基于衛(wèi)星遙感的水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用與研究

楊永利

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

基于衛(wèi)星遙感的水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)技術(shù)其基本原理是運(yùn)用能量平衡和水平衡理論，依據(jù)衛(wèi)星探測資料和地面勘測數(shù)據(jù)，對降雨、蒸發(fā)、輻射和溫度進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行徑流過程預(yù)報(bào)[1]。監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用高端科技的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有較高的可靠度和精確度，充分發(fā)揮了衛(wèi)星遙感大尺度預(yù)測信息功能。氣象降雨、日照蒸散熱以及氣候氣溫變化等系統(tǒng)基本信息的輸入是依靠衛(wèi)星對云圖和其他觀測信息的處理，并以云分析和能量守恒原理進(jìn)行流域降雨和蒸散發(fā)連續(xù)空間分布計(jì)算，為河流降雨徑流量預(yù)報(bào)和水資源預(yù)測模型提供參考依據(jù)。氣象衛(wèi)星觀測的云圖數(shù)據(jù)和世界氣象組織的全球遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)(WMO-GTS)提供的日降雨量觀測數(shù)據(jù)是進(jìn)行流域內(nèi)降雨和蒸散發(fā)計(jì)算的主要數(shù)據(jù)來源，氣象文星云圖接收處理系統(tǒng)可用以計(jì)算云圖數(shù)據(jù)，而地面氣象觀測站可提供日降雨量觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)工作流程圖

氣象衛(wèi)星云圖的接受處理過程為首先是建立地面氣象衛(wèi)星云圖系統(tǒng)，對云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，并對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和篩選，選擇有效數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存；然后建立氣象衛(wèi)星云圖處理系統(tǒng)，對云圖信息進(jìn)行幾何校正、格式轉(zhuǎn)換處理，并將形成的多通道衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)和圖像存儲至與相應(yīng)的云圖數(shù)據(jù)庫中[1]。

1 降雨及蒸發(fā)監(jiān)測

1.1 降雨監(jiān)測技術(shù)原理

降雨監(jiān)測技術(shù)的基本原理是利用云頂溫度和象素點(diǎn)降雨之間的關(guān)系，進(jìn)行地面雨量站點(diǎn)間的雨量插值計(jì)算，因此氣象站監(jiān)測的降雨量數(shù)據(jù)和氣象衛(wèi)星云圖的云頻數(shù)據(jù)是進(jìn)行降雨監(jiān)測的基礎(chǔ)[2]。降雨量數(shù)據(jù)可由氣象監(jiān)測站直接提供，而氣象衛(wèi)星接受到的紅外云圖數(shù)據(jù)可用于計(jì)算云頻率數(shù)據(jù)。在云層對流區(qū)，云溫度隨云距離地面的高度而呈現(xiàn)遞減規(guī)律，其遞減關(guān)系方程為-6.5℃/1000m。云頂高度可根據(jù)溫度閥值(TTE)按照一定的區(qū)間進(jìn)行分類，大氣溫度可根據(jù)紅外波段數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，該數(shù)值與被檢測物體的特性具有唯一性，不同的被檢測物體具有唯一的紅外波段數(shù)值，如地球表面和云層頂部部位的紅外波段具有各自唯一的紅外波段[3]。通過對衛(wèi)星云圖柱狀圖進(jìn)行分析，可根據(jù)云層不同的溫度范圍和大致的高度區(qū)間將云層分為5個(gè)云層等級，見表1。首先根據(jù)紅外云圖中象素點(diǎn)上的值按照表中各要素的范圍區(qū)間進(jìn)行云級分類，然后采用每一云級等于10d內(nèi)該云級存在的小時(shí)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算云生存期(CD)。

表1 云層溫度和高度范圍與云層等級分類標(biāo)準(zhǔn)

各象素點(diǎn)上的雨量是以衛(wèi)星云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)并采用多重回歸法進(jìn)行計(jì)算，如對雨量站(j)建立該站與周邊地區(qū)衛(wèi)星云信息對應(yīng)的j站雨量的回歸方程，其回歸方程為：

Rj，est=∑aj，nCDn+bjTTE

(1)

因回歸方程具有一定的使用局限性，致使雨量監(jiān)測站估算降雨量和觀測降雨量之間存在誤差Dj，其表達(dá)公式為：

Dj=Rj，obj-Rj，est

(2)

式中,Rj，obj—j站的降雨觀測值；Rj，est—j站的降雨估算值。

雨量監(jiān)測站之間的各象素點(diǎn)(i)的系數(shù)aj，n、bj和誤差Dj值可采用倒距離加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算，最后可進(jìn)行象素點(diǎn)降雨場計(jì)算。運(yùn)用該方法進(jìn)行的雨量計(jì)算，在氣象站點(diǎn)上的雨量觀測數(shù)據(jù)與降雨量估算的數(shù)據(jù)相等，計(jì)算公式為：

