基于现代信息技术的黄河流域年降水反演研究

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简介： 降水是流域水循环系统的基本输入，传统水文方法中获取面上降水都是通过点雨量扩展获取，因此对于雨量站点的密度有较高要求。本文引入国际先进遥感技术，根据不同云层和点雨量间的回归关系，建立面雨量计算模型。并以GMS影像为信息源，对2000年黄河流域雨量进行遥感反演，从各二级流域校验结果来看，本次反演精度整体达到90％。可以看出，遥感技术为无资料地区的面雨量资料的获取提供了便利途径。
关键字：黄河流域 降水 遥感反演 校验

　降雨是是不同尺度的大气物理过程和天气动力作用之间的耦合结果，也是流域水循环系统的输入。长期以来，对于降雨的测定通常采取将点尺度外延至面尺度，即用点雨量代替面雨量来计算区域的降雨量。实际情况表明，即便在同一气候分区，降雨量的特性在同一时间内，各点的值并不相等，即降雨的特性也存在着明显的空间变异性。针对这一特性，人们通过加密雨量站点来解决这一点雨量信息向上尺度化过程中存在的问题。

　　在现代空间技术日益发达的今天，传统信息获取系统已经得到有效拓展，具有大空间尺度的现代遥感技术能够直接采集动态面状信息，气象卫星的红外、可见光和微波等波段已经被广泛应用于区域水量的估算。更为重要的是，遥感技术能够得到的降水的三维时变信息对于流域水循环过程研究更为重要，而这一点是传统水文方法所不能实现的。

1．降水遥感反演的研究进展

　　利用遥感技术估算区域降水的方法按其计算原理可以分为直接方法和间接方法。直接方法主要利用微波波段直接估算降水，其测定原理主要是因为微波波长与雨滴直径相接近，而远大于云粒子，使得雨滴对于微波辐射的体散射、体消光的影响比云约大三个量级，因此根据降水层的冰晶层对于微波辐射的散射效应就能够直接反应降水信息，通常采用的直接散射信息是亮度温度。微波技术由于能够穿透云层，直接获取云层之下的实际降水微粒特征，因而被广泛采用，如全球能量与水分循环试验（GEWEX）就利用遥感手段直接估算东亚副热带半湿润地区的降水，如利用TRMM和GMS-5的微波波段估算淮河流域降水^[1]。事实上，由于微波无法直接测定地面的降水数据，而只能通过垂直梯度的水分差异由云层底层降水特征间接导出，有时二者之间相关性较差，因此利用微波直接估算区域面雨量仍需不断完善。

　　间接方法主要利用云层顶端的可见光/红外波段的辐射特征指示降水的可能性，在方法上主要包括以Scofieldde技术为代表的云生存期法和以Arkin技术为代表的云指数法等。间接方法测优势是红外和可见光波段通常具有较高的空间分辨率，并具有时间上的大量样本，但由于间接方法所测定的信息是由云顶辐射导出的，而实际降水来自于云体下方，二者间并非一种直接关系，因此单纯利用云层辐射信息计算降水存在一定的局限（刘昌明，2001）。事实上，卫星遥感的优势在于其能够有效地反应降水地时空展布，而地面雨量计的长处在于它能够精确反应单点雨量，如果能够利用地面雨量计的观测结果来反向标定遥感降水估算结果，就完全能够克服上述间接方法本身存在的固有缺陷。随着计算机、网络和通讯技术的迅猛发展，常规地面观测资料的采集越发快捷，将雨量站精确的点观测与卫星资料大范围面观测的互补优势有机融合起来，成为间接方法提高降水估算精度的主要途径。如在GEWEX中的“淮河流域试验（HUBEX）”当中就采取了一种智能型客观分析方法将地面雨量观测结果与卫星降水估算结果进行了融合，融合结果的误差明显小于单纯直接估算结果^[1]。

