魏 莎，崔晨風(fēng)，童山琳，郭元?jiǎng)?/p>

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

影響流域水循環(huán)最為重要的因素就是流域降雨量，降水是地球水循環(huán)的重要組成部分，連接著大氣循環(huán)過(guò)程與地表循環(huán)過(guò)程，具有重要的氣象學(xué)、氣候?qū)W和水文學(xué)意義[1-4]。理論上，密集布置地面觀測(cè)站點(diǎn)是獲得較為精確降水?dāng)?shù)據(jù)的一個(gè)重要手段，但由于自然條件和經(jīng)濟(jì)水平的差異，地面觀測(cè)站點(diǎn)分布嚴(yán)重不均，海洋上更加稀少。由于降水過(guò)程的高度時(shí)空變異性，現(xiàn)有地面雨量計(jì)、地基測(cè)雨雷達(dá)等雖對(duì)單點(diǎn)降水觀測(cè)精度較高，但仍存在站點(diǎn)分布和觀測(cè)范圍等局限性，尚不能滿足大流域降水觀測(cè)的需求[5]。隨著TRMM衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)得到廣泛應(yīng)用[6,7]，與此同時(shí)數(shù)據(jù)精度問(wèn)題也成為了很多研究學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。李景剛等[8]在洞庭湖流域?qū)?TRMM 3B43數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在月尺度上，相關(guān)系數(shù)可以接近0.9。胡慶芳等評(píng)估了贛江流域TRMM 3B42V6的精度，并進(jìn)行了誤差特征分析與成因解釋等[9]。Dominqu等[10]研究了TRMM 數(shù)據(jù)在亞馬遜河的精度，認(rèn)為TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在該流域的總量及各月的降水量效果較好，用于水文模擬能夠取得較好效果.

綜觀以上研究表明:國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)TRMM數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)研究大多數(shù)選用的空間尺度太大，只能代表整體平均水平，而忽略了小尺度上地區(qū)數(shù)據(jù)的差異，時(shí)間尺度包含年、月、日數(shù)據(jù)精度較少，精度較低；同時(shí)在中國(guó)地區(qū)針對(duì)于黑河流域TRMM測(cè)雨數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)研究相對(duì)較少，而且基本都是采用地面氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文以黑河流域作為研究區(qū)，分析TRMM數(shù)據(jù)在該流域年、月、日尺度上的數(shù)據(jù)精度，以期為TRMM數(shù)據(jù)在黑河流域的有效利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

選擇黑河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，流域水系如圖1所示。黑河流域是我國(guó)西北地區(qū)流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古3省(區(qū))的較大內(nèi)陸水系[11]，是我國(guó)西北地區(qū)第2大內(nèi)陸流域，位于河西走廊中部 98°E-101°30′E，38°N-42°N，為甘蒙西部最大的內(nèi)陸河流域。黑河流域的地貌特征區(qū)域差異顯著，南部為祁連山山地，中部為走廊平原，北部為低山山地和阿拉善高原，并與巴丹吉林沙漠接壤[12]。祁連山區(qū)是黑河流域地表水資源的形成地域，其降水量多寡直接影響著黑河上游的冰川、積雪、徑流狀況[13,14]。但是上游山區(qū)地形復(fù)雜多樣[15]，黑河流域位于歐亞大陸中部，遠(yuǎn)離海洋，周圍高山環(huán)繞，流域氣候主要受中高緯度的西風(fēng)帶環(huán)流控制和極地冷氣團(tuán)影響，氣候干燥，降水稀少而集中，多大風(fēng)，日照充足，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，晝夜溫差大。流域中集水面積大于100 km2的河流約18條，地表徑流量大于1 000 萬(wàn)m3的河流有24條。

圖1 水文站分布Fig.1 Distribution of hydrological station

2 數(shù)據(jù)說(shuō)明

研究共收集流域內(nèi)25個(gè)水文站點(diǎn)1980-2003年逐日降水資料，精度評(píng)估中所需的月降水量和年降水量均由逐日降水量累加所得。采用的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)為中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集，它是中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所開(kāi)發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集，為相應(yīng)水文站點(diǎn)的衛(wèi)星逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)系數(shù)表示2個(gè)要素之間的相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于2個(gè)要素x與y，如果它們的樣本值分別為xi與yi(i=1，2，…，n)，它們之間的相關(guān)系數(shù)：

(2)

式中:n為數(shù)據(jù)記錄的總個(gè)數(shù)；xi為氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)提供的降水量；yi為對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)地面水文站點(diǎn)的觀測(cè)降水量。

在實(shí)際操作中，首先由水文站點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算出站點(diǎn)所在網(wǎng)格單元的坐標(biāo)，然后通過(guò) MATLAB語(yǔ)言編程輸出該網(wǎng)格單元內(nèi)的降水量作為xi的值。R反映了氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水值的一致性，取值范圍為[0，1]，越接近1表明數(shù)據(jù)一致性越好。

3.2 散點(diǎn)斜率法

作一元線性回歸分析：

y=kx+b

(3)

