多源降水產(chǎn)品在不同氣候帶的水文模擬評(píng)估

馮克鵬，田軍倉(cāng)*，洪陽(yáng)，唐國(guó)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.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; 3. 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; 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(guó) 諾爾曼 73072; 5. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

降水觀測(cè)能夠促進(jìn)對(duì)水循環(huán)的理解，而且對(duì)流域水文過程模擬以及預(yù)報(bào)也具有重要意義.目前，降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于4種方法，分別是地面雨量站觀測(cè)、地面雷達(dá)探測(cè)降水、衛(wèi)星遙感降水以及氣候模式的模擬降水[1-3].地面雨量站的觀測(cè)手段直接且精度較高，但只能代表觀測(cè)站周圍有限的空間范圍.通過分布于測(cè)區(qū)的若干地面雷達(dá)臺(tái)站，可直接探測(cè)降水的空間分布，并具備實(shí)時(shí)跟蹤降水空間演變的能力，但易受雷達(dá)射線抬升和地形遮擋的影響[4-5].衛(wèi)星遙感測(cè)雨技術(shù)具有空間尺度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可提供較高時(shí)空精度的連續(xù)降水?dāng)?shù)據(jù).對(duì)于無(wú)資料和少地面觀測(cè)資料地區(qū)而言，衛(wèi)星遙感降水是一種有效的降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源，但是由于傳感器性能、反演算法等因素的影響，衛(wèi)星降水具有不確定性.隨著氣候模式以及陸氣模型的發(fā)展，降水成為當(dāng)前氣候模式輸出的重要變量，其空間尺度常是全球的，分辨率較低，通常使用降尺度的方法將其轉(zhuǎn)換到所研究的區(qū)域，這個(gè)過程會(huì)帶來(lái)誤差[6-8].

對(duì)不同降水產(chǎn)品的精度評(píng)估、區(qū)域時(shí)空分析以及模擬水文效用等，學(xué)者們開展了大量研究[9-12]，結(jié)論顯示：通過以上4種方法獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)，其誤差除了受各自方法本身因素的影響以外，還受氣候帶、季節(jié)、緯度以及其他因素影響.特別是氣候帶，已有的研究結(jié)論表明氣候帶對(duì)降水及其觀測(cè)有明顯影響[13-14].而且，降水產(chǎn)品在不同氣候帶的水文應(yīng)用中仍存在明顯的不確定性，需要進(jìn)一步研究[15-17].

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)槊绹?guó)大陸，位于北美洲，毗鄰大西洋和太平洋.通常將美國(guó)大陸區(qū)劃分為8個(gè)氣候帶：濕潤(rùn)大陸性氣候(夏季熱和夏季涼)，亞熱帶濕潤(rùn)性氣候，熱帶干濕交替季風(fēng)氣候，高原山地氣候，溫帶沙漠氣候，半干旱草原氣候，海洋性氣候，地中海氣候.其中，濕潤(rùn)大陸性氣候和亞熱帶濕潤(rùn)性氣候占較大地區(qū)，而熱帶干濕交替季風(fēng)氣候區(qū)最小，位于佛羅里達(dá)州最南端沿海區(qū)域.

假設(shè)各類型氣候帶內(nèi)的氣候是均質(zhì)的，然后將各氣候帶覆蓋的區(qū)域放入一個(gè)垂直坐標(biāo)系，用成對(duì)的隨機(jī)數(shù)作為坐標(biāo)值，以確定擬選定小流域的位置.隨機(jī)數(shù)取自Fisher隨機(jī)數(shù)表.在除熱帶干濕交替季風(fēng)氣候區(qū)以外的其他8個(gè)氣候區(qū)用上述方法隨機(jī)選取了8個(gè)閉合流域，流域面積都小于520 km2，屬于小流域，意在檢驗(yàn)各降水產(chǎn)品在不同氣候帶的小流域的精度和水文模擬性能.各流域的基本信息見表1.表中物理量：A為面積，Qaa為年均流量，Pma為多年年均降雨量.

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 降水?dāng)?shù)據(jù)

