引言

长江三峡工程全称为长江三峡水利枢纽工程，是当今世界上建成的最大型水利枢纽工程。三峡工程局地气候影响是一个复杂、长期的气候调节过程，其对周边气候的影响一直都被关注和研究。Wu et al(2006)研究表明三峡大坝建成后大坝附近的降水有所减少，而大坝和秦岭山脉之间区域的降水有所增加。近年来，随着蓄水后气象观测资料序列长度的增加，不少研究表明蓄水后局地降水没有明显变化，三峡地区降水变化在很大程度上受到西南区域大环流气候背景影响(陈鲜艳等，2009; 2013；蔡庆华等，2010；张天宇等，2014)。

也有一些学者利用数值模式来模拟三峡库区的气候效应(张洪涛等，2004；李强等, 2011)。利用RegCM3区域气候模式研究三峡库区气候效应表明，水库对周边区域气温、降水的影响很小(吴佳等，2011)，对附近气候影响范围不超过20 km(中国气象局国家气候中心，2011；陈鲜艳等，2013；矫梅燕，2014)；冬季降水的减少很小，在距水面10 km以内的减少程度仅在1%~2%，夏季稍微大一些，在水面上为10%左右，而到10 km的地方已经衰减至5%以下(陈鲜艳等，2013；矫梅燕，2014)。相对气象台站观测资料和数值模拟，利用卫星资料来研究三峡库区的气候和气候效应仍然较少，冯茹等(2013)和高蕾等(2014)利用MODIS卫星资料研究三峡库区地表温度格局和三峡工程对库区地表温度的影响。李博和唐世浩(2014)利用TRMM 3B43卫星降水产品分析了三峡蓄水前后库区的局地降水变化。

近年来，卫星遥感数据在不同区域降水的应用和研究越来越多(王宝鉴等，2017；金晓龙等，2018；张夕迪和孙军，2018；何爽爽等，2018；桂海林等，2019)，受数据源和反演算法等因素的影响，不同卫星降水产品的精度表现各异(廖荣伟等，2015); 受气候类型、时间尺度和地形等因素的影响，同一卫星降水产品在不同区域的精度也存在差异(刘元波等，2011；郭瑞芳和刘元波，2015)。三峡库区地形复杂，气象站点分布不均匀，卫星降水数据在该地区的应用显得更为必要。基于TRMM单一卫星有一些研究，如在川渝地区(杨云川等，2013；嵇涛等，2014；2015;吴建峰等，2014a)、湖北省(王维琛等，2017)、长江流域(谷黄河等，2010；金秋等，2017)、三峡库区(李博和唐世浩，2014)都进行过精度评估或适用性分析，评估尺度主要集中在日、月和年尺度。而多种卫星降水数据在三峡库区的对比研究并不多。Li et al(2013)对TRMM3B42-V7、TRMM3B42-RT、PERSIANN、CMORPH等多种卫星降水产品在长江流域的适用性进行评价，表明大多数卫星降水产品不能有效捕捉冬季降水量。

本文以三峡库区为研究对象，将基于气象台站观测降水和TRMM、CMORPH两种卫星降水来分析三峡库区的局地降水变化，尤其是蓄水前后的降水变化对比；同时评估TRMM和CMORPH两种卫星降水对库区气象测站降水的反演效果，期望利用多源卫星结合测站降水数据研究得到一些有意义的结果，进一步提升对三峡库区气候及其影响的认识。

1 资料和研究区域

三峡工程地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原。三峡库区包含了长江流域因三峡水电站的修建从而被淹没的湖北省和重庆市所辖的部分区县(矫梅燕，2014)。三峡库区地处亚热带湿润季风气候，由于长江以北有大巴山山脉，延伸部分的神农架山地和长江以南的巫山山脉作为屏障，使得西伯利亚冷空气不易侵入，形成了四季分明，冬季温和、夏季炎热、雨量适中、雨热同季、温暖湿润的气候特点。库区年降水量在1 000~1 300 mm，自西向东呈多—少—多的分布格局，沿江河谷少雨，外围山地逐渐增多(矫梅燕，2014)。

三峡库区分布有35个国家基本气象观测站，海拔在177.9~786.9 m，包括湖北省12个站和重庆市23个站，分布见图 1。本文使用1998—2016年三峡库区35个国家气象站观测的逐小时降水资料，其经过了严格的质量控制(王新华等，2006；任芝花等，2010)。为了对比分析三峡库区干、支流和远、近库区降水变化，参照李博和唐世浩(2014)的研究，干流选择了万州、涪陵、奉节、巴东、巫山、宜昌6个气象站，支流选择了巫溪、兴山、彭水、五峰、恩施、梁平6个气象站。参考陈鲜艳等(2009)和张天宇等(2010)的研究，近库区选取了巫山、巴东2个代表气象站，长江以北远库区选取了巫溪、兴山2个代表气象站，长江以南远库区选取了恩施、建始2个代表气象站。

