó)分別開(kāi)展降水時(shí)空變化特征分析。
GPM提供了多種不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品,可通過(guò)NASA官方服務(wù)網(wǎng)站下載(https://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm)。本研究采用的是3級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品3IMERGM_GIS數(shù)據(jù)集,時(shí)間跨度從2015年1月至2017年12月共36個(gè)月。結(jié)合 GPM 攜帶的傳感器數(shù)據(jù)和地球同步衛(wèi)星數(shù)據(jù),并根據(jù)國(guó)際氣象中心發(fā)布的雨量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得出GPM IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品[11];該數(shù)據(jù)集包含全球月平均降水速率數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為月,空間分辨率為0.1°,數(shù)據(jù)單位為0.001 mm/h。
1.2.1 全范圍數(shù)據(jù)裁剪
為減少計(jì)算過(guò)程的數(shù)據(jù)量,提高數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)行速度,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理。為保證裁剪后數(shù)據(jù)的完整性,將東盟十國(guó)行政邊界向外擴(kuò)展1°(約111 km),應(yīng)用ENVI/IDL平臺(tái)調(diào)用數(shù)據(jù)裁剪功能(Subset),基于擴(kuò)展邊界進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪(圖1)。
1.2.2 降水量計(jì)算
3IMERGM_GIS數(shù)據(jù)集的影像像元值為降水速率,為獲取不同月份的降水量數(shù)據(jù),通過(guò)以下公式將降水速率轉(zhuǎn)換為降水量:
P=1000V×T,
式中P為降雨量,單位為mm;V為降水速率,單位為0.001 mm/h;T為對(duì)應(yīng)月份的小時(shí)總數(shù),單位為h。
圖1 數(shù)據(jù)裁剪前后效果對(duì)比
1.2.3 數(shù)據(jù)重采樣及平滑
東盟十國(guó)降水量裁剪影像空間分辨率為0.1°(約11 km),每個(gè)像元的空間跨度較大,而部分東盟國(guó)家國(guó)土面積較小,例如新加坡的國(guó)土面積只有714 km2,在0.1°空間分辨率影像中難以呈現(xiàn)小區(qū)域范圍的降水量變化細(xì)節(jié)。因此將影像分辨率從0.1°轉(zhuǎn)換成0.005°,并對(duì)轉(zhuǎn)換后的0.005°影像進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑。影像分辨率轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)平滑均在ENVI/IDL平臺(tái)中進(jìn)行,其中分辨率轉(zhuǎn)換使用Resize模塊,選用最近鄰點(diǎn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣;數(shù)據(jù)平滑使用的是IDL“SMOOTH”函數(shù),運(yùn)用boxcar平均進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算,變換核大小是30×30 (圖2)。
圖2 數(shù)據(jù)平滑前后效果對(duì)比
1.2.4 年度影像合成
年度降水量影像生產(chǎn)依托各月降水影像,在經(jīng)過(guò)以上步驟獲取各月降水影像基礎(chǔ)上,將不同年份的1-12月降水影像進(jìn)行求和計(jì)算,生成年度降水量影像。年度影像合成利用ENVI軟件平臺(tái)的波段計(jì)算功能,編寫求和公式并選取對(duì)應(yīng)月份影像進(jìn)行求和匯總。
1.2.5 影像裁剪及降水量統(tǒng)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)東盟全境及各國(guó)降雨量的統(tǒng)計(jì)分析,應(yīng)用ENVI/IDL平臺(tái)的數(shù)據(jù)裁剪功能(Subset),依據(jù)東盟和各個(gè)國(guó)家的矢量邊界,對(duì)平滑后的月降水量影像及年度降水量合成影像進(jìn)行裁剪,分別獲取東盟及各個(gè)國(guó)家的月降水量及年度降水量影像。
利用ENVI軟件的波段計(jì)算功能,將2015-2017年總共3期的年度降水量進(jìn)行平均,獲得2015-2017年?yáng)|盟全境的年平均降水量。
基于各國(guó)月度及年度影像進(jìn)行降水量平均值計(jì)算,得到各國(guó)月降水量及年降水量。降水量計(jì)算公式為
