唐 榕， 王運濤， 李 敏， 周惠成

(大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

1 研究背景

降水是水文過程模擬的關(guān)鍵因素，降水數(shù)據(jù)的精度影響著水文模擬預(yù)報的準確性[1]。獲得高精度的雨量站點觀測降水數(shù)據(jù)[1]往往受到觀測站點分布不均、觀測數(shù)據(jù)代表性差、觀測數(shù)據(jù)的起始時間不一、觀測資料缺失、部分站點數(shù)據(jù)難以獲取等因素的影響，從而限制了部分流域(尤其是面積較大流域)的長系列水文模擬預(yù)報[2]。為此，部分機構(gòu)開始推出長系列、多精度、廣覆蓋的降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)，提供了一種數(shù)據(jù)獲取新途徑。國際上提供降水產(chǎn)品的有歐洲的ERA-Interim[3]、美國的NCEP/NCAR[4]、日本的JRA-55[5]等降水再分析數(shù)據(jù)、GPCP[5]、TMPA[2]、TRMM[6]、GPM[7]等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)集及GPCC[5]等基于地面觀測數(shù)據(jù)的產(chǎn)品等[2,5]，國內(nèi)有中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)集(CLDASV2.0產(chǎn)品)[8]和中國地面降水日值0.5°×0.5°格點的數(shù)據(jù)集等等。然而由于上述降水產(chǎn)品的數(shù)據(jù)來源不同、數(shù)據(jù)推出過程中使用的同化、插值、反演等計算方法不同，且在不同地形地勢的區(qū)域中的表現(xiàn)不同，因此在具體應(yīng)用中的精度各有差異[5]。在應(yīng)用降水產(chǎn)品之前應(yīng)針對具體研究區(qū)域進行必要的誤差分析，并探究其在相應(yīng)區(qū)域水文模擬預(yù)報中的適用性[2,5]。

目前，已在不同流域開展了不同降水產(chǎn)品的適應(yīng)性研究。王書霞等[6]從年、月、日尺度評估了TRMM 3B42 V7、TRMM 3B42 RT、CMORPH、PERSIANN 4種遙感降水產(chǎn)品在瀾滄江流域的精度。吳倩鑫等[5]對比了CMFD、ERA-Interim、GPCC、GPCP V2.3和JRA-55這5種降水產(chǎn)品的月尺度數(shù)據(jù)在疏勒河流域的精度。任英杰等[9]、王漢濤等[7]、許風(fēng)林等[10]分別開展了GPM IMERG衛(wèi)星產(chǎn)品在中國大陸地區(qū)、三峽區(qū)間渠溪河、黃淮海平原的適用性評估研究。朱紅雷等[1]進行了輝發(fā)河流域的TRMM降水數(shù)據(jù)在日、月尺度上的徑流模擬適宜性評價研究，張小麗等[11]評價了GLDAS、TMPA和ERA-Interim中日、月尺度數(shù)據(jù)在渾江流域水文模擬中的適用性。此外，還有對其他地區(qū)或流域的降水產(chǎn)品適用性評估研究[3-4,12]。盡管開展了不同流域不同降雨產(chǎn)品的適用性研究，但該方面的研究表明諸多降水產(chǎn)品在許多流域的精度不高、難以滿足流域尺度水文模擬分析預(yù)測的需求[5-6,13]，原因在于對降水產(chǎn)品來源、數(shù)據(jù)處理方式、數(shù)據(jù)用途上未做仔細分析，選擇降水產(chǎn)品時多選用幾種常用的降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)，不能做到因地制宜。因此，對于不同流域不同降水產(chǎn)品的適用性探究仍須繼續(xù)深入。

