基于現(xiàn)代信息技術(shù)的黃河流域年降水反演研究

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簡介： 降水是流域水循環(huán)系統(tǒng)的基本輸入，傳統(tǒng)水文方法中獲取面上降水都是通過點(diǎn)雨量擴(kuò)展獲取，因此對于雨量站點(diǎn)的密度有較高要求。本文引入國際先進(jìn)遙感技術(shù)，根據(jù)不同云層和點(diǎn)雨量間的回歸關(guān)系，建立面雨量計(jì)算模型。并以GMS影像為信息源，對2000年黃河流域雨量進(jìn)行遙感反演，從各二級流域校驗(yàn)結(jié)果來看，本次反演精度整體達(dá)到90％?？梢钥闯?，遙感技術(shù)為無資料地區(qū)的面雨量資料的獲取提供了便利途徑。
關(guān)鍵字：黃河流域 降水 遙感反演 校驗(yàn)

　降雨是是不同尺度的大氣物理過程和天氣動(dòng)力作用之間的耦合結(jié)果，也是流域水循環(huán)系統(tǒng)的輸入。長期以來，對于降雨的測定通常采取將點(diǎn)尺度外延至面尺度，即用點(diǎn)雨量代替面雨量來計(jì)算區(qū)域的降雨量。實(shí)際情況表明，即便在同一氣候分區(qū)，降雨量的特性在同一時(shí)間內(nèi)，各點(diǎn)的值并不相等，即降雨的特性也存在著明顯的空間變異性。針對這一特性，人們通過加密雨量站點(diǎn)來解決這一點(diǎn)雨量信息向上尺度化過程中存在的問題。

　　在現(xiàn)代空間技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)信息獲取系統(tǒng)已經(jīng)得到有效拓展，具有大空間尺度的現(xiàn)代遙感技術(shù)能夠直接采集動(dòng)態(tài)面狀信息，氣象衛(wèi)星的紅外、可見光和微波等波段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域水量的估算。更為重要的是，遙感技術(shù)能夠得到的降水的三維時(shí)變信息對于流域水循環(huán)過程研究更為重要，而這一點(diǎn)是傳統(tǒng)水文方法所不能實(shí)現(xiàn)的。

1．降水遙感反演的研究進(jìn)展

　　利用遙感技術(shù)估算區(qū)域降水的方法按其計(jì)算原理可以分為直接方法和間接方法。直接方法主要利用微波波段直接估算降水，其測定原理主要是因?yàn)槲⒉úㄩL與雨滴直徑相接近，而遠(yuǎn)大于云粒子，使得雨滴對于微波輻射的體散射、體消光的影響比云約大三個(gè)量級，因此根據(jù)降水層的冰晶層對于微波輻射的散射效應(yīng)就能夠直接反應(yīng)降水信息，通常采用的直接散射信息是亮度溫度。微波技術(shù)由于能夠穿透云層，直接獲取云層之下的實(shí)際降水微粒特征，因而被廣泛采用，如全球能量與水分循環(huán)試驗(yàn)（GEWEX）就利用遙感手段直接估算東亞副熱帶半濕潤地區(qū)的降水，如利用TRMM和GMS-5的微波波段估算淮河流域降水^[1]。事實(shí)上，由于微波無法直接測定地面的降水?dāng)?shù)據(jù)，而只能通過垂直梯度的水分差異由云層底層降水特征間接導(dǎo)出，有時(shí)二者之間相關(guān)性較差，因此利用微波直接估算區(qū)域面雨量仍需不斷完善。

　　間接方法主要利用云層頂端的可見光/紅外波段的輻射特征指示降水的可能性，在方法上主要包括以Scofieldde技術(shù)為代表的云生存期法和以Arkin技術(shù)為代表的云指數(shù)法等。間接方法測優(yōu)勢是紅外和可見光波段通常具有較高的空間分辨率，并具有時(shí)間上的大量樣本，但由于間接方法所測定的信息是由云頂輻射導(dǎo)出的，而實(shí)際降水來自于云體下方，二者間并非一種直接關(guān)系，因此單純利用云層輻射信息計(jì)算降水存在一定的局限（劉昌明，2001）。事實(shí)上，衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢在于其能夠有效地反應(yīng)降水地時(shí)空展布，而地面雨量計(jì)的長處在于它能夠精確反應(yīng)單點(diǎn)雨量，如果能夠利用地面雨量計(jì)的觀測結(jié)果來反向標(biāo)定遙感降水估算結(jié)果，就完全能夠克服上述間接方法本身存在的固有缺陷。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，常規(guī)地面觀測資料的采集越發(fā)快捷，將雨量站精確的點(diǎn)觀測與衛(wèi)星資料大范圍面觀測的互補(bǔ)優(yōu)勢有機(jī)融合起來，成為間接方法提高降水估算精度的主要途徑。如在GEWEX中的“淮河流域試驗(yàn)（HUBEX）”當(dāng)中就采取了一種智能型客觀分析方法將地面雨量觀測結(jié)果與衛(wèi)星降水估算結(jié)果進(jìn)行了融合，融合結(jié)果的誤差明顯小于單純直接估算結(jié)果^[1]。

