馮克鵬，田軍倉*，洪陽，唐國強(qiáng)，闞光遠(yuǎn)，羅翔宇

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4.俄克拉荷馬大學(xué)土木工程與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，美國 俄克拉荷馬州 諾曼73072；5.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

降水在氣候、氣象、水文預(yù)報(bào)、水文災(zāi)害等領(lǐng)域的研究、監(jiān)測和預(yù)測中發(fā)揮著重要作用.對降水的準(zhǔn)確估計(jì)和大范圍快速獲取高時(shí)空分辨率的連續(xù)降水觀測數(shù)據(jù)，能夠促進(jìn)對水循環(huán)的理解，同時(shí)對流域水文過程模擬以及預(yù)報(bào)具有重要意義[1-2].近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)和雷達(dá)測雨技術(shù)快速發(fā)展，反演降水的算法不斷地進(jìn)步，出現(xiàn)了大量不同時(shí)空分辨率的衛(wèi)星和雷達(dá)降水產(chǎn)品[3-4]，有效地促進(jìn)了不同尺度的水循環(huán)研究.尤其以熱帶降水測量計(jì)劃(TRMM)、全球降水觀測計(jì)劃(GPM)和定量降水估計(jì)產(chǎn)品(NCEP Stage Ⅳ Precipitation,Stage Ⅳ)為代表的衛(wèi)星和雷達(dá)降水產(chǎn)品在時(shí)效性和觀測精度上取得了極大進(jìn)步.國內(nèi)外學(xué)者就上述3種降水產(chǎn)品，圍繞降水精度評估、利用衛(wèi)星雷達(dá)降水分析不同時(shí)空尺度降水變化，模擬水文效用等方面開展了大量研究[5-7],基于上述降水產(chǎn)品開發(fā)的全球或大中型區(qū)域尺度的徑流模擬和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在多次水文災(zāi)害事件的預(yù)報(bào)和再現(xiàn)中得到了積極的評價(jià)[8-9].然而衛(wèi)星和雷達(dá)降水產(chǎn)品尚存在明顯的空間變異性，在不同時(shí)空尺度的水文應(yīng)用中仍存在明顯的不確定性.特別是衛(wèi)星和雷達(dá)降水在小流域尺度水文模擬和預(yù)報(bào)中的能力，仍是目前值得深入研究的內(nèi)容.

文中選取典型小流域，基于地面雨量站降水觀測數(shù)據(jù)，評估TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品3B42 V7、GPM-IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品、Stage Ⅳ雷達(dá)降水產(chǎn)品的精度，并結(jié)合CREST分布式水文模型，模擬再現(xiàn)該流域日徑流量過程，評估3種降水產(chǎn)品在小流域尺度的水文模擬效用，從而為衛(wèi)星降水，雷達(dá)降水產(chǎn)品在水文行業(yè)中研究和應(yīng)用提供參考.

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

Little Washita River流域位于美國俄克拉荷馬州西南部，它是Washita河的一條小支流.流域面積611 km2，海拔高度300～500 m，地勢較平坦，土壤主要為細(xì)沙和粉質(zhì)壤土.該流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，多年年均降水量760 mm，降水和洪水多發(fā)生在春夏兩季.Little Washita River多年日均流量僅為1.23 m3/s.美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory,USA)的河流分級系統(tǒng)(USSCE,The U.S.Stream Classification System)將全美260萬條河流分為8級，從大到小分別為超大河流(Great River)、大河(Large River)、干流(Main Stem)、中等河流(Medium River)、小河(Small River)、溪流(Large Creek)、小溪(Creek)、河源(Headwater).在該河流分級系統(tǒng)中，Little Washita River屬于河源Headwater級別.因此，結(jié)合流域面積、日均流量以及美國河流分級系統(tǒng)數(shù)據(jù)，所選取的Little Washita River 流域?qū)儆诘湫托×饔?

