基于TRMM降水数据的不同时间尺度降水特征分析——以内蒙古地区为例

第52卷第4期
2021年4月
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㊀
人㊀民㊀长㊀江
Yangtze㊀River
㊀
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Vol.52,No.4Apr.,2021
收稿日期:2020-04-30
基金项目:国家自然科学基金项目(41661009);内蒙古自治区自然科学基金项目(2017MS0408);内蒙古自治区高等学校科学
研究项目(CXJJS19149)
作者简介:刘月璇,女,硕士研究生,研究方向为生态地理学㊂E -mail :1810117851@
通讯作者:于红博,女,副教授,博士,研究方向为生态建模及遥感图像处理㊂E -mail :1106275721@
㊀㊀文章编号:1001-4179(2021)04-0107-09
基于TRMM 降水数据的不同时间尺度降水特征分析
以内蒙古地区为例
刘月璇1,于红博1,2,张巧凤1,2,马梓策1
(1.内蒙古师范大学地理科学学院,内蒙古呼和浩特010022;㊀ 2.内蒙古师范大学遥感与地理信息系统重点实验室,内蒙古呼和浩特010022)
摘要:为全面细致地研究内蒙古地区降水的时空变化,利用2001~2018年气象站实测的降水数据对TRMM 3B43V7降水产品进行精度评估,并基于TRMM 数据采用Sen -MK 检验和变异系数法对内蒙古地区进行降水时空特征分析㊂结果表明:①月㊁季㊁年尺度TRMM 降水数据与气象站点实测数据之间呈显著正相关,拟合优度均达到0.85(P <0.01)以上,具有较好的一致性㊂②在时间分布上,年降水量介于228.95~403.80mm 之间,多年平均值为301.59mm ,近18a 降水量呈上升趋势,上升速率为44.96mm /(10a ),2011年是降水累积量由下降至上升的转折点㊂除了春季,其余季节的降水均呈上升趋势,其中夏季和秋季是年降水量增加的主要贡献者㊂③在空间分布上,降水量由内蒙古的东北向西南呈条带状逐渐减少,大部分地区降水有增加的趋势㊂降水量减小的地区主要位于西部的阿拉善高原,且其降水波动最为剧烈,东部降水量变化较为均衡㊂四季降水量呈增加趋势的面积均高于呈减小趋势的面积,其中,夏季降水量呈显著增加趋势的面积为四季中最大㊂
关㊀键㊀词:降水量;精度评估;时空分析;TRMM ;内蒙古地区中图法分类号:P426.61㊀㊀㊀文献标志码:A
DOI :10.16232/ki.1001-4179.2021.04.017
㊀㊀2013年IPCC 第五次气候变化评估报告指出,全球变暖的现象一直在持续,这将会导致水循环的重大变化[1-2]㊂降水作为一个水分通量连接着大气过程和地表过程,是水循环的重要组成部分,也是区域水资源评价的重要内容[3]㊂降水常受气候变化㊁生态环境演变及人类活动等各种因素的影响,对人类的生产生存有着至关重要的作用[4-5]㊂内蒙古自治区位于中国的北部边疆,属于干旱半干旱气候向东南沿海湿润半湿润气候延伸的过渡带,地形复杂,生态环境脆弱,其气候的敏感性和多样性使之成为全球气候最为敏感的区域之一,且该区跨度大,降水区域分布不均,研究降水对了解内蒙古地区的生态环境及生态建设具有重要意义[6-8]㊂
目前,人们对内蒙古地区降水的研究主要基于地
面气象站点㊂但由于气象站点分布不均㊁密度不够等缺点,难以全面㊁细致地反映该区降水的分布状况㊂相比于传统气象站点监测的方法,基于卫星遥感技术监测降水的方法具有覆盖范围广㊁时空分辨率高㊁获取方便㊁不受地形条件控制等优点㊂1997年发射的TRMM 是世界上第一颗搭载测雨雷达的卫星,具有较高的时空分辨率,后续的一些改进产品也极大改善了降水反演精度[3]㊂目前这种类型的降水监测对中高纬度地区和高原地区具有重要意义,已被人们广泛使用[9-17]㊂齐文文等[9]基于该降水数据分析了青藏高原的降水时空分布;杨艳芬等[10]利用TRMM 3B42V6日降水数据对中国西北干旱区进行了精度验证,认为其产品难以直接应用在该地区,还需进一步校正;蔡研聪等[13]利用该产品对内蒙古地区进行不同时间尺度