选取的两种来源的卫星资料分别是TRMM和CMORPH，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h，TRMM使用最新发布的TRMM3B42_V7版本；CMORPH采用最新发布的V1.0版本，即CMORPH CRT(郭瑞芳和刘元波，2015)，具体信息见表 1。两种卫星降水资料研究时段统一取为1998—2016年。此外，插值选用克里格插值方法，与普通的插值方法估计不同，克里格插值方法最大限度地利用了空间现有所提供的信息，使得这种估计比其他传统方法更精确更符合实际(高歌等，2007)。为了便于对比分析，把卫星数据插值到气象站点上，然后统计各气象站点上的日、月、季、年不同时间尺度的降水量。

2 二种卫星资料反演降水在库区的时空变化特征对比分析

基于气象观测站和两种卫星降水资料首先分析三峡库区各季节气候平均降水的变化及其卫星资料对测站降水的反演效果。图 2表示测站资料与卫星资料的季节平均日降水量分布。图中TRMM和CMORPH在春、夏、秋三个季节的降水反演空间分布和降水量均接近观测资料的特征，冬季在三峡库区西侧降水估计偏低，而CMORPH在三峡库区中部明显高估了降水量。图 3给出了相应的季节平均日降水量散点图，由图可见，四个季节TRMM分布都相比CMORPH更接近测站，相关系数相对更高，均方根误差相对更小，除夏季外相对误差也最小。两种卫星资料在冬季都有不同程度的降水估计偏少，和图 2中冬季降水分布一致。

图 4为卫星日降水与测站资料分布的散点图，测站降水在1 mm以下表现为分离的竖线，原因是测站资料的降水值最小计量为0.1 mm，依次累计得到观测值。由图可见，TRMM和CMORPH都比较接近观测值的分布，多数点分布在1：1的黑色实线周围。CMORPH数据在4~32 mm区间最优，TRMM略逊之。它们的相关系数(CC)、均方根误差(RMSE)和相对误差(BIAS)见表 2，其中CMORPH的相关系数为0.86, 均方根误差为4.53，相对误差为-0.20%；TRMM的相关系数0.84，均方根误差4.68，相对误差-3.27%。

综合来看，TRMM和CMORPH卫星降水对三峡库区气象测站降水的反演效果都较为理想。从日和季节尺度变化来看，季尺度上CMORPH略逊于TRMM；日尺度上TRMM略逊于CMORPH。有研究表明，CMORPH和TRMM的降水反演能力受地形影响较大(白爱娟等，2011；Fu et al，2006)，三峡库区地形复杂，海拔在34~2 854 m(图 1)，库区卫星降水反演能力在一定程度上会受地形影响。此外，三峡库区大部分地区多云和多大雾天气，尤其在冬季，如重庆冬季雾日占全年雾日的41%(张天宇等，2014)；高层易被大陆性云所覆盖，因而低层与降水有关的层云难被卫星探测到(刘俊峰等，2010)，这可能是导致冬季降水反演效果明显低于其他季节的原因之一。

参照李博和唐世浩(2014)的做法，基于测站和两种卫星资料的干、支流降水的变化特征进行对比分析。选取的干流气象站点依次为万州、涪陵、奉节、巴东、巫山和宜昌站，支流气象站为巫溪、兴山、彭水、五峰、恩施和梁平站，它们的逐年变化如图 5所示。由图可见，干流和支流站点的降水变化总体上是比较一致的，各站点的降水量均具有较强的年际变化特征，与整个三峡库区年降水量的变化比较一致(图 5a)。TRMM卫星资料能大致重现测站降水的年际变化特征，部分干流和支流站点的波动变化特征与观测结果有一定差异，例如万州和沙坪分坝站在2010—2016年降水量的年际变化较为剧烈，来凤站在2001—2008年波动振幅也明显大于观测结果(图 5b)。CMORPH卫星数据的降水年际波动振幅总体上偏大，沙坪坝和涪陵站在1998—2010年年降水量反演偏少，五峰站年降水量反演偏多，万州站在2010年以后年降水量反演也偏多(图 5c)。