2．降水遥感反演系统介绍

　　本次研究黄河流域年尺度降水遥感反演是基于CEWBMS系统开展的，CEWBMS系统中国能量与水平衡监测系统（China Energy and Water Balance Monitior System）的英文缩写^[2]。经过三年多时间的建设和完善，该套系统已经成功应用于多个领域的生产和科研的实践当中。

　　由于本系统生产的主要标准产品中，降水是流域水循环基本输入输出要素，而且该系统的数据采集具有很高的时间分辨率，非常吻合流域尺度水循环过程研究的信息需求，为此笔者将该系统引入流域水循环研究当中，结合所参与的国家重点基础研究发展规划项目“黄河流域水资源演变规律与可再生性维持机理研究”，以黄河流域为典型特例，企图借此现代工具对现代流域水循环的过程研究进行一些的探索和尝试。

　　本系统的数据源是日本的静止气象卫星GMS-5，位于赤道上空35800公里。东经140度位置。本系统实时接受该卫星多通道扫描辐射计VISSR的信号，可以获取白天可见光、昼夜红外合水汽资料。本次降水反演主要利用GMS卫星接收的可见光和热红外两个波段信息，相关参数如下：

　　（1）可见光波段VIS：空间分辨率2.5公里，时间分辨率1小时，波谱范围0.45-1.0µm；

　　（2）热红外波段TIR：空间分辨率5公里，时间分辨率1小时, 波谱范围10.5-12.5µm；

3. 反演原理

　　降水主要来自于云。当云滴增大到能够克服空气阻力和上升气流的抬升时，并且在下降到地面过程中不被蒸发掉，就形成降水。目前我国对于云使用的分类方法是先按云的高度划分，然后按云的结构特点、形态特征划分。按云的高度划分为高云族（>5000m）、中云族（2500～5000m）和低云族（<2500m），进一步按云的结构特征可以划分为10属29类。在三族云当中，对于降雨意义较大的是低云族，包括积云、积雨云、层积云、层云和雨层云五属。降水与云层温度关系密切，根据云层温度还可以将云划分为冷云和暖云，其中冷云一般处于0^。C以下的空间，而暖云则多处于0^。C以上的空间。

　　CEWBMS系统测定降水的基本原理就是利用与降水有内在物理联系的各类云层空间分布状况，对应区域GTS系统各单点雨量观测数据，建立二者间的相关关系，然后利用这种关系将单点雨量外延到区域面上的过程。与传统水文方法相比，本系统在点雨量到面雨量的外延方法上，用具有内成因机制的降水－云相关关系替代了各种单纯的数学方法，显然要科学得多。

　　可以看出，CEWBMS系统测定降水必须具备两个基础，一是区域雨量站点得实测数据，本系统是基于GTS网络数据。由于GTS自身的目的，其布站上多接近于人口稠密地区，偏远地区站点较少。中国共有543个GTS雨量站点，其中黄河流域有81个，具体分布见图1；二是用于各雨量站点间降水估算得遥感云图，本次采用2000年GMS-5遥感影像为云图数据源。

本系统根据GMS卫星影像特征，结合气象观测经验值，将云层划分为冷云、高云、中高云、中低云和低云5种类型，不同云层分类及相关参数阈值见表1。

表1 云层分类及阈值

云层类型红外光谱值温度范围(K)云层高度(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. 反演过程本次降水雨量反演过程可以分解为三个主要步骤：

　　（1）回归对每个站与其周边n个站)间的降雨量观察值和云的生存期进行局部回归（n=12），建立云量—雨量间的多元回归方程。云生存期方法估算雨量的一般回归方程如下：

（1）

其中，CD_i为一旬中第i云层的生存期，a_i为回归系数，b为常数项。

对于CEWBMS系统而言，上述式子可以具体表述如下：

（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－温度的过余阈值；DN－像数值。

　　（2）残差检测计算通过上述回归方程计算出来的雨量与实际GTS观测雨量间的差值，即：

（3）

　　（3）基于地理尺度因子的雨量修正

　　通常地，对于雨量场中任意两点雨量相关主要取决于两站点间的距离，因此系统选取了距离因子作为校正残差S_i的权重系数。根据加权转换距离方法，对各像元回归系数 (a_i) 和残差(S_i)进行内插，推求出以像元为单位的各GTS雨量站间的尺度因子（S），然后根据尺度因子来确定面雨量计算的修正项。