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的精度分析,具有较好的效果;秦福莹等[14]利用该产品对整个蒙古高原进行了大范围的精度评价,认为该产品在蒙古地区具有良好的适用性㊂
鉴于此,本文主要基于TRMM 3B43V7产品,以北纬50ʎ以南的内蒙古自治区作为研究区,采用37个气象站点实测降水数据,对不同时间尺度(月㊁季㊁年)的TRMM 3B43V7数据进行精度验证,并借此分析该区
2001~2018年不同时间尺度降水变化趋势及时空规律㊂1㊀研究区概况
内蒙古自治区位于中国北部边疆,介于37ʎ24ᶄ~53ʎ23ᶄN,97ʎ12ᶄ~126ʎ04ᶄE (见图1)㊂东西长2400km,南北宽1700km,自西向东横跨中国西北㊁华北㊁东北三大区,分布有大兴安岭㊁阴山㊁贺兰山等山脉,黄河㊁西辽河㊁嫩江等河流从中经过,土地面积118.3万km 2,占中国国土面积的12.3%㊂内蒙古高原是中国第二大高原,可以分为呼伦贝尔高原㊁锡林郭勒高原㊁
乌兰察布高原和巴彦淖尔㊁阿拉善及鄂尔多斯高原4部分[6-7]㊂该区大部分海拔在1000m 以上,年降水量30~500mm,气候类型以温带大陆性季风气候为主㊂由于水分的变化,植被类型从东到西分别是森林㊁草原和荒漠㊂其中,草原约占内蒙古陆地面积的75%
[18]
㊂由于TRMM 产品覆盖的局限性,本文只研究
北纬50ʎ以南的内蒙古地区
㊂
图1㊀内蒙古概况
Fig.1㊀Overview of Inner Mongolia
2㊀数据来源与研究方法2.1㊀数据来源
采用的降水数据主要有两类:实测数据为内蒙古自治区内2001~2018年间37个气象站点的逐月降水数据(来源于中国气象数据共享网),其空间分布如图1(b)所示,对于个别缺测值采用相邻站点观测数据多元线性回归插补的方式代替;遥感数据为TRMM 卫星第7版3级产品TRMM 3B43V7逐月降水数据,覆盖范围为50ʎS ~50ʎN,时间范围是2001~2018年,空间分辨率为0.25ʎˑ0.25ʎ(来源于美国航空航天局NASA 网站)㊂
2.2㊀研究方法2.2.1㊀精度评价指标
对TRMM 降水产品进行精度评价,所用评价指标为以下4种㊂
线性相关系数(R )是评定两者之间的线性相关程度:R =
n
i =1
x
i
- x ()y i
- y ()
n
i =1
x
i
-
x ()2 n
i =1
y
i
-
y ()2,㊀i =1,2,3, ,n
㊀㊀相对误差(BIAS )是评定两组数据的偏离程度:
BIAS =
n
i =1x
i
n
i =1y
i
-1,㊀i =1,2,3, ,n
㊀㊀均方根误差(RMSE )是评定误差的整体水平:
RMSE =
㊀
n i =1
x
i
-y i ()2
n
,㊀i =1,2,3, ,n
㊀㊀平均绝对误差(MAE )是评定误差的实际情况:
MAE =
n
i =1
x i -y i n
,㊀i =1,2,3, ,n
式中:x i 是TRMM 3B43降水数据,mm;y i 是气象站点实测降水数据,mm;n 为样本容量; x 和 y 分别是TRMM 3B43降水数据和气象站点实测降水数据的均值㊂
2.2.2㊀Sen 和Mann -Kendall 检验
Sen 趋势度及Mann -Kendall 检验分析是世界气
象组织推荐并广泛应用于气象及水文等领域的趋势分析和非参数检验方法,可用来检验水文气象的趋势变
化[19],本文主要用来分析内蒙古地区年和季尺度上降水量的变化㊂
8
01
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Sen趋势的显著性判断需要采用Mann-Kendall (以下简称M-K)方法完成㊂M-K方法由Mann[20]提出,不仅用于检测序列数据的一种变化趋势是否显著,还能够测定各种变化趋势的起始位置㊂具体计算过程见文献[19]㊂
2.2.3㊀变异系数C
V
对于降水变化的剧烈程度,本文使用变异系数C V 来表示:
C
V
=SD x