式中：k為斜率；y為氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品作為因變量;x為氣象臺(tái)站降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，作為自變量。

線性函數(shù)的斜率k越接近于1,偏差越小；若k>1,說(shuō)明氣象衛(wèi)星降水量大于實(shí)測(cè)降水量；若k<1,說(shuō)明氣象衛(wèi)星降水量小于實(shí)測(cè)降水量。

4 結(jié)果與分析

4.1 年尺度精度檢驗(yàn)

(1)數(shù)據(jù)整體精度檢驗(yàn)。以1980-2003年研究區(qū)內(nèi)25個(gè)水文站點(diǎn)的年實(shí)測(cè)降水量為自變量，對(duì)應(yīng)年份各水文站點(diǎn)所在的網(wǎng)格內(nèi)氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析，如圖2所示。經(jīng)檢驗(yàn)，氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量的平均相關(guān)系數(shù)R=0.938，斜率k=0.278 8，顯示了兩者之間存在很好的一致性。從整體而言，氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)的降水值比站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量略微偏低，這可能是由于遙感方法本身的特點(diǎn)導(dǎo)致的。由于衛(wèi)星主要通過(guò)微波傳感器等設(shè)備探測(cè)云內(nèi)降水粒子和云粒子與微波的相互作用達(dá)到測(cè)量降水的目的，這種方式在估計(jì)歷時(shí)較短、降水較小的降水過(guò)程方面存有缺陷，可能因此導(dǎo)致氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在數(shù)值上偏小。相比其他區(qū)域已有的氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度檢驗(yàn)結(jié)果，氣象衛(wèi)星年數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)R略高，而斜率k略低。反映出相比其他區(qū)域，氣象衛(wèi)星年數(shù)據(jù)在本流域與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)性略高，但數(shù)值差異略大，精度驗(yàn)證的結(jié)論總體一致。

圖2 年降水量相關(guān)圖Fig.2 Annual rainfall correlation diagram

(2)各站點(diǎn)精度檢驗(yàn)。對(duì)各個(gè)水文站點(diǎn)而言，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，圖3以4個(gè)站點(diǎn)為例，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的各水文站年降水量的相關(guān)系數(shù)普遍較高，說(shuō)明整體來(lái)看衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與水文站年降水量具有較好的一致性；衛(wèi)星降水量較實(shí)測(cè)降水量偏差較大。具體來(lái)看，各站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)值及線性回歸方程的斜率為：八寶河祁連站R=0.970，k=0.328；昌馬河昌馬堡R=0.630，k=0.142；黑河高崖R=0.816，k=0.240；黑河鴛鴦峽R=0.851，k=0.250；黑河札馬什克R=0.837，k=0.256；黑河正義峽R=0.835，k=0.243；洪水河新地站R=0.775，k=0.185；李橋水庫(kù)壩上R=0.798，k=0.257；疏勒河潘家莊站R=0.572，k=0.198；討賴河冰溝R=0.522，k=0.082；西營(yíng)九條溝R=0.847，k=0.227。大部分水文站點(diǎn)都顯示出了良好的一致性，從水文站站點(diǎn)的位置來(lái)看，相關(guān)性較差的地區(qū)是疏勒河潘家莊、討賴河冰溝和昌馬河昌馬堡，這些地方為雨量較少地區(qū)，影響氣象衛(wèi)星的觀測(cè)。而衛(wèi)星降水的斜率為0.142～0.328，說(shuō)明衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)降水量與實(shí)測(cè)降水量偏差較大，且衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏小。

圖3 年降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)年降水?dāng)?shù)據(jù)Fig.3 Precipitation data and annual precipitation data measured in

4.2 月尺度精度檢驗(yàn)

(1)數(shù)據(jù)整體精度檢驗(yàn)。從25個(gè)水文站中選取11個(gè)資料比較齊全的水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)，以1980年該11個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值作為自變量，相對(duì)應(yīng)的氣象衛(wèi)星降水值為因變量作相關(guān)分析，如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算R=0.962，其相關(guān)性優(yōu)于年降水的相關(guān)性，相關(guān)關(guān)系很好；k=0.285,說(shuō)明衛(wèi)星月降水?dāng)?shù)據(jù)仍然是小于水文站月降水?dāng)?shù)據(jù)的，且偏差較大。

圖4 月降水量相關(guān)圖Fig.4 Monthly precipitation correlation diagram

(2)各站點(diǎn)精度檢驗(yàn)。如圖5所示以4個(gè)站點(diǎn)為例，氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品與相對(duì)應(yīng)的各水文站月降水量的相關(guān)系數(shù)仍普遍較高，說(shuō)明整體來(lái)看氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品與水文站年降水量具有較好的一致性。具體來(lái)看，各站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)值為：八寶河祁連站R=0.991，昌馬河昌馬堡R=0.877，黑河高崖R=0.869，黑河鴛鴦峽R=0.903，黑河札馬什克R=0.974，黑河正義峽R=0.885，洪水河新地站R=0.835，李橋水庫(kù)壩上R=0.991，疏勒河潘家莊站R=0.572，討賴河冰溝R=0.667，西營(yíng)九條溝R=0.940，大部分水文站點(diǎn)仍顯示出良好的相關(guān)性，并且相關(guān)性略好于年降水量的相關(guān)性。另外，k值范圍為0.172 2～0.407 9，說(shuō)明氣象衛(wèi)星月降水量與實(shí)測(cè)降水量偏差仍然較大，且氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依然偏小。