将估计降雨量加上基于地理尺度因子（S）得到的修正项，即可计算出区域面降雨量，即：

（4）

4. 反演结果与校验

　　经过对2000年黄河流域逐日每小时遥感图像的接收、预处理、校正和合成，得到逐旬降水雨量图。然后利用具备高度RS/GIS集成功能的专业遥感图像处理系统ERDAS IMAGINE为工具，选取了1∶400万二级流域边界图作为统计底图。对旬度水分产品进行统计，最终得到2000年度黄河流域二级分区逐旬水量反演结果，具体反演结果见表2。

表2 2000年黄河流域降水反演结果（单位：mm）

月 份旬河源－龙羊峡龙羊峡－兰州兰州－河口镇河口镇－龙门龙门－三门峡三门峡－花园口花园口以下鄂尔多斯内流区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

　　据《黄河水资源公报》，2000年黄河流域平均降水381.8mm，与常年降水相比较，全流域偏少14.4％。流域内各分区降水量以花园口－河口最大，为681.5mm，其次是三门峡－花园口区间，为657.1mm；黄河内流区降水最小，为162.5mm，其次为兰州－河口镇的182.9mm。

　　黄河流域降水结果反演结果与黄河流域水资源公报公布数据对比如表3。

表3 黄河流域降水反演结果与公报数据对比

流域名称反演结果公报结果公报－反演反演/公报（％）mm亿m³mm亿m³mm亿m³黄河流域340.82719.0381.8 3016.241.0321.090.2河源－龙羊峡388.6511.7413.2 544.024.632.394.1龙羊峡－兰州382.4356.6412.6 384.830.428.292.7兰州－河口镇176.0283.3182.9 294.56.311.296.2河口镇－龙门312.1349.8338.9379.826.730.0 92.1龙门－三门峡405.2770.8478.6 910.573.4139.784.7三门峡－花园口592.1245.9657.1 272.965.027.090.1花园口以下580.1131.1681.5 154.0101.422.985.1鄂尔多斯内流区152.769.8165.6 75.712.95.992.2

　　从表3可以看出，以2000年《黄河水资源公报》数据为基准，本次反演结果偏差最大的是龙－三区间，偏差约为15％，偏差最小的为兰州－河口区间，偏差为6％，总体精度达到90％，最大偏差也仅15.3％，反演结果比较理想。

5. 结果讨论

　　通过结果对比可以看出本次反演结果具有两个特点，其一，所有区间反演结果都偏小，表明在反演过程种可能存在系统偏差问题；其二，总体来说，雨量小的地区反演的精度相对要高，从这一点来说，本研究方法更适合于我国干旱半干旱地区。

　　本次黄河流域降水遥感反演具有良好的物理机制，其精度应当有所保证，分析上述系统偏差产生，主要是由于本次在对卫星云图和地面降水实测值进行融合过程中，采用的是各国上报国际气象组织的GTS站点数据所造成。事实上，气象站点信息主要服务于人们日常生活，因此在站点布设时都集中于人口稠密地区，如城市及其周边地区，这些城市多集中于平原、盆地地区。另一方面，影响降水的因素除了大气环流以外，一些中观或微观因子也起到一定作用，如地形降水等，造成降水的地区分布通常是山区大于平原，因此GTS雨量站点数据在宏观代表性上存在一定的局限性，由此为基础进行融合所建立的模型反演结果与基于水文系统雨量观测计算出来的流域面雨量相比有可能偏小，这可能是造成本次反演结果偏小的主要原因，有待于下一步工作中改进。

参考文献

　　[1] 赵柏林 丁一汇，淮河流域能量与水分循环研究（一），气象出版社，北京1999.6

　　[2] 江东，王乃斌，中国能量与水平衡遥感监测系统，遥感信息，2002（2）