2．降水遙感反演系統(tǒng)介紹

　　本次研究黃河流域年尺度降水遙感反演是基于CEWBMS系統(tǒng)開展的，CEWBMS系統(tǒng)中國能量與水平衡監(jiān)測系統(tǒng)（China Energy and Water Balance Monitior System）的英文縮寫^[2]。經(jīng)過三年多時(shí)間的建設(shè)和完善，該套系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)和科研的實(shí)踐當(dāng)中。

　　由于本系統(tǒng)生產(chǎn)的主要標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中，降水是流域水循環(huán)基本輸入輸出要素，而且該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集具有很高的時(shí)間分辨率，非常吻合流域尺度水循環(huán)過程研究的信息需求，為此筆者將該系統(tǒng)引入流域水循環(huán)研究當(dāng)中，結(jié)合所參與的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“黃河流域水資源演變規(guī)律與可再生性維持機(jī)理研究”，以黃河流域?yàn)榈湫吞乩?，企圖借此現(xiàn)代工具對現(xiàn)代流域水循環(huán)的過程研究進(jìn)行一些的探索和嘗試。

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是日本的靜止氣象衛(wèi)星GMS-5，位于赤道上空35800公里。東經(jīng)140度位置。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)接受該衛(wèi)星多通道掃描輻射計(jì)VISSR的信號，可以獲取白天可見光、晝夜紅外合水汽資料。本次降水反演主要利用GMS衛(wèi)星接收的可見光和熱紅外兩個(gè)波段信息，相關(guān)參數(shù)如下：

　?。?）可見光波段VIS：空間分辨率2.5公里，時(shí)間分辨率1小時(shí)，波譜范圍0.45-1.0µm；

　　（2）熱紅外波段TIR：空間分辨率5公里，時(shí)間分辨率1小時(shí), 波譜范圍10.5-12.5µm；

3. 反演原理

　　降水主要來自于云。當(dāng)云滴增大到能夠克服空氣阻力和上升氣流的抬升時(shí)，并且在下降到地面過程中不被蒸發(fā)掉，就形成降水。目前我國對于云使用的分類方法是先按云的高度劃分，然后按云的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、形態(tài)特征劃分。按云的高度劃分為高云族（>5000m）、中云族（2500～5000m）和低云族（<2500m），進(jìn)一步按云的結(jié)構(gòu)特征可以劃分為10屬29類。在三族云當(dāng)中，對于降雨意義較大的是低云族，包括積云、積雨云、層積云、層云和雨層云五屬。降水與云層溫度關(guān)系密切，根據(jù)云層溫度還可以將云劃分為冷云和暖云，其中冷云一般處于0^。C以下的空間，而暖云則多處于0^。C以上的空間。

　　CEWBMS系統(tǒng)測定降水的基本原理就是利用與降水有內(nèi)在物理聯(lián)系的各類云層空間分布狀況，對應(yīng)區(qū)域GTS系統(tǒng)各單點(diǎn)雨量觀測數(shù)據(jù)，建立二者間的相關(guān)關(guān)系，然后利用這種關(guān)系將單點(diǎn)雨量外延到區(qū)域面上的過程。與傳統(tǒng)水文方法相比，本系統(tǒng)在點(diǎn)雨量到面雨量的外延方法上，用具有內(nèi)成因機(jī)制的降水－云相關(guān)關(guān)系替代了各種單純的數(shù)學(xué)方法，顯然要科學(xué)得多。

　　可以看出，CEWBMS系統(tǒng)測定降水必須具備兩個(gè)基礎(chǔ)，一是區(qū)域雨量站點(diǎn)得實(shí)測數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)是基于GTS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。由于GTS自身的目的，其布站上多接近于人口稠密地區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)站點(diǎn)較少。中國共有543個(gè)GTS雨量站點(diǎn)，其中黃河流域有81個(gè)，具體分布見圖1；二是用于各雨量站點(diǎn)間降水估算得遙感云圖，本次采用2000年GMS-5遙感影像為云圖數(shù)據(jù)源。