尼爾基水庫位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流中游，該水庫壩址右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)的尼爾基鎮(zhèn)。為實現(xiàn)該水庫考慮旬入庫徑流預(yù)報信息的長系列模擬優(yōu)化調(diào)度，相應(yīng)地，需要入庫徑流預(yù)報中起主要作用的長系列降水數(shù)據(jù)。不過，該流域面積較大，能獲取的站點降水量數(shù)據(jù)有限，站點數(shù)據(jù)長度參差不齊，利用站點數(shù)據(jù)來進行長系列研究比較困難。而國家氣象中心提供的中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集提供自1961年至今共55 a的逐日降水數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度足夠[14-15]。此外，該數(shù)據(jù)是基于地面國家級高密度臺站插值而來，提供的是中國經(jīng)緯度邊界內(nèi)的降水數(shù)據(jù)，會比諸多全球范圍的降水產(chǎn)品更有針對性、系統(tǒng)誤差更小，精度可能更高，因此擬使用該降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)代替該流域?qū)崪y站點數(shù)據(jù)。本文以尼爾基水庫上游控制流域為研究區(qū)，利用收集到的站點測雨數(shù)據(jù)與該格點數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進行流域面雨量的對比分析，評估格點數(shù)據(jù)應(yīng)用到徑流預(yù)報中的適用性，為后期預(yù)報調(diào)度中降雨數(shù)據(jù)的收集使用提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為嫩江干流上的大型控制性水利工程尼爾基水庫以上控制流域(見圖1)，流域面積達6.64×104km2，占嫩江流域面積(28.95×104km2)的22.9%。嫩江流域從大興安嶺伊勒呼里山中段南側(cè)至三岔河，全長1370 km。除了本文研究區(qū)涉及的上段和中段，還有下段，3段劃分如下：上游段從河源到嫩江縣，長661 km，左岸有臥都河、固固河、門魯河和科洛河注入，右岸有那都里河、大小古里河和多布庫爾河注入，該段有80%以上面積為茂密的森林覆蓋，河流的含沙量較?。恢卸螐哪劢h到莫力達瓦達斡爾族自治旗，長122 km，該河段支流很少，右岸主要有較大支流甘河匯入，是山區(qū)到平原區(qū)的過渡地帶，兩岸多低山、丘陵，地勢比上游平坦，兩岸不對稱；下游段由莫力達瓦達斡爾族自治旗到三岔河，長587 km，下游支流較多，有諾敏河、雅魯河、霍林河、烏裕爾河、洮兒河等等，該段為廣闊的平原，河道蜿蜒曲折，沙灘、沙洲、江岔多。尼爾基水庫多年平均徑流量106.54×108m3，占嫩江流域多年平均徑流量的44.5%；多年平均降水量為400～500 mm，年內(nèi)降水量分配極不均勻，6-9月降水量占全年降水量的80%以上，冬季降水量極少，僅占年降水量的5%以下[16]。

圖1 尼爾基水庫上游流域及雨量站、水文站分布

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 降水產(chǎn)品數(shù)據(jù) 本文采用的降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)為中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集(V2.0)，該數(shù)據(jù)集主要基于2 472個國家級氣象觀測站的降水資料、利用ANUSPLIN軟件的薄盤樣條法(TPS，Thin Plate Spline)進行空間插值所得，并結(jié)合數(shù)字高程資料來盡可能地消除高程對降水空間插值精度的影響。它可提供1961年1月1日開始至今59 a的地面格點的逐日(08:00-08:00，北京時間)降水值數(shù)據(jù)，即地面水平分辨率0.5°×0.5°(緯度1°約為111km，經(jīng)度1°約為111×cosakm，其中a為對應(yīng)緯度)的日值降水格點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋范圍為中國最西經(jīng)度72°E 到最東經(jīng)度136°E、最北緯度54°N至最南緯度18°N。

2.2.2 實測站點數(shù)據(jù) 通過多種途徑收集到17個測站的日降雨數(shù)據(jù)，其中包含臥都河、罕達氣、哈爾通、松嶺、壯志、新天、白云、阿里河及吉文9個雨量站和霍龍門、古里、科后、柳家屯、加格達奇、石灰窯、庫漠屯、嫩江8個水文站的雨量數(shù)據(jù)。各測站所在河流、收集到的資料起止時間、測站類型如表1所示，其具體分布見圖1。由表1可知搜集到的站點實測降水資料長度不統(tǒng)一，難以通過上述測站資料獲得該流域較完整的長系列面雨量資料。