Ri=∑ai，nCDn+biTTE+Di

(3)

1.2 蒸發(fā)監(jiān)測技術(shù)原理

基于地球表面的能量和物質(zhì)傳送的物理過程是影響蒸散監(jiān)測的主要因素，氣象衛(wèi)星實(shí)際蒸散發(fā)計(jì)算過程為氣溫映射數(shù)據(jù)整理、大氣訂正分析以及輻射和感熱通量的計(jì)算[4]。完全熱量傳送情形可用下式表達(dá)：

T0，n=T0，m=Ta

(4)

考慮了正午氣溫(T0，n)和午夜氣溫(T0，m)的線性回歸方程為：

T=aT0，m+b

(5)

(6)

式中,k—訂正系數(shù)；i0—觀測高度角。

超級奧氏體不銹鋼指高合金、高性能的奧氏體不銹鋼，還具有超低碳、超高潔凈度和超高均勻性的特點(diǎn)，其耐孔腐蝕當(dāng)量PREN≥40。與300系列（304L、316L、317L）奧氏體不銹鋼相比，具有更高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能，特別是Cl-的酸性腐蝕環(huán)境下具有較強(qiáng)抗點(diǎn)腐蝕能力、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力。UNS N08367是美國Allegheny Ludlum公司研發(fā)的超級奧氏體不銹鋼材料，其Cr、Ni、Mo三種元素的總含量超過50%，PREN≥40，廣泛應(yīng)用于海水脫鹽淡化設(shè)備、海水管道系統(tǒng)、海水飛濺區(qū)的支撐和煙氣脫硫裝置等，在歐美國家常常被用于替代銅合金。

凈輻射量是以凈輻射通量進(jìn)行表征，其方法可采用陽光段波輻射與地面長波輻射之間的輻射差值計(jì)算，表達(dá)方程為：

In=(1-A)Ig-Ln

(7)

式中,Ig—陽光在地球表面的紅外輻射平均值;Ln—長波輻射凈損失量。

當(dāng)云層把象素點(diǎn)全部覆蓋時(shí)，可根據(jù)云反射率進(jìn)行云的光傳輸(t)的計(jì)算，其凈輻射估算值表達(dá)式為：

In=(1-A)tIg;(Ln≈0)

(8)

大氣邊界層的溫度差(T0-Ta)與感熱通量具有一定的比例關(guān)系，溫度差由衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接提供，其簡單計(jì)算公式為：

H=Cva(T0-Ta)

(9)

式中，C—端流熱輻射系數(shù)，其取值取決于該區(qū)域的植被高度和粗糙度，采用Businger理論以確定該值取值范圍。若日能量保持不變，則可計(jì)算出日平均感熱通量。

利用能量平衡原理可計(jì)算凈輻射量In、感熱通量H以及潛熱通量LE值，E為光合成電子傳輸輻射，取日陽光在植被覆蓋區(qū)的輻射量的10%。計(jì)算公式為：

LE=In-H-E

(10)

日土壤熱通量對陽光日輻射量影響較小，故可忽略不計(jì)，地面凈輻射在云覆蓋時(shí)采用反射率進(jìn)行估算，若能量成分與以往前期無陽光時(shí)相同，則可進(jìn)行實(shí)際蒸散發(fā)計(jì)算[5]。

2 冰雪凍融處理

2.1 土壤水分冰凍與融化處理

土壤表面的能量平衡和氣溫是決定土壤凍結(jié)的關(guān)鍵性因素，當(dāng)?shù)乇砟芰科胶鉃樨?fù)時(shí)地表能量逐漸減少，土壤開始凍結(jié)。氣象衛(wèi)星系統(tǒng)可以給定凈輻射In和顯熱通量H值，則利用能量平衡方程可進(jìn)行能量流失E的計(jì)算，計(jì)算方程為：

In=H+E

(11)

地表溫度能量流失可導(dǎo)致地表溫度為攝氏零度，土壤中水分開始凍結(jié)進(jìn)而表層土壤開始凍結(jié)[6]。故在一定時(shí)期內(nèi)地表層溫度低于攝氏零度時(shí)可認(rèn)為土壤中水分開始凍結(jié)，當(dāng)水分凍結(jié)到一定程度且能量平衡持續(xù)保持負(fù)值時(shí)，凍結(jié)面開始向縱深發(fā)展，此時(shí)土壤凍結(jié)情況較為復(fù)雜，如有降雪則情況更為復(fù)雜，分析計(jì)算所考慮的因素將更多。地表層凍土與積雪之間的熱通量計(jì)算是地表層平均熱傳導(dǎo)和平均溫度梯度的成績，地表層氣溫和凍土底部零度等溫線的差值即為溫度梯度，各層傳導(dǎo)度的調(diào)和值即為層狀系統(tǒng)平均熱傳導(dǎo)度。土壤解凍由地表層自上而下進(jìn)行，解凍起始點(diǎn)為積雪完全融化以后，其解凍深度可采用凍結(jié)方程的逆方程進(jìn)行計(jì)算[7]。