選用的5種降水?dāng)?shù)據(jù)NOAA-CPC-US，PERSIANN，GPM-IMERG，StageIV和ERA5產(chǎn)品在全世界有很廣泛的應(yīng)用和影響力：NOAA-CPC-US代表了地面雨量觀測(cè)站降水，它融合了上萬(wàn)個(gè)地面觀測(cè)臺(tái)站的降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合地形效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化插值并實(shí)施質(zhì)量控制，形成了具有高準(zhǔn)確性和一致性的降水產(chǎn)品.GPM-IMERG是目前衛(wèi)星降水的典型代表，是美國(guó)國(guó)家航空航天局主導(dǎo)的TRMM的后續(xù)全球衛(wèi)星降水觀測(cè)計(jì)劃.文中選用GPM Level 1-3版本05B_Final的全球范圍30 min雨雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品.PERSIANN則代表了機(jī)器學(xué)習(xí)算法反演的降水；該降水產(chǎn)品基于地球同步衛(wèi)星提供的紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算降雨率.StageIV是多普勒降雨探測(cè)雷達(dá)產(chǎn)品的代表，它融合了美國(guó)約150個(gè)多普勒新一代天氣雷達(dá)和約5 500個(gè)地面雨量計(jì)的測(cè)量值.ERA5是常用的氣候模式，以它作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的降水預(yù)報(bào)有著很強(qiáng)的代表性；該數(shù)據(jù)采用了IFS Cycle 41r2和四維變化數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，以及輻射變分偏差校正技術(shù)，系統(tǒng)地提升了數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，提供了降水、氣溫、蒸發(fā)等265種數(shù)據(jù).

以上5種降水?dāng)?shù)據(jù)具有不同的時(shí)空分辨率，數(shù)據(jù)預(yù)處理先統(tǒng)一各數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為日尺度，空間分辨率為1 km2.數(shù)據(jù)時(shí)間段設(shè)為2002-01-01—2018-06-30.

1.2.2 徑流、地形及蒸散發(fā)數(shù)據(jù)

選取的8個(gè)流域的邊界來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的流域邊界數(shù)據(jù)集(https://www.usgs.gov/core-science-systems/ngp/national-hydrography)；數(shù)字地形(DEM)來(lái)源于美國(guó)10 m精度數(shù)字高程模型(https://datagateway.nrcs.usda.gov/GDGOrder.aspx)；徑流資料來(lái)源于美國(guó)國(guó)家水信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)(https://waterservices.usgs.gov).潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)USGS饑荒早期預(yù)警系統(tǒng)(https://earlywarning.usgs.gov/fews/datadownloads/Global/PET).

1.3 CREST分布式水文模型

CREST(coupled routing and excess storage)是一個(gè)分布式水文模型，由美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)水文氣象與遙感實(shí)驗(yàn)室(HyDROS，http://hydro.ou.edu/research/crest/)和美國(guó)宇航局(NASA)SERVIR項(xiàng)目聯(lián)合研發(fā).它使用可變滲透能力曲線和多線性水庫(kù)進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算以及地表和地下水匯流計(jì)算，通過耦合產(chǎn)流要素和匯流結(jié)構(gòu)，模擬再現(xiàn)流域徑流過程[17].已有成果表明，該模型有著出色的水文模擬和預(yù)報(bào)能力[18-20].有關(guān)該水文模型的數(shù)據(jù)預(yù)處理以及模型參數(shù)等信息，請(qǐng)參考HyDROS實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)址.

實(shí)施實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范化、科學(xué)化工作中，提高人員素質(zhì)是關(guān)鍵。管理是一種社會(huì)行為，是人與人之間發(fā)生作用的過程，在管理過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，只有人才是主體，是決定管理效率的關(guān)鍵，而決定管理水平的高低又取決于人員素質(zhì)，人員素質(zhì)是指管理人員在承擔(dān)一定的管理事務(wù)中所必須具備的基本條件，在實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范化、科學(xué)化工作中要求工作人員應(yīng)具有政治素質(zhì)、心理素質(zhì)和業(yè)務(wù)素質(zhì)等基本素質(zhì)。

1.4 統(tǒng)計(jì)評(píng)估指標(biāo)

選用相對(duì)偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、相關(guān)系數(shù)(CC)，用于定量評(píng)估多源降水產(chǎn)品的精度.選用相對(duì)偏差(Bias)、相關(guān)系數(shù)(CC)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和確定性系數(shù)(NSE)，評(píng)估各降水產(chǎn)品的水文模擬效用.各指標(biāo)定義如下.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

上述式中：Sim為待評(píng)估降水?dāng)?shù)據(jù)或水文模型模擬出的徑流數(shù)據(jù)；Obs為參考降水?dāng)?shù)據(jù)或徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)；n為模擬值或觀測(cè)值的總數(shù)；i為第i個(gè)模擬值或觀測(cè)值.

為了定量和定性相結(jié)合地評(píng)估各降水產(chǎn)品的水文模擬效用，將NSE分為4個(gè)區(qū)間[21]：NSE≤0.50，0.50

2 結(jié)果與討論

2.1 降水精度評(píng)估

以NOAA-CPC-US為參照，對(duì)2014-06-01—2018-06-30的StageIV，PERSIANN，GPM-IMERG，ERA5降水產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)估.圖1為各降水在不同氣候帶與NOAA-CPC-US降水相關(guān)性.