表1 尼爾基水庫上游流域水文站及雨量站基本信息表

注：年份后括號內(nèi)的月份表示僅收集到相應(yīng)月份數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 基于已有的站點實測降水數(shù)據(jù)，提取其中時間尺度統(tǒng)一的數(shù)據(jù)作為本文研究所用的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)對比選擇2007-2013年6-9月的各測站逐日降水量，利用其加權(quán)求和得到該流域?qū)崪y面雨量值系列，對系列中854 d的面雨量值求和平均，得到多日面雨量均值為2.78 mm。

中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集(V2.0)提供的是整個中國范圍的數(shù)據(jù)，而研究區(qū)域主要位于122.5°E ～127°E、48.5°N ～51.5°N內(nèi)，該范圍內(nèi)的控制格點見圖1。首先提取上述范圍內(nèi)2007-2013年6-9月的所有格點數(shù)據(jù)，通過各格點數(shù)據(jù)加權(quán)求和得到格點數(shù)據(jù)下的面雨量值(文中簡稱格點面雨量值)，多日格點面雨量均值為3.24 mm。其中各格點降雨值的權(quán)重按以下步驟確定：假設(shè)各格點控制面積均等，以格點為中心作0.5°邊長的正方形，與研究流域重疊的部分作為該格點的有效貢獻部分，將其相應(yīng)面積占研究流域面積的比例作為各格點的權(quán)重。

2.3 研究方法

2.3.1 運用方法 流域面雨量精度是降水產(chǎn)品自身精度的直接體現(xiàn)，是降水產(chǎn)品是否可替代雨量測站實測降雨的基礎(chǔ)，而降水產(chǎn)品在研究流域水文模擬預(yù)報的應(yīng)用中能否達到水文模擬預(yù)報的要求是降水產(chǎn)品適用性的進一步衡量。為此，本文首先采用簡單加權(quán)法計算降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用下流域面雨量值，與雨量測站所得的面雨量值進行對比，評估格點降雨產(chǎn)品下的面雨量精度。其次，本文應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行尼爾基水庫6-9月份旬入庫徑流量預(yù)報，分別采用實測面雨量值和格點降雨產(chǎn)品所得面雨量值作為前期降雨因子，以確定本文所用格點降水產(chǎn)品在水文模擬預(yù)報中應(yīng)用時是否能保持應(yīng)用實測降雨時的效果、達到水文模擬預(yù)報的要求。

徑流預(yù)報的基本假設(shè)[17]為：(1)前期后m天的徑流量大小代表旬初土壤蓄水量，來反映前期降雨及徑流對本旬初土壤蓄水量的影響；(2)前期后n天降雨量加上本旬未來前k天降雨量是本旬徑流產(chǎn)生的主要因素。其中m、n、k主要通過分析因子與徑流的相關(guān)性來確定，例如，如圖2所示的實測和格點兩種面雨量數(shù)據(jù)下，前期后n天降水量與旬徑流量的相關(guān)系數(shù)R均隨著n的增大而逐漸增大，且達到20 d的R值最大，因此確定前期后20 d降水量為徑流預(yù)報的預(yù)報因子，即n=20。同樣地，確定m=1，k=7。這樣，下文利用前期后1 d徑流量、前期后20 d累積降水量及未來7 d累積降水量3個預(yù)報因子來預(yù)測旬徑流量。

根據(jù)選用的預(yù)報因子，本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)旬徑流預(yù)報利用2007-2009年6 -9月的數(shù)據(jù)作為預(yù)報中的擬合樣本，2010-2011年作為檢驗樣本，用于共同率定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練次數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)等參數(shù)，以2012-2013年作為外推樣本用以驗證該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型的預(yù)報能力。直接采用上述年份相應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)測時樣本數(shù)量較少，為了增加樣本數(shù)量，提高預(yù)報精度，采用逐日滾動獲取的10 d量來生成旬徑流系列數(shù)據(jù)，即如果以6月1日-6月10日數(shù)據(jù)作為第1個旬徑流數(shù)據(jù)，則以往后滾動1日的6月2日-6月11日數(shù)據(jù)作為第2個數(shù)據(jù)，以此類推。相應(yīng)地，3個預(yù)報因子也做類似處理。除此之外，為了減少預(yù)報降水量的不確定性對此處結(jié)果的影響，未來k天降雨量直接利用實測雨量代替[18]。