式中:SD为标准差, x为平均值㊂C V越大,表明降水变化越剧烈㊂
3㊀TRMM降水精度评估
表1为TRMM降水数据与气象站点数据精度评估,图2为内蒙古地区2001~2018年间月㊁季㊁年不同时间尺度下,TRMM降水数据与气象站点实测数据之间的拟合图㊂由表1和图2可知,在各个时间尺度上,各站点TRMM降水量与实际降水量之间均呈显著(P <0.01)正相关关系,说明TRMM数据与实测站点数据之间在时空分布上具有良好的一致性㊂相对误差BIAS除了在冬季较大,其余时段均小于0.13,这与冬季地表冰雪覆盖和TRMM降水反演本身的缺陷有关[21-22]㊂
表1㊀2001~2018年不同时间尺度TRMM降水数据与
气象站点数据精度评估
Tab.1㊀Accuracy assessment of TRMM precipitation data and meteorological station data at different time scales from2001to2018时间尺度R RMSE/mm BIAS MAE/mm
月0.935∗∗13.610.0947.29
年0.930∗∗57.460.09443.18
春0.856∗∗17.180.12011.73
夏0.924∗∗42.440.07031.62
秋0.902∗∗17.160.10112.90
冬0.855∗∗ 5.190.520 4.11
㊀注:∗∗表示通过0.01显著性水平的统计检验
年尺度和夏季时间尺度下的均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE,与其余时间尺度下相比偏大,这与降水量这一变量在年和夏季尺度上,其数量值较大有关㊂冬季的RMSE和MAE最小㊂
整体上看,TRMM数据与站点实测数据具有良好的一致性,能够满足在月及以上时间尺度上进行内蒙古地区的降水变化研究㊂
4㊀结果分析
4.1㊀年降水量变化规律
内蒙古地处中高纬度地区,地形复杂,
气候类型多
图2㊀研究区2001~2018年TRMM不同时间尺度降水量
与实测站点降水量相关性
Fig.2㊀Correlation of precipitation at different time scales of TRMM and precipitation at the measured sites in the study
area from2001to2018
样,降水量受季风影响显著㊂为进一步全面㊁细致地分析2001~2018年内蒙古年降水量变化,本文以TRMM 数据为基础,从时间和空间两个方面对18a降水量变化进行探讨㊂
4.1.1㊀年降水量年际变化
图3为2001~2018年内蒙古年降水量及其累积距平年际变化㊂由图3可以看出,研究区年降水量介于228.95~403.80mm之间,多年平均值为301.59 mm,降水变化曲线呈缓慢波动上升状态,有多个波峰波谷,比较突出的峰值点有3个,分别位于2003,2008年和2012年,比较突出的谷值点有两个,分别位于2007年和2015年㊂由Sen趋势度和M-K检验可知,上升速率为44.96mm/10a(P<0.05);因此近18a 的降水量总体呈上升趋势,但趋势并不显著㊂
由图3(b)可知,年降水量呈现出阶段性变化趋势,以2011年为界,2001~2011年间,距平以负值为
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图3㊀内蒙古年降水量及其距平/累积距平年际变化
Fig.3㊀Inter-annual variations annual precipitation
and its anomaly/cumulative anomaly in Inner Mongolia 主,累积距平整体呈下降趋势,2011~2018年间,距平以正值为主,累积距平整体呈上升趋势㊂因此2011年是降水累积量由下降至上升的转折点㊂这一特征与马梓策等[23]研究的年降水量变化趋势相一致㊂
4.1.2㊀年降水量空间分布