1.2 研究數(shù)據(jù)

文中擬評估TRMM/GPM衛(wèi)星降水和Stage Ⅳ雷達(dá)降水在小流域水文模擬效用.因此，除上述3種衛(wèi)星雷達(dá)降水?dāng)?shù)據(jù)，還選用了研究區(qū)域內(nèi)雨量站地面觀測降水?dāng)?shù)據(jù)，用以評估衛(wèi)星雷達(dá)降水的精度.文中設(shè)定所有選用的數(shù)據(jù)時(shí)間段為2014年6月1日—2018年6月30日，統(tǒng)一時(shí)間分辨率為日尺度，空間分辨率為0.008 3°×0.008 3° (約1 km2).

1.2.1 TRMM 3B42 V7 衛(wèi)星降水

文中選用了TRMM降雨估計(jì)產(chǎn)品3B42 V7.TRMM衛(wèi)星2015年4月由于燃料耗盡，正式結(jié)束觀測任務(wù).由于TMPA降水產(chǎn)品的成功，TRMM團(tuán)隊(duì)并沒有因衛(wèi)星終止觀測而終止TMPA降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品.而是運(yùn)用多種方法來延續(xù)TMPA降水產(chǎn)品.文中選擇TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品也意在評估當(dāng)前條件下，該數(shù)據(jù)集模擬水文效用的能力.該數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h，降水單位為mm/h，數(shù)據(jù)獲取地址https://pmm.nasa.gov/trmm/.

1.2.2 GPM-IMERG衛(wèi)星降水

GPM是美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)主導(dǎo)的TRMM的后續(xù)全球衛(wèi)星降水觀測計(jì)劃.GPM的核心觀測平臺于2014年2月28日發(fā)射，能夠提供全球3 h以內(nèi)雨雪觀測數(shù)據(jù).GPM覆蓋范圍大，時(shí)空分辨率高，傳感器性能更優(yōu)，可精確地探測微量降水.GPM數(shù)據(jù)Level 1-3產(chǎn)品可通過該網(wǎng)站https://pmm.gsfc.nasa.gov/GPM下載.文中選用GPM 30 min雨雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品05B_Final.其空間分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為30 min，降水單位為mm/h.

1.2.3 NCEP-Stage Ⅳ雷達(dá)降水

NCEP-Stage Ⅳ是美國氣象局國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的雷達(dá)定量估測降水產(chǎn)品(www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/ylin/pcpanl/stage4/)，項(xiàng)目起始于2001年12月1日.其數(shù)據(jù)結(jié)合全美大約150個(gè)多普勒新一代天氣雷達(dá)的降水估計(jì)值和約5 500個(gè)地面雨量計(jì)的測量值，由分布在美國大陸的12個(gè)河流預(yù)報(bào)中心按各自區(qū)域生產(chǎn).數(shù)據(jù)采集開始于每小時(shí)的33 min，并以1 h和6 h為時(shí)間步長進(jìn)行累積計(jì)算，迭代復(fù)核和人工質(zhì)量控制，最后將各區(qū)域數(shù)據(jù)鑲嵌合成美國大陸雷達(dá)降水定量估測數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)空間分辨率4 km，時(shí)間分辨率1 h，6 h，24 h，降水單位mm.

1.2.4 流域地面觀測降水

流域內(nèi)地面觀測降水資料采用美國國家海洋和大氣局(NOAA)降水觀測數(shù)據(jù).流域邊界、徑流和地形資料分別采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的流域邊界數(shù)據(jù)集(Watershed Boundary Dataset V2.2.1)，美國10 m精度數(shù)字高程模型(DEM)以及美國國家水信息系統(tǒng)數(shù)據(jù).在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用GIS空間分析工具，提取流域河網(wǎng)、河網(wǎng)流向、河網(wǎng)匯聚等信息.潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來自USGS饑荒預(yù)警系統(tǒng)(Famine Early Warning System，F(xiàn)EWS，https://earlywarning.usgs.gov/fews/datadownloads/Global/PET)，其每日全球潛在蒸散量是根據(jù)每6 h從全球資料同化系統(tǒng)提取的氣候數(shù)據(jù),使用Penman-Monteith方程計(jì)算得出，然后求和獲得每日總計(jì).該數(shù)據(jù)空間分辨率1.0°×1.0°，時(shí)間分辨率1 d.