各降水產(chǎn)品與NOAA-CPC-US相關(guān)性從高到低依次是StageIV，GPM-IMERG，PERSIANN，ERA5(見圖1)，相關(guān)系數(shù)均通過0.05置信水平檢驗(yàn).StageIV降水在各氣候帶相關(guān)系數(shù)平均值達(dá)到0.71，在亞熱帶濕潤(rùn)性氣候帶達(dá)到0.81，而在海洋性氣候帶最低，相關(guān)系數(shù)為0.65，在其他氣候帶相關(guān)系數(shù)降序依次是濕潤(rùn)性大陸性(夏季熱)氣候帶0.76，半干草原氣候帶0.72，濕潤(rùn)大陸性(夏季涼)氣候帶0.70，地中海氣候帶0.69，溫帶沙漠氣候帶0.66，高原山地氣候帶0.66.GPM-IMERG降水與NOAA-CPC-US數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在各氣候帶平均值達(dá)到0.60.其中在亞熱帶濕潤(rùn)性氣候帶相關(guān)度最高，為0.73；在海洋性氣候帶最低，為0.53.在其他氣候帶相關(guān)系數(shù)波動(dòng)不大，為0.58～0.61.PERSIANN降水與NOAA-CPC-US的相關(guān)系數(shù)在各氣候帶平均值為0.56.在溫帶沙漠氣候帶相關(guān)性最高，為0.62；在半干旱草原氣候帶最低，為0.49.在其他氣候帶依次是高原山地氣候帶0.61，亞熱帶濕潤(rùn)性氣候帶0.59，地中海氣候帶0.56，濕潤(rùn)大陸性(夏季熱)氣候帶0.55，海洋性氣候帶0.53，濕潤(rùn)性(夏季涼)氣候帶0.51.與NOAA-CPC-US數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)最低的降水產(chǎn)品是ERA5降水，相關(guān)系數(shù)在各氣候帶平均值為0.53；相關(guān)系數(shù)最高和最低的氣候帶分別是亞熱帶濕潤(rùn)性氣候帶0.56，濕潤(rùn)大陸性(夏季涼)氣候帶0.56和濕潤(rùn)大陸性(夏季熱)氣候帶0.49.在其他氣候帶，相關(guān)系數(shù)為0.51～0.54，波動(dòng)不大.

降水產(chǎn)品在各流域的RMSE和MAE，也反映降水精度的差異.表2為多源降水在各研究區(qū)域相對(duì)于NOAA-CPC-US降水的誤差.相關(guān)性高的降水產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)的RMSE和MAE較小，反之較大.總體上4種降水產(chǎn)品與匯集了上萬(wàn)個(gè)地面觀測(cè)臺(tái)站降水觀測(cè)信息的NOAA-CPC-US降水存在正偏差.

2.2 水文模擬評(píng)估

設(shè)定水文模型預(yù)熱期為2002-01-01—2003-12-31；率定期(2004-01-01—2014-06-30)分別使用5種降水產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)分布式水文模型CREST，得到5套率定參數(shù)集，然后在驗(yàn)證期(2014-07-01—2018-06-30)對(duì)各降水產(chǎn)品用各自的率定參數(shù)集進(jìn)行徑流模擬.

水文模擬優(yōu)劣的5種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如圖2，3以及表3所示，圖2中Obs為實(shí)測(cè)徑流的統(tǒng)計(jì)值.綜合觀察，各降水產(chǎn)品在美國(guó)不同氣候帶流域的徑流模擬性能優(yōu)劣不一.各降水產(chǎn)品在率定期徑流模擬性能好于驗(yàn)證期，驗(yàn)證期的各個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均有衰減.因篇幅有限，此處僅對(duì)各降水產(chǎn)品在不同氣候帶水文模擬的NSE指標(biāo)展開說明.

圖2 各降水產(chǎn)品在不同氣候帶水文模擬的SD，RMSE和CC統(tǒng)計(jì)值

圖3 各降水產(chǎn)品在美國(guó)不同氣候帶流域水文模擬的確定性系數(shù)

在濕潤(rùn)大陸性(夏季熱)氣候帶，NOAA-CPC-US，StageIV，GPM-IMERG率定期NSE較高，分別達(dá)到0.85，0.82，0.70，但在驗(yàn)證期衰減為0.66，0.73，0.33.PERSIANN和ERA5降水的NSE，無(wú)論在率定期還是驗(yàn)證期都很低，為0.42～0.30.在亞熱帶濕潤(rùn)性氣候帶NOAA-CPC-US，StageIV，GPM-IMERG，PERSIANN降水的NSE在率定期和驗(yàn)證期都大于0.5，有較好的水文模擬性能.ERA5降水在2個(gè)時(shí)期的NSE分別為0.40和0.31，表現(xiàn)依然不理想.在濕潤(rùn)大陸性(夏季涼)氣候帶，率定期StageIV，NOAA-CPC-US和GPM-IMERG降水的NSE可分別達(dá)到0.67，0.65，0.58，驗(yàn)證期為0.61，0.53，0.50；PERSIANN和ERA5降水則不理想，率定期NSE分別為0.43和0.41，驗(yàn)證期則更低.