图4(a)为2001~2018年内蒙古多年平均降水量空间分布图㊂由图可知,降水量由内蒙古的东北向西南呈条带状逐渐减少,主要是因为内蒙古地区从东到西距海渐远,水汽逐渐衰减㊂内蒙古降水量最少的地区主要位于西部,即阿拉善的西北部,降水量均在100 mm以内;内蒙古中部降水量在200~400mm之间,其中位于锡林郭勒盟的二连浩特市周边和位于巴彦淖尔市杭锦后旗往西的地区降水量在200mm左右,在此界线往东的地区降水量逐渐增加至400mm左右;降水量在400mm以上的部分位于区域东北部㊁东部和东南大部分地区,如呼伦贝尔市,以及各种河流所在地如呼伦湖和锡林河流域㊂受东亚夏季风和西风环流的影响[24-25],导致内蒙古中部地区出现明显的区域差异,例如受西风环流影响较明显的二连浩特市和杭锦后旗往西的内蒙古中部地区降水量较少,而受东亚夏季风环流影响较明显的赤峰市㊁通辽市等地区降水量较高,这与李文宝等[26]的研究结论相一致㊂
图4(b)为内蒙古2001~2018年年降水趋势图,由图可知,2001~2018年大部分地区降水有增加的趋势,只有小部分地区降水量有所减少,降水量减小的地区主要位于区域北部和西部,例如呼伦贝尔市的西北部㊁包头市的北部㊁巴彦淖尔市的大部分地区㊁阿拉善盟的东部和西北角
㊂
图4㊀2001~2018年内蒙古多年平均降水量及变化趋势的空间分布Fig.4㊀Spatial distribution of the average annual precipitation and its change trend in Inner Mongolia from2001to2018
图5为2001~2018年间内蒙古地区年降水量的变异系数㊂由图5可知,内蒙古年降水量变异系数C V 最大值达到0.7左右,主要分布在西部阿拉善高原,这一趋势和任国玉等[27]研究结果相一致;降水量变异系数C V最小值为0.2左右,主要分布在呼伦贝尔市的东部㊁赤峰市的大部分地区和阿拉善盟的南部小部分地区㊂降水量少的地区C V值较大,降水量年际波动程度较为剧烈;降水量多的地区C V值较小,年际降水较为均衡㊂阿拉善盟南部降水量少但C V值较小,是因为该地区年际降水量变化趋势较小所导致的㊂总体而言,西部降水量波动程度较大,中部次之,东部降水量波动程度最小㊂
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以内蒙古地区为例
图5㊀2001~2018年内蒙古年降水量变异系数Fig.5㊀Coefficient Variation of annual precipitation
in Inner Mongolia from 2001to 2018
4.2㊀降水量季节变化
本文将3~5月划为春季,6~8月划为夏季,9~11月划为秋季,12至次年2月划为冬季,基于TRMM 降水数据对内蒙古研究区进行季节降水量的时空特征分析㊂
4.2.1㊀季节降水年际变化
表2是内蒙古自治区四季多年降水量的基本特征㊂春季降水量最大值出现在2010年,最小值出现在2006年,春季降水量呈现下降趋势,下降趋势不显著;夏季降水量最大值出现在2013年,最小值出现在2010年,夏季降水在年际变化上呈现出上升趋势,上
升趋势不显著;秋季降水量最大值出现在2012年,最小值出现在2005年,秋季降水在年际变化上呈现出显著上升趋势(P <0.05);冬季降水量最大值出现在2012年,最小值出现在2011年,冬季降水量呈现上升趋势,上升趋势不显著㊂由变异系数可知,秋季变异系数最大,因此该季降水年际波动最为剧烈,其次是春季和冬季,夏季变异系数最小,降水年际变化较为稳定㊂
表2㊀2001~2018年间内蒙古四季降水量的基本特征Tab.2㊀Basic characteristics of seasonal precipitation in
Inner Mongolia from 2001to 2018
季节
平均值/mm
最小值/mm
最大值/mm
极差/mm
标准差/mm
变异系数/%
Z 值β值/[mm㊃(10a)
-1
]
春季48.1729.7279.5549.8311.5624.000-0.56夏季185.96127.90256.27128.3735.8419.27 1.3622.64