圖2 前期后n天累積降水量與旬徑流量相關(guān)關(guān)系

2.3.2 精度評估指標 相關(guān)系數(shù)R能夠反映模擬值與實測值間的相關(guān)性程度，表征模擬值數(shù)據(jù)序列與實測值序列整體變化趨勢的一致性程度[5]；R越大，模擬值數(shù)據(jù)序列與實測值序列變化越一致。相對誤差RE可以反映模擬值與實測值間的偏差程度[6]，RE為正值說明模擬值大于實測值，即模擬值高估了實測值；RE為負說明整體看來模擬值小于實測值，即低估了實測值。均方根誤差RMSE能夠用來衡量模擬值與實測值之間的誤差量[5]，體現(xiàn)的是模擬值數(shù)據(jù)序列與實測值序列之間的靠近程度，RMSE值越小說明模擬值與實測值越靠近，越能替代實測值。本文應(yīng)用R、RE和RMSE作為精度評估的指標[2]。3個指標計算公式分別如下。

相關(guān)系數(shù)R的計算公式為：

(1)

相對誤差RE的計算公式為：

(2)

均方根誤差RMSE的計算公式為：

(3)

3 適用性結(jié)果分析

適用性分析即應(yīng)用相關(guān)系數(shù)R、相對誤差RE以及均方根誤差RMSE3個評估指標分別對應(yīng)用降雨產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到的流域面雨量值和未來10 d徑流量預(yù)報值進行精度評估。

3.1 流域面雨量精度評估結(jié)果

經(jīng)計算得出格點數(shù)據(jù)下的面雨量值與實測面雨量之間的相關(guān)系數(shù)R為0.70，相對誤差RE為16.64%，均方根誤差RMSE為4.09 mm，按R>0.6、-20%

此外，從圖2所示的前期后n天降雨量與旬徑流量的相關(guān)系數(shù)R上可以看出：(1)格點面雨量數(shù)據(jù)下的相關(guān)系數(shù)均略小于實測面雨量值下的相關(guān)系數(shù)，這也論證了水文站及雨量站得到的面雨量值更能體現(xiàn)該流域的實際面雨量值；(2)格點面雨量數(shù)據(jù)下的相關(guān)系數(shù)變化規(guī)律與實測面雨量下的變化規(guī)律一致，隨著累積降水天數(shù)的增長而增大，且也在n=20的時候達到最大，說明格點面雨量數(shù)據(jù)能代替實測面雨量來表征該流域降雨與徑流之間的關(guān)系：前期較長時間的降水量(達兩旬)都會對徑流產(chǎn)生貢獻，這與該流域面積較大且流域上游為蓄水能力較強的大面積森林、匯流時間較長有關(guān)[19]。

3.2 徑流預(yù)報精度評估結(jié)果

表2為分別應(yīng)用實測面雨量和氣象格點面雨量進行10 d徑流預(yù)報的預(yù)報徑流量與實測徑流量的相關(guān)系數(shù)、相對誤差和均方根誤差。由表2可知：(1)兩種數(shù)據(jù)應(yīng)用下擬合期、檢驗期、外推期預(yù)測徑流值與實測徑流值的相關(guān)系數(shù)R基本相同，均在0.87以上，即預(yù)測值系列與實測值系列高度相關(guān)。(2)格點數(shù)據(jù)面雨量應(yīng)用下的相對誤差絕對值略大于雨量站實測面雨量應(yīng)用下的相對誤差絕對值，說明實測面雨量應(yīng)用時徑流預(yù)報偏差更?。粌煞N數(shù)據(jù)在擬合期和檢驗期相對誤差RE均為正值，說明兩種降雨數(shù)據(jù)應(yīng)用下均存在高估實測徑流量的現(xiàn)象，不過RE均小于6%，說明徑流預(yù)報值較實測徑流值偏大不多；在外推期兩種數(shù)據(jù)應(yīng)用下的RE分別為-7.45%、-10.25%，均為負值，說明在該時期無論使用何種降雨數(shù)據(jù)均會低估實際徑流值，這主要是因為2013年6-9月實際入庫徑流量屬于歷史記錄中最大值，外推期包含了2013年中的較大徑流，模型難以準確預(yù)測。(3)兩種數(shù)據(jù)在擬合期、檢驗期的均方根誤差RMSE均遠小于2007-2013年6-9月日徑流量均值737.98 m3/s，在外推期RMSE較大，分別為498.98和514.94 m3/s，誤差較大，這主要與2013年較大徑流難以準確預(yù)報有關(guān)，不過格點數(shù)據(jù)面雨量應(yīng)用下的均方根誤差與雨量站實測面雨量應(yīng)用下的均方根相差不大，僅為3%。