接下来对主要干、支流站点的降水反演效果进行比较，见图 6。对于大多数干流气象站，降水量较高的年份有2002、2003、2008、2011、2014和2016年，而降水量较低的年份为2001、2006和2012年。它们的变化特征与整个库区平均降水量的变化相符。两种卫星资料的反演效果在各个干流站点皆有不同，TRMM资料相对更接近测站值的变化，CMORPH资料在万州、奉节、巫山站的降水波动曲线明显高于测站值。在三峡库区蓄水以后，干流气象站的降水变化差异增大，譬如2006—2011年间，万州、巴东、巫山站的降水年际波动比较明显，而涪陵和宜昌站的年际波动较弱。相比于测站资料，两种卫星资料在这个时段的年际变化都比较明显，尤其年际波动较弱的测站更为显著。实测资料和卫星反演的多年平均年降水量如表 3所示，CMORPH在万州和奉节站的降水反演较多，TRMM在巴东和宜昌站的降水反演较少，与图 6的结果一致。

支流气象站的降水变化与干流站点存在一定的差异，不过降水量高低值的年份与干流站点接近，波动趋势在总体上也较为相似。CMORPH巫溪和彭水站都最接近测站值，五峰站明显高于测站值。TRMM与CMORPH变化趋势相似，不过在梁平和兴山站都比CMORPH更接近测站值。库区蓄水后，五峰站年降水量变化相对平稳，其他各站都表现出较为明显的年际波动，波峰波谷间相差可达600 mm以上，如彭水和恩施站2006年均为波谷，2008年到达波峰，年降水量相差800 mm左右。对测站资料的年际波动，CMORPH资料在巫溪站符合度较高，彭水站虽然在2008年左右反演效果不错，但在2013年出现反位相变化。TRMM资料在恩施和梁平站与测站资料的变化较为一致，其他站点降水波动比测站资料更平稳(图 7)。测站资料和卫星反演的多年平均年降水量如表 3所示，CMORPH在五峰站的降水反演较多，TRMM在恩施站的降水反演较少，与图 7的结果一致。

3 蓄水前后局地降水变化对比

图 8给出了基于测站和两种卫星资料的三峡库区蓄水前后的季节降水变化差值场。图中测站结果分布与李博和唐世浩(2014)的研究结果大致相同，些许差异主要是选取的年份不同。首先分析测站资料所呈现出的季节降水变化特征，三峡库区春季降水总体上有所减少，上游个别地区降水增加；夏季降水也呈现出总体减少的趋势，上游地区和部分中下游干流区域的雨量减少较为明显；秋季降水总体上呈增长趋势，下游个别地区降水减少；冬季大部分库区降水增加，部分中游支流地区降水减少。

接下来比较卫星资料反演的情况。TRMM和CMORPH能反映出季节内降水变化的区域特征，不过TRMM在春季没有反映出上游部分支流区域降水增多的特征，CMORPH在秋季全场一致降水增多，没有反映出下游部分区域降水减少的变化。两种卫星资料对冬季降水反演效果均不理想，降水变化的高值中心有所偏移。

三峡库区蓄水前后年平均日降水变化的对比，李博和唐世浩(2014)利用TRMM和测站资料研究表明31°N以南的大部分地区降水都是减少的，本文研究结果(图略)与之一致；但降水增多的区域位于长江以北地区，本文研究结果显示在库区中游北部雨量增多。三峡库区蓄水前后的降水差异在重庆区域与周李磊等(2017)用1998—2014年的降水资料求出的变化趋势相同。TRMM卫星资料表现出上游和下游地区降水减少，中游地区降水增多的三极型降水变化，在库区中游北部降水偏多，与测站结果大致相符。CMORPH资料虽然也能体现出三峡库区北侧降水偏多的变化特征，但在三峡库区中上游降水增加，与测站结果不符。

据徐新创等(2014)对中国降水量的变化趋势研究方法，对三峡库区蓄水前后的雨日变化和降水强度变化趋势进行比较分析。采用最小二乘法计算不同等级降水值与相应年份的线性回归系数，得到降水倾向率b。按照同样的方法计算得到降水日数变化趋势b_f。根据Karl and Knight (1998)对雨日变化趋势和雨强变化趋势的计算方法，对不同等级降水事件计算其雨日变化和平均降水量，求出雨日变化导致的降水量的变化趋势。由于降水强度的变化可能会越级改变上一级降水日数的变化，它们对降水量的变化产生的作用不容易分离，因此暂不继续研究二者的相对贡献大小。