秋季56.7031.0790.5459.4717.4230.73 2.2715.25∗冬季10.70 5.6614.769.10
2.4422.840.61
0.85
㊀注:∗表示通过0.05显著性水平的统计检验;Z 值为Sen -MK 检验
结果;β值为变化速率㊂
图6为内蒙古地区18a 来四季降水量的年际变化,结合图表可知,除了春季降水量呈下降趋势外,其他3个季节的多年降水量均呈增加趋势,且夏㊁秋季降水量增加趋势较明显,这两个季节是年降水量增加的主要贡献者
㊂
图6㊀2001~2018年内蒙古四季降水量的年际变化Fig.6㊀Interannual changes in seasonal precipitation in Inner
Mongolia from 2001to 2018
4.2.2㊀季节降水空间变化
图7为2001~2018年间内蒙古地区四季降水量的空间变化㊂由图可知,各季节降水量变化趋势与年降水量变化趋势基本一致,均从内蒙古的东部向西南部逐渐减少,夏季和秋季降水量条带状特征较为明显,空间差异大,春季和冬季空间差异不明显,分布较为均一㊂春季降水量较年均降水量略有向东部减少的趋势,主要由于春季地表逐渐解冻后面临强烈的蒸发作用,地表水分被逐渐蒸发消耗,且该时间段降水较为稀少,被蒸发的水汽很难以降水形式返回地面,所以春季降水特征不明显[28]㊂
从等降水量线可知,四季中,降水量最少的地区均
位于内蒙古西部,降水量较多的地区大部分位于呼伦贝尔市㊁内蒙古东南部㊂除去水域,春季降水量最大值在100mm 左右,夏季降水量最大值在400mm 左右,秋季降水量最大值在100mm 左右,冬季降水量最大值在20mm 左右㊂
图8为2001~2018年内蒙古季节降水量变异系数的空间分布图,由图可知,内蒙古东部的呼伦贝尔市大部分地区,其降水量变异系数在四季中基本处于最
小值状态,降水量变化程度最小;春㊁夏和秋季变异系数最大值均主要出现在西部的阿拉善高原,冬季变异系数最大值除阿拉善高原外,还有通辽市和鄂尔多斯市,降水量变化程度较剧烈㊂阿拉善高原位于东亚季风区的边缘地带,受到季风和西风的共同影响,该地区降水波动与内蒙古其他地区相比较为剧烈[29],这与李虹雨等[30]利用气象站点研究内蒙古降水的结论基本一致㊂其他降水波动较为明显的地区,有秋季和冬季的通辽市,冬季的鄂尔多斯市㊂春季和秋季降水量的变异系数最大值达到1以上,夏季和冬季降水量变异
1
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系数最大值在0.8~0.9,春秋季节空间差异大,夏冬季节较为均一
㊂
图7㊀2001~2018年内蒙古地区四季降水量空间变化Fig.7㊀Spatial variation of seasonal precipitation in
Inner Mongolia from 2001to 2018
图9为内蒙古地区2001~2018年间四季降水量年际变化趋势的空间分布图㊂由图可知,不同季节降水量变化趋势的区域差异明显㊂春季降水量呈减少趋势的地区主要位于区域东北部㊁东南部㊁中部大部分地区和西部小部分地区,包括呼伦贝尔市㊁兴安盟㊁乌兰
察布市㊁包头市㊁呼和浩特市和鄂尔多斯市的大部分地区;其余盟市大部分区域降水量呈增加趋势㊂夏季降
水量呈明显增加趋势的地区主要位于呼伦贝尔市的东图8㊀2001~2018年内蒙古季节降水量变异系数空间分布Fig.8㊀Spatial distribution of the coefficient variation of seasonal
precipitation in Inner Mongolia from 2001to 2018
南部和西南部㊁兴安盟和通辽市的大部分地区㊁赤峰市
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以内蒙古地区为例