1.3 CREST分布式水文模型

CREST(Coupled Routing and Excess Storage) 模型由美國俄克拉荷馬大學(xué)水文氣象與遙感實(shí)驗(yàn)室(HyDROS)和美國宇航局( NASA) SERVIR團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā).它是一個(gè)分布式水文模型，將全流域劃分為若干網(wǎng)格，使用可變滲透能力曲線逐網(wǎng)格進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，并利用多線性水庫逐網(wǎng)格計(jì)算地表和地下水匯流，最后通過耦合產(chǎn)流要素和匯流結(jié)構(gòu)，模擬再現(xiàn)徑流過程.該模型在全球尺度、大區(qū)域尺度以及中小尺度都有出色的水文模擬和預(yù)報(bào)能力.CREST模型運(yùn)行時(shí)，需要輸入的數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)流域信息(如流域邊界、DEM、流向等)、降水、潛在蒸散發(fā)、流域出口流量、初始條件以及模型參數(shù).模型輸出結(jié)果包括土壤含水量、土壤濕度、地面徑流等.為節(jié)省篇幅，有關(guān)模型數(shù)據(jù)預(yù)處理，模型參數(shù)取值范圍等詳細(xì)信息請參考美國俄克拉荷馬大學(xué)HyDROS實(shí)驗(yàn)室CREST模型網(wǎng)址(http://hydro.ou.edu/research/crest/).

1.4 統(tǒng)計(jì)評估指標(biāo)

文中選擇了5種統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證指標(biāo):相對偏差Bias、均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE、相關(guān)系數(shù)CC、判定系數(shù)R2定量評估TRMM，GPM，Stage Ⅳ衛(wèi)星雷達(dá)降水的精度.采用納什效率系數(shù)NSCE、相對偏差Bias和相關(guān)系數(shù)CC評估各降水產(chǎn)品的水文模擬效用.計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Sim為TRMM，GPM，Stage Ⅳ降水估測數(shù)據(jù)或CREST模型模擬出的徑流數(shù)據(jù)；Obs為地面雨量站降水觀測數(shù)據(jù)或徑流站流量觀測數(shù)據(jù)；n為模擬值或觀測值總數(shù)；i為第i個(gè)模擬值或觀測值.4個(gè)評估指標(biāo)Bias=0%，RMSE=0，CC=1，NSCE=1代表最好的評估結(jié)果.為了細(xì)致地定量評估各降水產(chǎn)品的水文模擬效用，根據(jù)MORIASI等[10]的工作，將NSCE值分為4個(gè)區(qū)間，代表4個(gè)級別水文模擬效用：較差(NSCE≤0.50)，適用(0.50

2 結(jié)果與討論

2.1 降水精度評估

鑒于衛(wèi)星和雷達(dá)降水產(chǎn)品誤差與空間尺度有關(guān)，文中以2014年6月1日—2018年6月30日地面雨量站觀測降水作為參照，對同期的衛(wèi)星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG和雷達(dá)降水Stage Ⅳ，分別在單個(gè)柵格和流域2種尺度進(jìn)行降水精度評估.

2.1.1 單個(gè)柵格尺度降水精度

選取至少包含1個(gè)雨量站的柵格，若該柵格內(nèi)包含多個(gè)雨量站，則將柵格內(nèi)所有站點(diǎn)的降水量求算術(shù)平均，與上述3種降水產(chǎn)品對應(yīng)柵格降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表1和圖1所示，其中p為地面觀測降水量；pT,pG,pS分別為3種降水產(chǎn)品對應(yīng)降水量.TRMM 3B42 V7衛(wèi)星降水，GPM-IMERG衛(wèi)星降水，Stage Ⅳ雷達(dá)降水與地面觀測降水相關(guān)系數(shù)分別為0.55，0.65，0.76.結(jié)合判斷系數(shù)R2，誤差RMSE，MAE統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，總體上Stage Ⅳ雷達(dá)降水與地面降水吻合最好，GPM-IMERG次之，TRMM 3B42 V7再次.3種降水產(chǎn)品與地面降水的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，且通過了0.05置信水平檢驗(yàn).