三峡库区蓄水前后降水强度的变化引起的降水量变化趋势如图 9和图 10所示。由于库区蓄水前降水强度的计算涉及年份较少(1998—2003年)，降水强度影响降水变化的趋势相对较大。库区蓄水前小雨和中雨的降水强度在中下游地区有明显的上升趋势，而在上游地区呈现出下降趋势。大雨量级的降水强度在中上游地区有所增加，但在下游地区又有所减小。暴雨量级的降水强度在上游和下游地区都有所增加，但在中游地区有所减弱。两种卫星资料的降水强度变化总体来看都有一定的误差, CMORPH分布相比TRMM更接近测站资料的变化趋势。CMORPH卫星资料的小雨强度变化不明显，中雨和大雨的强度贡献都比较接近测站结果，暴雨贡献在中游地区偏大而在下游地区偏小。TRMM卫星资料在四个量级降水事件中反演效果较好的是大雨，降水强度在中上游地区有所增加，但在下游地区又有所减小，强度贡献偏大，与测站资料结果略有偏差。小雨的强度贡献与观测资料相比，在中下游强度贡献偏小，而上游强度贡献偏大。中雨在下游的强度贡献与观测资料较为一致，但对中上游反演效果较差。暴雨贡献在中游地区偏大而在下游地区偏小。

三峡库区蓄水后降水强度对降水量的贡献相对减弱，主要原因是涉及年份较多，变化趋势减缓(图 10)。卫星资料反演效果与三峡库区蓄水前的反演效果相似，两种卫星资料的降水强度变化总体来看都有一定的误差。同样，CMORPH资料分布相比TRMM更接近测站资料的变化趋势。

从三峡库区蓄水前后雨日变化对降水的贡献来看(图略)，两种卫星资料的雨日贡献总体来看都有一定的误差，CMORPH资料分布相比TRMM更接近测站资料的变化趋势。库区蓄水后上游地区的降水日数贡献有明显增加(中雨量级到暴雨以上)，且降水日数的贡献分布较为均匀。对比测站资料，两种卫星资料反演的中雨和大雨的降水日数贡献偏低，而对小雨的反演则出现中游明显偏高。总体反演效果比较则与蓄水前一致，CMORPH表现比TRMM略好些。

参考Dyrrdal et al(2018)对夏季降水频率(SWF)和夏季总降水量(SWT)的定义，降水频率采用3 h资料进行计算，当降水量超过0.5 mm时记为一次降水事件，这些降水事件的雨量之和即为总降水量。本文利用该方法对四个季节的降水反演效果进行比较。三峡库区蓄水前后卫星资料的各季节3 h降水频率反演误差如图 11所示。总体来说，三峡蓄水前后卫星资料在春、秋季的反演效果差别不明显(图 11a，11c)，夏季降水频率的卫星反演误差在库区蓄水后有所增大(图 11b)，冬季降水频率的卫星反演效果变化各不相同(图 11d)。具体来说，库区蓄水后CMORPH资料在春季的降水频次误差分布范围有所收敛，TRMM资料则有所增大；CMORPH和TRMM资料在夏季的误差中值和分布范围都有所增大；秋季CMORPH资料误差分布范围有所增大，TRMM资料误差中值和分布范围蓄水前后变化不明显；冬季TRMM资料的误差中值在库区蓄水后明显减少，同期CMORPH资料的误差分布范围也有所收敛。在两种卫星资料对三峡库区蓄水前后各季节降水频率的反演中，CMORPH反演效果要略优于TRMM。TRMM资料一般容易高估降水频率；对冬季降水频率反演效果不稳定，误差浮动范围较大。

三峡库区蓄水前后卫星资料的各季节3 h降水量反演误差如图 12所示。对比蓄水前，蓄水后春季和夏季两种卫星资料反演误差增大，主要表现为误差中值增大(图 12a，12b)；秋、冬季TRMM资料反演效果有所改善，误差的中值和误差分布范围均变小；CMORPH资料在秋、冬季节的反演误差增大，主要表现为误差中值的绝对值增大。对比两种卫星资料对三峡库区蓄水前后3 h降水的反演效果，CMORPH反演效果要优于TRMM。TRMM在四个季节中一般容易高估降水量，降水频次也偏多(图 11)。