本系統(tǒng)根據(jù)GMS衛(wèi)星影像特征，結(jié)合氣象觀測經(jīng)驗(yàn)值，將云層劃分為冷云、高云、中高云、中低云和低云5種類型，不同云層分類及相關(guān)參數(shù)閾值見表1。

表1 云層分類及閾值

云層類型紅外光譜值溫度范圍(K)云層高度(km)冷云< 45< 226> 10.8高云45~60226~2408.5~10.8中高云60~90240~2605.2~8.5中低云90~120260~2802.2~5.2低云>120>280<2.23. 反演過程本次降水雨量反演過程可以分解為三個(gè)主要步驟：

　?。?）回歸對每個(gè)站與其周邊n個(gè)站)間的降雨量觀察值和云的生存期進(jìn)行局部回歸（n=12），建立云量—雨量間的多元回歸方程。云生存期方法估算雨量的一般回歸方程如下：

（1）

其中，CD_i為一旬中第i云層的生存期，a_i為回歸系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)。

對于CEWBMS系統(tǒng)而言，上述式子可以具體表述如下：

（2）

其中：TTE＝DN _cloud－DN _{threshold cold cloud class}

式中：CD_c－冷云生存期；CD_h－高云生存期；

CD_mh－中高云生存期；CD_ml－中低云生存期；

TTE－溫度的過余閾值；DN－像數(shù)值。

　?。?）殘差檢測計(jì)算通過上述回歸方程計(jì)算出來的雨量與實(shí)際GTS觀測雨量間的差值，即：

（3）

　?。?）基于地理尺度因子的雨量修正

　　通常地，對于雨量場中任意兩點(diǎn)雨量相關(guān)主要取決于兩站點(diǎn)間的距離，因此系統(tǒng)選取了距離因子作為校正殘差S_i的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)加權(quán)轉(zhuǎn)換距離方法，對各像元回歸系數(shù) (a_i) 和殘差(S_i)進(jìn)行內(nèi)插，推求出以像元為單位的各GTS雨量站間的尺度因子（S），然后根據(jù)尺度因子來確定面雨量計(jì)算的修正項(xiàng)。

將估計(jì)降雨量加上基于地理尺度因子（S）得到的修正項(xiàng)，即可計(jì)算出區(qū)域面降雨量，即：

（4）

4. 反演結(jié)果與校驗(yàn)

　　經(jīng)過對2000年黃河流域逐日每小時(shí)遙感圖像的接收、預(yù)處理、校正和合成，得到逐旬降水雨量圖。然后利用具備高度RS/GIS集成功能的專業(yè)遙感圖像處理系統(tǒng)ERDAS IMAGINE為工具，選取了1∶400萬二級流域邊界圖作為統(tǒng)計(jì)底圖。對旬度水分產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終得到2000年度黃河流域二級分區(qū)逐旬水量反演結(jié)果，具體反演結(jié)果見表2。

表2 2000年黃河流域降水反演結(jié)果（單位：mm）

月 份旬河源－龍羊峽龍羊峽－蘭州蘭州－河口鎮(zhèn)河口鎮(zhèn)－龍門龍門－三門峽三門峽－花園口花園口以下鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)1月上0.000.151.322.820.751.474.932.49中0.090.141.555.294.516.274.500.40下0.340.201.494.090.680.9510.221.032月上0.010.000.160.240.020.001.830.01中1.130.560.070.070.450.800.230.00下0.431.810.860.692.492.192.190.253月上3.502.550.180.000.460.000.000.00中1.741.061.212.322.190.150.071.02下1.712.730.792.106.011.550.000.304月上9.125.520.420.954.936.842.480.12中0.820.720.905.432.792.663.972.06下10.554.850.900.712.111.060.400.685月上8.2410.181.995.068.965.7115.911.14中8.896.452.500.742.644.6813.180.28下21.9816.345.3811.129.305.751.431.176月上41.3215.709.1414.9019.8036.595.6114.50中7.0417.4515.9814.2627.3818.433.9210.71下37.1344.5915.9318.6535.8851.9454.409.177月上28.3911.2220.1241.9927.6764.4891.4817.73中12.456.252.125.0212.7272.6356.500.48下23.0337.019.7114.8913.3711.0729.179.278月上40.0038.3426.8148.6441.6096.7355.1429.71中25.2526.008.3719.2232.5025.4142.678.35下9.2316.328.1918.2419.097.4034.229.109月上37.4446.3811.549.1116.6030.0524.767.18中8.077.211.764.296.4719.673.011.04下23.2127.8412.7322.4432.6334.4535.8315.4010月上4.5417.645.7020.6537.5827.5644.753.16中12.236.021.001.148.1413.124.121.07下4.114.594.589.4811.2622.3919.493.4611月上0.200.110.153.697.168.472.540.24中2.964.811.763.736.328.169.581.13下2.240.690.000.000.170.460.020.0112月上0.620.730.100.000.511.571.040.00中0.550.260.330.040.061.460.500.00下0.100.000.200.090.020.000.000.00∑388.62382.40175.96312.06405.18592.13580.08152.66