图9㊀2001~2018年内蒙古四季降水量年际变化趋势的空间分布Fig.9㊀Spatial distribution of interannual changes in seasonal precipitation in Inner Mongolia from2001to2018的南部㊁鄂尔多斯市的东南部;明显减少的地区主要位于呼伦贝尔的西南部和锡林郭勒盟的中部㊂秋季降水量明显增加的地区主要位于呼伦贝尔市的东南部及与兴安盟接连区域;呈减少的地区主要位于赤峰市的南部㊁巴彦淖尔市的西部和阿拉善的大部分地区㊂冬季降水量无显著性变化㊂
表3为内蒙古地区2001~2018年间不同显著性水平下,四季降水量变化趋势的面积百分比㊂结合F 检验,由表3可知,春㊁夏㊁秋㊁冬四季降水量呈增加趋势的面积均高于呈减少趋势的面积;除了夏季,其余季节降水量变化趋势的面积百分比基本为:增加不显著
>减少不显著>显著增加>显著减少;夏季呈显著增加的面积所占比重远大于其余3个季节㊂
表3㊀不同显著性水平的四季降水量变化趋势的面积占比Tab.3㊀Area percentages of seasonal trends in
precipitation with different significance levels%季节显著减少减少不显著增加不显著显著增加
春季0.2739.7258.30 1.71
夏季0.16 6.3077.2116.33
秋季0.0520.1375.98 3.84
冬季028.9271.080
5㊀讨论与结论
5.1㊀TRMM降水数据与实测数据的比较
内蒙古面积广阔,是中国第三大省区㊂由于气象站点具有分布不均㊁覆盖范围不够广,且部分站点数据不易获取等缺点,因此利用气象站点数据插值只能大致概况研究区的降水空间分布,无法全面细致地了解研究区降水的细微差异㊂TRMM降水数据作为一种重要的全球卫星降雨产品,具有广泛的覆盖范围㊁较高的时空分辨率,且经过验证可知,数据质量较好[32],能够弥补气象站点数据精度不足等缺陷[33]㊂
本文利用TRMM数据得出的内蒙古地区年降水量的空间分布与殷方圆等[31]利用气象站点数据得出的研究结果大致相同㊂所以,利用TRMM数据研究大范围地区降水有较好的效果,同时能够弥补气象站点不全等缺陷㊂范科科等[34]在利用NDVI数据对内蒙古地区TRMM数据降尺度结果中发现,降尺度后的大部分站点的相对偏差BIAS存在下降趋势,因此可以推断出大部分站点的TRMM原始降水数据有高估的现象,这与本文的研究结果相一致㊂
5.2㊀基于TRMM的降水时空变化特征
本文利用2001~2018年内蒙古地区的37个气象站点实测数据,采用4种精度评价指标对TRMM降水数据进行月㊁年和季尺度的精度验证,表明TRMM降水数据与实测数据之间的拟合优度达到0.85(P<
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0.01)以上,两者整体误差水平相对较小㊂通过精度验证结果可知,TRMM降水数据可用于监测北纬50ʎ以南的内蒙古地区的降水状况㊂以TRMM降水数据作为基础数据,基于Sen-MK检验法和变异系数法分析了内蒙古地区18a不同时间尺度的降水时空特征㊂研究结论如下:
(1)2001~2018年内蒙古自治区年降水量介于228.95~403.80mm之间,多年平均值为301.59mm,年际变化趋势上,近18a降水呈上升趋势,上升速率为44.96mm/(10a),2011年是降水累积量由下降至上升的转折点㊂
(2)降水量由内蒙古的东北向西南呈条带状逐渐减少,大部分地区降水有增加的趋势,只有小部分地区降水量有减小趋势㊂降水量减小的地区主要位于区域西部的阿拉善高原,且其降水波动最为剧烈,内蒙古中部次之,东部降水量变化较为均衡㊂
(3)从季节降水年际变化可知,除了春季降水有减少趋势外,其余季节的降水均呈上升趋势,其中夏季和秋季是年降水量增加的主要贡献者㊂
(4)从季节降水的空间变化可知,四季降水量均自内蒙古东部向西南逐渐减小,且夏季和秋季条带状特征明显㊂四季中,内蒙古的西部降水量最少,该地区的阿拉善高原降水量变化最为剧烈,而降水量变化均衡的地区主要位于内蒙古东部的呼伦贝尔市㊂四季降水量呈增加趋势的面积均高于呈减小趋势的面积,其中,夏季降水量呈显著增加趋势的面积为四季中最大㊂参考文献:
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