式中P為降雨量,單位為mm;Pi為降水影像像元數(shù)值,單位為mm;n為各國(guó)范圍內(nèi)降水量影像像元總數(shù)量。
根據(jù)2015-2017年降水量數(shù)據(jù)(表1)顯示,東盟十國(guó)中年平均降水量最大的國(guó)家為文萊,達(dá)到了3 445 mm,其余依次為馬來(lái)西亞、印尼、菲律賓、新加坡、緬甸、越南、老撾、柬埔寨、泰國(guó)。東盟國(guó)家降水普遍較充沛,年平均降水量都超過(guò)1 600 mm。其中文萊、馬來(lái)西亞、印尼同屬熱帶雨林氣候,常年炎熱多雨,文萊和馬來(lái)西亞的年平均降水量超過(guò)了3 000 mm,印尼的年平均降水量也接近3 000 mm,2017年文萊的年降水總量甚至達(dá)到了4 024 mm。新加坡和菲律賓的年平均降水量超過(guò)2 400 mm,相對(duì)于文萊、馬來(lái)西亞、印尼三國(guó)的降水量有所減少,但2017年總降水量也達(dá)到了2 938和2 966 mm,2015年總降水量也有1 872和2 067mm,可見(jiàn)這兩個(gè)國(guó)家的降水量也十分充沛。其余國(guó)家中,緬甸和越南的年平均降水量在2 000 mm以上,老撾和柬埔寨的年平均降水量超過(guò)1 800 mm,而泰國(guó)降水量則相對(duì)較少,在2014年降水量只有1 439 mm,是東盟十國(guó)中年平均降水量最少的國(guó)家。
東盟各國(guó)的降水量最大值均出現(xiàn)在2017年,東盟十國(guó)中除了文萊和柬埔寨以外,其余國(guó)家降水量都是逐年增加。然而由于此次研究只使用了2015-2017年總共3年的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量較少,尚不足以斷定東盟地區(qū)具有降水量逐年升高的趨勢(shì)。
2015-2017年?yáng)|盟全境年平均降水量空間分布如圖3所示。由圖3可見(jiàn),東盟各國(guó)降水空間分布差異顯著,文萊、馬來(lái)西亞、印尼、新加坡、菲律賓等熱帶海島國(guó)家的降水量較大,而柬埔寨、泰國(guó)、越南、老撾、緬甸等位于中南半島的國(guó)家降水量相對(duì)較少,尤其在緬甸中部、泰國(guó)北部、柬埔寨中部等區(qū)域,是東盟降水最少的地區(qū)。降水量較大的區(qū)域集中出現(xiàn)在馬來(lái)西亞中部、菲律賓東部、緬甸南部沿海地區(qū)及印尼各主要島嶼。
根據(jù)2015-2017年各國(guó)各個(gè)月份的降水量數(shù)據(jù),計(jì)算各月的3年平均降水量,并分別統(tǒng)計(jì)各國(guó)5-10月降水量占全年總降水量的比例,結(jié)果如表2所示。同時(shí),分別制作各國(guó)的月降水量柱狀圖,結(jié)果如圖4所示。根據(jù)表2和圖4結(jié)果對(duì)各國(guó)的降水季節(jié)性變化特征進(jìn)行分析。
表1 東盟各國(guó)年度降水量統(tǒng)計(jì)表(mm)
圖3 2015-2017年?yáng)|盟年度平均降水量空間分布圖
表2 各國(guó)5-10月降水量占全年降水量比例
2.2.1 文萊
終年多雨,降水豐富,2015-2017年各月降水量均在100 mm以上,各月的3年平均降水量都超過(guò)或接近200 mm,沒(méi)有明顯的干濕季節(jié)變化。其中2月和3月降水相對(duì)偏少,2015年3月最低,為118 mm;而1月、10-12月平均降水量超過(guò)350 mm,最高值出現(xiàn)在11月,為401 mm,是文萊降水最豐富的時(shí)段。
2.2.2 印尼
本研究的熒光素酶報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)中我們發(fā)現(xiàn)在TSCC細(xì)胞中,miR-219的過(guò)表達(dá)能夠降低PRKCI野生型報(bào)告基因載體的熒光活性,qRT-PCR實(shí)驗(yàn)和Western blot實(shí)驗(yàn)還分別表明miR-219能夠抑制TSCC細(xì)胞中PRKCI的mRNA的表達(dá)以及PRKCI蛋白的表達(dá),證明PRKCI基因是miR-219的靶基因。
月平均降水量最高值為4月的299 mm,11月平均降水量為296 mm;8月平均降水量最低,為165 mm;6-10月是全年中降水相對(duì)較少的時(shí)段,8月是全年降水量的谷底。各月平均降水量均在150 mm以上,降水充沛,干濕季節(jié)差異不明顯。
2.2.3 馬來(lái)西亞
常年降水較多,各月平均降水量都在190 mm以上,無(wú)明顯干濕季節(jié)變化,11月至次年1月是降水最豐富的時(shí)段,平均降水量11月最高,為350 mm。
2.2.4 新加坡
常年潮濕多雨,月降水量變化波動(dòng)較小,10月至次年1月降水相對(duì)集中,2月和3月降水量略微減少。3年平均降水量最大值出現(xiàn)在11月,為329 mm,最小值出現(xiàn)在3月,為141 mm。
2.2.5 菲律賓
2-4月是全年降水相對(duì)較少的時(shí)段,形成降水谷底,其中2016年3月降水量只有38 mm,是2015-2017年中降水量最少的月份;5月降水開(kāi)始增多,降水持續(xù)到次年1月,進(jìn)入雨季后降水量增長(zhǎng)較快,雨季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),降水量十分充沛;月平均降水量最高值出現(xiàn)在10月,為312 mm。