表3 各降水產(chǎn)品在不同氣候帶水文模擬的Bias統(tǒng)計(jì)值

在半干旱草原氣候帶，降水StageIV，NOAA-CPC-US和GPM-IMERG的NSE在率定期和驗(yàn)證期都大于0.50，分布在0.59～0.78.降水PERSIANN和ERA5的模擬性能較差，2個(gè)時(shí)期的NSE為0.20～0.33.在溫帶沙漠氣候帶，4種降水NOAA-CPC-US，StageIV，GPM-IMERG和PERSIANN的NSE較高，其中NOAA-CPC-US和StageIV在率定期和驗(yàn)證期都達(dá)到0.80以上，水文模擬性能優(yōu)秀.降水GPM-IMERG和PERSIANN在2個(gè)時(shí)期的NSE分布在0.70～0.64，水文模擬性能良好；ERA5降水在2個(gè)時(shí)期的NSE分別為0.58和0.54，水文模擬性能適用.

在高原山地氣候帶，降水NOAA-CPC-US和StageIV在率定期和驗(yàn)證期的NSE為0.77～0.83，水文模擬性能優(yōu)秀；而降水GPM-IMERG率定期分別為0.71,驗(yàn)證期降為0.61，模擬性能良好；PERSIANN的NSE并不穩(wěn)定，率定期為0.63，但在驗(yàn)證期只有0.34.ERA5降水2個(gè)時(shí)期的NSE分別為0.55和0.48，水文模擬性能接近適用.

在海洋性氣候帶，只有降水StageIV和NOAA的模擬性能較好，率定期和驗(yàn)證期的NSE分別為0.79和0.68，降水GPM-IMERG的NSE為0.58和0.50，水文模擬性能只能達(dá)到適用.降水PERSIANN和ERA5在2個(gè)時(shí)期的NSE為0.27～0.47，無(wú)法滿足水文模擬需要.在地中海氣候帶，降水StageIV和NOAA的NSE無(wú)論在率定期還是驗(yàn)證期都保持為0.65～0.75，水文模擬性能良好.但降水GPM-IMERG，PERSIANN和ERA5表現(xiàn)不理想，驗(yàn)證期NSE僅為0.30～0.31.由表3可知，5種降水產(chǎn)品的水文模擬在各流域存在一致性的系統(tǒng)偏大，考慮可能原因是降水產(chǎn)品精度本身存在正偏差，這些偏差通過水文模型傳導(dǎo)至模擬結(jié)果.

3 結(jié) 論

綜合各降水產(chǎn)品在8個(gè)不同氣候帶的降水精度評(píng)估結(jié)果可知，雷達(dá)降水StageIV在各氣候帶估算精度最好，偏差均值為1.85%；其次是衛(wèi)星降水GPM-IMERG，PERSIANN，偏差均值分別為2.88%和2.89%；數(shù)值模式降水ERA5偏差最大，達(dá)到5.30%.在水文模擬效用評(píng)估中，總體上，降水Stage IV和NOAA-CPC-US在不同氣候帶的流域水文模擬中效果較好，率定期和驗(yàn)證期的NSE系數(shù)均值分別為0.75和0.71.降水GPM-IMERG和PERSIANN的徑流模擬能力在不同氣候帶并不趨同，地處低緯度的氣候帶要好于高緯度氣候帶，且總體上GPM-IMERG優(yōu)于PERSIANN；2種降水產(chǎn)品在率定期和驗(yàn)證期各氣候帶的NSE均值分別為0.60和0.45.降水ERA5的水文模擬效果不理想，NSE均值只有0.35.由此說明，NOAA-CPC-US和StageIV降水產(chǎn)品能夠滿足不同氣候帶流域的水文模擬需求，而PERSIANN，GPM-IMERG的水文模擬性能則表現(xiàn)的不穩(wěn)定，ERA5還不能支撐不同氣候帶的小流域水文模擬.

造成以上性能差異的可能原因：StageIV優(yōu)勢(shì)在于基于混合體掃的雷達(dá)估測(cè)基數(shù)據(jù)，采用業(yè)務(wù)員選擇的Z-R關(guān)系(包括對(duì)流、熱帶氣旋、夏季層云降水、美國(guó)東部冬季層云降水和西部冷季降水5種)生成高時(shí)空分辨率的數(shù)字化降水陣列.GPM優(yōu)勢(shì)在于該衛(wèi)星搭載的雙頻降雨雷達(dá)和微波成像儀能夠識(shí)別固態(tài)降水和微量降水.PERSIANN，ERA5降水可能因?yàn)樗惴ㄒ蛩?，降水估算精度有待提?