圖5 月降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)月降水?dāng)?shù)據(jù)Fig.5 Rainfall data and monthly precipitation data measured monthly

4.3 日尺度精度檢驗(yàn)

以1980-1982年的俄博站所有場(chǎng)次降水的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)作相關(guān)關(guān)系圖，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)R僅為0.447，實(shí)測(cè)降水量與氣象衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品的日降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性較差。

圖6 日降水量相關(guān)Fig.6 Daily precipitation correlation diagram

4.4 時(shí)間尺度對(duì)測(cè)雨精度的綜合影響分析

水文尺度問(wèn)題是當(dāng)今水文學(xué)研究的前沿課題之一。自20世紀(jì)90年代初，水文尺度問(wèn)題被正式提出后，尺度問(wèn)題在水文科學(xué)中一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。降水是徑流模擬中最大的不確定因素之一，同時(shí)又是洪水預(yù)報(bào)中最重要的信息。因此，研究時(shí)間尺度對(duì)衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品精度的影響十分必要。就時(shí)間尺度而言，本文研究了日、月、年尺度對(duì)衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品精度的影響，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 時(shí)間尺度影響計(jì)算Tab.1 Timescales affect the calculation Table

從表1中可以看出，衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品和水文站實(shí)測(cè)雨量的日尺度相關(guān)系數(shù)的平均值R=0.462,月尺度相關(guān)系數(shù)的平均值R=0.864，年尺度相關(guān)系數(shù)的平均R=0.768；日雨量的MRE平均值為0.872，月雨量的MRE平均值為0.786，年雨量的MRE平均值為0.688。因此說(shuō)明年尺度和月尺度的相關(guān)性遠(yuǎn)好于日尺度；對(duì)于MRE而言，日尺度>月尺度>年尺度，說(shuō)明衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品的精度，年尺度略好于月尺度略好于日尺度。相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值MRE(Mean Relative Error)來(lái)評(píng)價(jià)氣象衛(wèi)星估測(cè)降水的誤差大小，對(duì)于某一給定閾值，MRE定義為：

式中：Ti為氣象衛(wèi)星測(cè)雨值；Si為水文站測(cè)雨值；n為測(cè)雨次數(shù)。

5 結(jié)論與展望

衛(wèi)星遙感資料在水文中的應(yīng)用是目前水文學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文利用黑河流域內(nèi)的25個(gè)水文站點(diǎn)，重點(diǎn)選取其中的11個(gè)典型水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)降水量對(duì)氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在年尺度、月尺度和日尺度上進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算氣象衛(wèi)星年均降水量、月平均降水量和日均降水量對(duì)黑河流域降水在時(shí)間尺度上進(jìn)行了綜合分析，檢驗(yàn)了氣象衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品的精度。主要研究成果如下。

(1)通過(guò)對(duì)不同時(shí)間尺度的氣象衛(wèi)星測(cè)雨數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)、月降水?dāng)?shù)據(jù)、日降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)相應(yīng)實(shí)測(cè)降水量的平均相關(guān)系數(shù)R為0.938、0.962、0.447，發(fā)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)水文站點(diǎn)來(lái)說(shuō)，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文站數(shù)據(jù)在年尺度和月尺度的相關(guān)性遠(yuǎn)好于日尺度，而衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品在精度方面，通過(guò)MRE等指標(biāo)得出的結(jié)論是：年尺度略好于月尺度略好于日尺度，但是在這3種尺度上的相對(duì)誤差普遍較大。

(2)在進(jìn)行氣象衛(wèi)星月降水量的精度檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在本流域內(nèi)表現(xiàn)出基本一致的年內(nèi)偏差規(guī)律，具體表現(xiàn)為在1 a內(nèi)降水量較少的1-3月和10-12月的偏差較小，精度相對(duì)較好；而在降水量較多的其他月份偏差較大，精度相對(duì)較差。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如何更好地利用氣象衛(wèi)星資料和雨量計(jì)資料聯(lián)合估算流域的降雨分布，將是一個(gè)很有發(fā)展前景的研究方向。即將實(shí)施的多衛(wèi)星全球降雨觀測(cè)計(jì)劃GPM(Global Precipitation Measurement)將提供比氣象衛(wèi)星更完善、更準(zhǔn)確的降雨資料，這些資料不僅可用于天氣預(yù)報(bào)，還可用于洪水預(yù)測(cè)和全球洪水預(yù)警等領(lǐng)域。因此，衛(wèi)星遙感資料在水文領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)成為未來(lái)水文學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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