2.2.6 柬埔寨
降水主要集中在5-11月,其降水總量占全年降水量的91.1%,各月平均降水量都在120 mm以上,9月的平均降水量最高達(dá)到了320 mm;12月至次年4月降水明顯減少,2月的平均降水量只有11 mm,在2016年2月降水量?jī)H為3 mm,全月幾乎沒(méi)有降水。全年呈現(xiàn)雨旱季節(jié)明顯交替的特點(diǎn)。
呈現(xiàn)明顯的干濕季節(jié)性變化特點(diǎn),降水集中在5-10月,其降水總量占全年降水量的82.8%,各月平均降水量都超過(guò)140 mm,7月的平均降水量最高,為386 mm;進(jìn)入11月至次年4月降水量明顯減少,2月的平均降水量最低僅有14 mm。
2.2.8 緬甸
降水分布具有明顯的季節(jié)規(guī)律性,降水主要集中在5-10月,其降水總量占全年降水量的90.2%,在7月達(dá)到峰值(平均降水量為460 mm);11月至次年4月降水明顯減少,2月是全年降水最少的時(shí)段,平均降水量只有11 mm。
2.2.9 越南
5-11月降水量較大,均超過(guò)了175 mm,9月達(dá)到峰值(平均降水量為297 mm),5-11月降水總量占全年降水量的83.7%;12月至次年4月降水量相對(duì)減少,2月為全年降水最少的時(shí)段,平均降水量為23 mm。全年干濕季節(jié)變化明顯。
2.2.10 泰國(guó)
降水主要集中在5-10月,其降水總量占全年降水量的80.9%,各月平均降水量都在180 mm以上,7月的平均降水量最高,為275 mm;11月至次年4月降水明顯減少,2月降水最少,平均降水量為14 mm,全年雨旱季節(jié)交替特點(diǎn)明顯。
圖4 2015-2017年?yáng)|盟各國(guó)月降水量變化圖
根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果可見(jiàn),東盟各國(guó)降水均非常充沛,但降水的區(qū)域分布和時(shí)間分布在各國(guó)差異較大。從地理位置分布上看,處于南洋群島的文萊、印尼、馬來(lái)西亞、新加坡和菲律賓的年降水量總體上大于處于中南半島的柬埔寨、老撾、緬甸、越南、泰國(guó);具體空間分布上,馬來(lái)西亞中部、菲律賓東部、緬甸南部沿海地區(qū)及印尼各主要島嶼是降水相對(duì)集中的區(qū)域,而緬甸中部、泰國(guó)北部、柬埔寨中部等是東盟降水最少的地區(qū)。文萊、印尼、馬來(lái)西亞受熱帶雨林氣候影響,常年高溫多雨,降水豐富,年平均降水量在3 000 mm左右,各月的平均降水量均接近或者超過(guò)200 mm,一些月份的平均降水量達(dá)到300 mm,個(gè)別月份甚至超出400 mm,是東盟十國(guó)中降水量排行前三的國(guó)家。新加坡和菲律賓的年降水量雖然少于文萊、印尼、馬來(lái)西亞三國(guó),但各月的平均降水量較大,例如菲律賓2-4月降水量相對(duì)其他月份較少,平均降水量也都接近或超過(guò)80 mm??梢?jiàn)文萊、印尼、馬來(lái)西亞、新加坡和菲律賓五國(guó)常年潮濕多雨,無(wú)明顯旱、雨季之分。地理位置同處中南半島的柬埔寨、老撾、緬甸、越南、泰國(guó)五國(guó),受到熱帶季風(fēng)氣候的影響,降水顯現(xiàn)出比較一致的分布規(guī)律,通常在5-11月降水相對(duì)集中,這7個(gè)月的降水量占全年降水量的80%以上,在緬甸和柬埔寨甚至90%以上降水都集中在這個(gè)時(shí)段,而12月至次年4月的降水量只占不到10%,形成了明顯的旱、雨季交替的現(xiàn)象。
此次研究中東盟各國(guó)呈現(xiàn)出不同的降水時(shí)空變化特征,相關(guān)結(jié)果有望為東盟各國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的研究提供幫助,也可為相關(guān)涉農(nóng)企業(yè)在種植基地選址、種植品種選取、種植計(jì)劃制定等方面提供參考。但需指出的是,此次研究采用的是GPM衛(wèi)星降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),有別于地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。雖然眾多學(xué)者的研究結(jié)果都表明GPM降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高,但兩套數(shù)據(jù)仍存在著一定的區(qū)別,GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)可以很好地反映區(qū)域降水特征,而氣象觀測(cè)站點(diǎn)只能獲取點(diǎn)數(shù)據(jù),區(qū)域代表性有限。此次研究結(jié)果中GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)很好地反映出了東盟各國(guó)的空間分布和時(shí)序變化特征,但同時(shí)也要注意其絕對(duì)值與氣象站點(diǎn)觀測(cè)值有偏差,建議謹(jǐn)慎使用相關(guān)降水量數(shù)值。