表2 兩種面雨量值應(yīng)用下10 d徑流量預(yù)報評價指標值

根據(jù)上述分析結(jié)合表2可知：格點數(shù)據(jù)面雨量應(yīng)用時與實測面雨量應(yīng)用時同樣能夠滿足R>0.6、-20%

4 討 論

上述面雨量、徑流預(yù)報值精度評估結(jié)果表明，中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集在尼爾基水庫上游流域的應(yīng)用表現(xiàn)良好，可以替代雨量站點來提供降水數(shù)據(jù)。此外，在日尺度降雨產(chǎn)品數(shù)據(jù)上，該格點降水數(shù)據(jù)面雨量擬合結(jié)果中相關(guān)系數(shù)達0.7，比其他降水產(chǎn)品在國內(nèi)其他流域應(yīng)用中的相關(guān)系數(shù)高，如TRMM 3B42 V7、TRMM 3B42 RT、CMORPH、PERSIANN 4種遙感降水產(chǎn)品在瀾滄江流域與實測降水的相關(guān)系數(shù)均低于0.5[6]。原因除了流域差異外，極可能是本文采用的格點降水數(shù)據(jù)是國內(nèi)地面觀測臺站數(shù)據(jù)直接插值而來，同等情況下國內(nèi)流域采用該降水產(chǎn)品時精度能夠得以保證。盡管該降水產(chǎn)品插值存在誤差，用于插值的站點也不一定能完全面描述研究流域徑流，但與衛(wèi)星雷達反演得到的降水產(chǎn)品以及經(jīng)多種來源數(shù)據(jù)同化處理而來的再分析數(shù)據(jù)集所提供的降水產(chǎn)品相比，其精度高的可能性要更大。因此，在今后在選擇實測降水數(shù)據(jù)的替代降水產(chǎn)品時，應(yīng)當明晰降水產(chǎn)品來源，盡可能選擇融合更多研究流域地面觀測降水資料的降水產(chǎn)品，以保證替代降水產(chǎn)品的精度。

5 結(jié) 論

本文主要評估了國家氣象信息中心提供的降水產(chǎn)品——中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集(V2.0)在尼爾基水庫上游流域的適用情況。評估包括格點降雨產(chǎn)品數(shù)據(jù)下的格點面雨量精度及格點降雨產(chǎn)品數(shù)據(jù)在10 d徑流預(yù)報中的預(yù)報精度兩方面。具體結(jié)論如下：

(1)在考慮該流域范圍內(nèi)的面雨量時，格點面雨量值與實測面雨量值間R為0.70，相對誤差RE為16.64%，均方根誤差RMSE為4.09 mm，相關(guān)系數(shù)及相對誤差基本滿足R>0.6、-20%

(2)在預(yù)報10 d徑流量中，應(yīng)用格點面雨量值得到的徑流預(yù)報值與應(yīng)用實測面雨量所得到的結(jié)果相差不大，擬合期、檢驗期、外推期R均大于等于0.87、相對誤差的絕對值小于11%，均滿足檢驗標準；應(yīng)用格點面雨量值得到的預(yù)測徑流值的相對誤差、均方根誤差均較小，不過均稍劣于應(yīng)用實測面雨量時的相應(yīng)值；均方根誤差在外推期較大，但與實測面雨量時的均方根誤差差異不大，僅為3%。當進行尼爾基水庫上游流域長系列徑流預(yù)報時，可直接采用格點面雨量值代替實測面雨量值。