　　據(jù)《黃河水資源公報(bào)》，2000年黃河流域平均降水381.8mm，與常年降水相比較，全流域偏少14.4％。流域內(nèi)各分區(qū)降水量以花園口－河口最大，為681.5mm，其次是三門峽－花園口區(qū)間，為657.1mm；黃河內(nèi)流區(qū)降水最小，為162.5mm，其次為蘭州－河口鎮(zhèn)的182.9mm。

　　黃河流域降水結(jié)果反演結(jié)果與黃河流域水資源公報(bào)公布數(shù)據(jù)對比如表3。

表3 黃河流域降水反演結(jié)果與公報(bào)數(shù)據(jù)對比

流域名稱反演結(jié)果公報(bào)結(jié)果公報(bào)－反演反演/公報(bào)（％）mm億m³mm億m³mm億m³黃河流域340.82719.0381.8 3016.241.0321.090.2河源－龍羊峽388.6511.7413.2 544.024.632.394.1龍羊峽－蘭州382.4356.6412.6 384.830.428.292.7蘭州－河口鎮(zhèn)176.0283.3182.9 294.56.311.296.2河口鎮(zhèn)－龍門312.1349.8338.9379.826.730.0 92.1龍門－三門峽405.2770.8478.6 910.573.4139.784.7三門峽－花園口592.1245.9657.1 272.965.027.090.1花園口以下580.1131.1681.5 154.0101.422.985.1鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)152.769.8165.6 75.712.95.992.2

　　從表3可以看出，以2000年《黃河水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，本次反演結(jié)果偏差最大的是龍－三區(qū)間，偏差約為15％，偏差最小的為蘭州－河口區(qū)間，偏差為6％，總體精度達(dá)到90％，最大偏差也僅15.3％，反演結(jié)果比較理想。

5. 結(jié)果討論

　　通過結(jié)果對比可以看出本次反演結(jié)果具有兩個(gè)特點(diǎn)，其一，所有區(qū)間反演結(jié)果都偏小，表明在反演過程種可能存在系統(tǒng)偏差問題；其二，總體來說，雨量小的地區(qū)反演的精度相對要高，從這一點(diǎn)來說，本研究方法更適合于我國干旱半干旱地區(qū)。

　　本次黃河流域降水遙感反演具有良好的物理機(jī)制，其精度應(yīng)當(dāng)有所保證，分析上述系統(tǒng)偏差產(chǎn)生，主要是由于本次在對衛(wèi)星云圖和地面降水實(shí)測值進(jìn)行融合過程中，采用的是各國上報(bào)國際氣象組織的GTS站點(diǎn)數(shù)據(jù)所造成。事實(shí)上，氣象站點(diǎn)信息主要服務(wù)于人們?nèi)粘Ｉ?，因此在站點(diǎn)布設(shè)時(shí)都集中于人口稠密地區(qū)，如城市及其周邊地區(qū)，這些城市多集中于平原、盆地地區(qū)。另一方面，影響降水的因素除了大氣環(huán)流以外，一些中觀或微觀因子也起到一定作用，如地形降水等，造成降水的地區(qū)分布通常是山區(qū)大于平原，因此GTS雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)在宏觀代表性上存在一定的局限性，由此為基礎(chǔ)進(jìn)行融合所建立的模型反演結(jié)果與基于水文系統(tǒng)雨量觀測計(jì)算出來的流域面雨量相比有可能偏小，這可能是造成本次反演結(jié)果偏小的主要原因，有待于下一步工作中改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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　　[2] 江東，王乃斌，中國能量與水平衡遙感監(jiān)測系統(tǒng)，遙感信息，2002（2）