表1 各降水產(chǎn)品在柵格尺度的降水精度評估Tab.1 Accuracy of precipitation products against rain-gauged precipitation at grid scale

圖1 柵格尺度TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ降水產(chǎn)品與地面觀測降水精度對比Fig.1 Comparison of accuracy of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ precipitation products against rain-gauged precipitation at grid scale

2.1.2 流域尺度面降水量精度

將地面觀測降水插值處理，得到地面觀測面降水量，并以此作為參照，對比同期的衛(wèi)星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG和雷達(dá)降水Stage Ⅳ，如表2和圖2所示.根據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，在流域尺度 Stage Ⅳ降水與地面觀測降水吻合精度最好，其次是GPM-IMERG降水，它的精度優(yōu)于TRMM 3B42 V7.與柵格尺度對比，流域尺度的3種降水產(chǎn)品與地面觀測降水相關(guān)度CC有明顯提高，RMSE和MAE均減小.3種降水產(chǎn)品與地面降水的相關(guān)系數(shù)均通過0.05水平置信檢驗(yàn).

圖2 流域尺度TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ降水產(chǎn)品與地面觀測降水對比Fig.2 Comparison of the accuracy of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ precipitation products against rain-gauged precipitation at basin scale

表2 各降水產(chǎn)品在流域尺度的降水精度評估Tab.2 Accuracy of precipitation products against rain-gauged precipitation at basin scale

2.1.3 不同降水強(qiáng)度級別精度

文中采用國際氣象組織(WMO)降水強(qiáng)度P級別分類標(biāo)準(zhǔn)，更精細(xì)地分析了衛(wèi)星降水和雷達(dá)降水精度.降水強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級，分別是① 無雨：降水<1 mm，② 微雨：1 mm≤降水<2 mm，③ 小雨：2 mm≤降水<5 mm，④ 中雨：5 mm≤降水<10 mm，⑤ 大雨：10 mm≤降水<50 mm，⑥ 暴雨：降水≥50 mm.統(tǒng)計(jì)分析各降水強(qiáng)度等級的發(fā)生頻率，如圖3和表3所示，其中E為發(fā)生頻率，e為頻率誤差.

圖3 TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ和地面觀測降水發(fā)生頻率分布Fig.3 Occurrence frequencies of daily precipitation of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ and rain-gauged precipitation

表3 TRMM,GPM-IMERG,Stage Ⅳ雷達(dá)降水相對地面觀測降水在各降水強(qiáng)度級別的頻率誤差Tab.3 Frequency error of TRMM,GPM-IMERG,Stage Ⅳ against rain-gauged precipitation at each intensity level

在Little Washita River流域，TRMM 3B42 V7和GPM-IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品相對地面觀測降水，對無雨和微雨存在低估，對大雨和暴雨則是高估.Stage Ⅳ雷達(dá)降水在各降水強(qiáng)度等級的估測精度都高于GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7衛(wèi)星降水.從整體上，無論衛(wèi)星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG還是雷達(dá)降水Stage Ⅳ在Little Washita小流域的降水估測精度較好，頻率誤差沒有超過±10%.

2.2 水文模擬效用評估

文中用3種降水產(chǎn)品分別驅(qū)動(dòng)分布式水文模型CREST，模擬Little Washita River小流域的徑流過程，評估3種降水產(chǎn)品的水文模擬效用.徑流模擬情景設(shè)定2014年6月1日—2016年6月30日為率定期，2016年7月1日—2018年6月30日為驗(yàn)證期.在相同率定期內(nèi)，分別使用Stage Ⅳ雷達(dá)降水，GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7衛(wèi)星降水率定CREST模型參數(shù)，得到各自降水產(chǎn)品率定的參數(shù)集后，在相同的驗(yàn)證期對徑流進(jìn)行模擬.這種情景設(shè)置有利于評估無地面觀測數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)有限情況下，僅采用遙感降水?dāng)?shù)據(jù)對流域水文過程模擬的效果，水文模型參數(shù)及其取值見表4.