从三峡库区季节降水频率分布来看(图略)，蓄水前后略有差别，可能与库区蓄水前降水频率的计算涉及年份相对较少(1998—2003年)有关。两种卫星资料中，CMORPH资料的四个季节的降水频率分布都与测站资料比较接近，仅在冬季略高于测站降水频率；同样TRMM资料在冬季的反演也易高估降水频率，且程度大于CMORPH。两种卫星资料的降水频率分布总体来看都有一定的误差，但这种误差在蓄水前后变化不明显。从三峡库区季节降水量分布来看(图略)，与降水频率相似，总降水量在蓄水前后也略微有所差别，CMORPH资料反演效果相对TRMM好，其四个季节的分布情况与测站资料都较为接近。TRMM资料对春季、秋季和冬季的降水量都有高估的情况，这样的误差同样几乎不因库区蓄水而改变。

三峡库区蓄水前后测站资料和卫星反演的年平均累计降水量在干、支流站点的变化如表 4和表 5所示。CMORPH资料对于干流站点在蓄水前的降水反演效果总体上与测站结果一致，但蓄水以后降水反演偏多，其中最典型的是万州站和奉节站:其2004—2016年的年平均降水量的测站值分别为1 125.8和967.1 mm，但卫星反演数据显示为1 334.7和1 221.2 mm。TRMM资料对干流站点的降水反演平均值在蓄水前偏少，例如涪陵站的测站值为1 184.3 mm，而TRMM反演值为1 084.3 mm。蓄水后TRMM反演误差降低，比CMORPH更接近测站结果。卫星资料对支流站点的年平均降水量的反演效果有一定差异。在蓄水前CMORPH容易低估降水量，例如彭水站的测站均值为1 324.1 mm，而CMORPH数据仅为1 112.6 mm。TRMM资料虽然也存在低估降水量的情况，但总体误差比CMORPH小。库区蓄水后CMORPH的年平均降水量反演误差在不同站点间差异较大，例如五峰站测站值为1 184.1 mm，CMORPH值为1 325.0 mm，明显高估了降水量；而恩施站测站值为1 397.0 mm，CMORPH值为1 188.1 mm，明显低估了降水量。相比之下，TRMM资料的误差相对较小。

为了进一步分析蓄水前后三峡库区的局地降水变化，参照陈鲜艳等(2009)和张天宇等(2010)的方法，选取近库区(巫山、巴东)、长江以北远库区(巫溪、兴山)和长江以南远库区(恩施、建始)的代表站，对蓄水前后的远近库区降水量比值的变化进行分析。测站资料结果显示蓄水对库区年降水量的影响不明显，没有造成显著的上升或下降趋势，远近库区年降水量的比值呈平稳波动状态，表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化。近库区与江北远库区的比值普遍高于近库区与江南远库区的比值(图 13a)，与张天宇等(2010)和陈鲜艳等(2014)的研究结果相符。TRMM资料的远近库区降水量之比与测站结果比较接近，年际波动相对平稳，江南与江北远库区年降水量的差异略微偏少(图 13b)。CMORPH资料也能再现测站资料的平稳波动变化特征，但江南与江北远库区年降水量的差异较少，近库区与江北远库区的比值偏低(图 13c)。

4 结论

综合以上分析，得到以下结论：

(1) 1998—2016年三峡库区TRMM和CMO-RPH卫星降水年际变化特征总体上与气象观测站相符，反演效果日尺度TRMM略逊于CMORPH，季尺度CMORPH略逊于TRMM；两种卫星资料对冬季降水反演效果都偏弱。

(2) 1998—2016年三峡库区干流和支流站点的降水变化总体一致，干、支流站点的降水波动趋势较为相似，各站点降水量均具有较强的年际变化特征。TRMM能大致重现测站降水的年际变化特征，CMORPH降水年际波动振幅总体上偏大。TRMM在大多数干流站点的反演效果优于CMORPH。TRMM和CMORPH对于支流站点的降水反演各有优劣。

(3) 蓄水前后时段(1998—2003年与2004—2016年)对比，从不同等级降水的强度和雨日变化、3 h资料计算的季节降水频率和总量等指标反演效果来看，CMORPH分布相比TRMM更接近测站的变化趋势，反演效果略优于TRMM。但两种卫星的降水频率和降水量分布与测站的误差在蓄水前后变化都不明显。此外，气象测站、TRMM、CMORPH资料都表现出蓄水后三峡远、近库区年降水量的比值呈平稳波动状态，没有显著的上升或下降趋势，表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化。

本文旨在利用多源卫星和气象观测站降水来分析三峡库区的局地降水变化和卫星资料对库区降水的反演效果，没有涉及更多的天气气候背景，对卫星反演测站的误差来源及成因也缺乏深入探讨。今后更多来源的卫星遥感资料在三峡库区气候及气候效应方面的研究，能进一步提升对该区域气候及其影响的认识。