表4 CRET分布式水文模型參數(shù)及取值范圍Tab.4 CRET distributed hydrological model parameters and range of values

圖4，5，6分別是Stage Ⅳ，GPM-IMERG，TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品的日降水量pr，日徑流觀測值Qr和日徑流過程率定、模擬值的時(shí)間序列圖.Stage Ⅳ在率定期NSCE達(dá)到0.84，CC為0.91，在驗(yàn)證期統(tǒng)計(jì)指標(biāo)小有衰減，NSCE為0.64，CC為0.82.水文模擬效用在率定期和驗(yàn)證期分別達(dá)到優(yōu)秀和良好.GPM-IMERG在率定期NSCE為0.48，CC為0.76，但在驗(yàn)證期NSCE衰減為0.44，CC為0.68，水文模擬效用在率定期接近適用，在驗(yàn)證期較差.TRMM 3B42 V7在率定期NSCE僅為0.32，CC為0.56，在驗(yàn)證期NSCE為0.28，CC為0.51，水文模擬效用在率定期和驗(yàn)證期都較差.

圖4 Stage Ⅳ雷達(dá)降水徑流模擬Fig.4 Runoff simulation of Stage Ⅳ

圖5 GPM-IMERG衛(wèi)星降水徑流模擬Fig.5 Runoff simulation of GPM-IMERG

圖6 TRMM 3B42 V7衛(wèi)星降水徑流模擬Fig.6 Runoff simulation of TRMM 3B42 V7

從時(shí)間序列整體上觀察，3種降水產(chǎn)品對洪峰出現(xiàn)的時(shí)間捕捉得較準(zhǔn)確；而對于洪峰流量的模擬，效果不一.Stage Ⅳ是3種降水產(chǎn)品中的模擬效果最好的，重現(xiàn)了流域行洪期間的日徑流量過程；GPM-IMERG 和TRMM 3B42 V7對洪峰流量的模擬效果則存在明顯波動(dòng)，不夠準(zhǔn)確.

3 結(jié) 論

本研究以地面觀測降水作為參照，對比分析了TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG衛(wèi)星降水和Stage Ⅳ雷達(dá)降水的精度，并用這3種降水產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)CREST分布式水文模型，評估了其水文模擬效用.根據(jù)降水精度評估結(jié)果，無論在柵格尺度還是流域尺度，3種降水產(chǎn)品都與地面觀測降水有較好的相關(guān)性，Stage Ⅳ雷達(dá)降水與地面觀測降水相關(guān)性最高，誤差最小，其次是GPM-IMERG，最后是TRMM 3B42 V7.根據(jù)對不同降水強(qiáng)度的捕捉能力，GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品在無雨、微雨存在低估，大雨和暴雨存在高估；低估和高估的程度不大，頻率誤差不足10%.水文模擬效用評估中，Stage Ⅳ雷達(dá)降水在小流域水文模擬中效果最好，GPM-IMERG次之，TRMM 3B42 V7模擬效果不理想.3種降水產(chǎn)品都能夠捕捉到洪峰發(fā)生的時(shí)間，GPM-IMERG，TRMM 3B42 V7水文再現(xiàn)效果不如Stage Ⅳ的主要原因是模擬洪峰流量時(shí)不夠準(zhǔn)確.基于文中設(shè)置的水文模擬情景，使用Stage Ⅳ雷達(dá)降水能滿足小流域水文模擬的需求，GPM-IMERG衛(wèi)星降水進(jìn)行水文模擬時(shí)需要再評估，TRMM 3B42 V7 可能由于空間分辨率和傳感器精度的原因，尚不足以支撐小流域水文模擬.以上結(jié)論也說明，高時(shí)空分辨率的降水估測產(chǎn)品對小流域水文模擬及預(yù)報(bào)的有效性和重要性，流域水文水資源領(lǐng)域?qū)Ω邥r(shí)空分辨率的降水估測產(chǎn)品有著迫切的需求.