2.2 降雪融化處理

降雨和地表溫度值是進(jìn)行降雪處理的根本依據(jù)，當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀?73K時(shí)，降雨將以降雪的形式出現(xiàn)，通過各網(wǎng)格點(diǎn)的降雪減去間歇時(shí)可能發(fā)生的雪融化量可進(jìn)行積雪值估算，并用雪-水當(dāng)量表示積雪?？赏ㄟ^對積雪計(jì)算完成對降雪覆蓋面積的計(jì)算，也可根據(jù)地表的反射率變化情況判斷積雪的成因，如高反射率是由積雪造成的則可據(jù)此進(jìn)行積雪面積計(jì)算。反射率大小變化情況隨積雪融化的進(jìn)行而體現(xiàn)出明顯變化規(guī)律，在積雪剛開始融雪時(shí)反射率變化不明顯，而當(dāng)積雪融化已出現(xiàn)裸露地表時(shí)，反射率會大幅度降低，當(dāng)反射率降低至本底數(shù)值之前時(shí)，則認(rèn)為網(wǎng)格內(nèi)部分存在積雪覆蓋。受地形變化影響，網(wǎng)格內(nèi)的降雪可能僅僅降落在部分區(qū)域，故在降雪發(fā)生后，某些網(wǎng)格反射率雖然有顯著的改變，但反射率值仍然較低[8- 10]。

能量平衡是進(jìn)行積雪融化的基礎(chǔ)，其系統(tǒng)計(jì)算原理和水分凍結(jié)融化原理基本相同，采用由Singh提出的潛熱通量計(jì)算公式進(jìn)行融雪計(jì)算。融雪凈能量通量用Qm表示，融雪深度(mm/d)用M表示，其表達(dá)式為：M=0.0031Qm。積雪不僅有熱融化過程，同時(shí)也會因升華物理過程減少積雪量，其計(jì)算公式與此類似。寒冷度可用以估算繼融雪的起始時(shí)刻，積雪溫度越低則寒冷度增大，積雪溫度越高則寒冷度降低。寒冷度計(jì)算公式為：

Qcc=-ciρwhm(Ts-Tm)

(12)

式中,Qcc—引起寒冷度變化所需的能量；Ci—冰的熱容,2012J/(K·kg)；ρ—水的密度；Hm—雪水當(dāng)量；Ts—積雪平均溫度；Tm—融點(diǎn)溫度。

3 建立基于衛(wèi)星遙感的水資源監(jiān)測模型

坡面和河道是組成監(jiān)測模型兩大主要方面，邊界旁測入流范圍由坡面部分處理，而水流在河道向河口方向的演進(jìn)由河道部分進(jìn)行處理[11]。利用二維擴(kuò)散原理對坡面部分的單層網(wǎng)格進(jìn)行模擬處理，同時(shí)向系統(tǒng)輸入降雨、融雪和實(shí)際蒸散熱等數(shù)據(jù)，并利用容積水勢p(L)來表示單元格水量，p(L)表達(dá)公式為p=z+w。z為表面水位，w為水量差額，一般條件下p

(13)

式中,D—擴(kuò)散系數(shù),L2/T;r—凈降雨量,L/T；qi—單元網(wǎng)格向河道的出流率。

上述方程的計(jì)算是以垂直方向的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平方面的規(guī)模為基本假定，對于側(cè)向入流的Muskingum-Cunge方法，河段在時(shí)間步長n到n+1的水流傳播為：

On+1=c0In+1+c1In+c2On+c3Ql

(14)

式中,On+1—上游入流；O—下游入流,L3/T。

4 實(shí)例應(yīng)用

目前遼寧省水文局已經(jīng)運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)建立了遼寧省水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并投入試運(yùn)行，到目前為止試運(yùn)行情況基本保持良好。在2015年7～11月遼寧省有過一次明顯的降雨漲水過程，依據(jù)衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行降雨、實(shí)際蒸散發(fā)和降雨徑流模擬。結(jié)果顯示模擬結(jié)果精確度良好，實(shí)測日最大流量在9月25日為2640m3/s，而模擬日最大流量為9月24日為2380m3/s，模擬結(jié)果無論在時(shí)間還是在徑流量方面均表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性，誤差范圍小于10%，同時(shí)降雨預(yù)測結(jié)果表明，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)的水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以對降雨空間分布進(jìn)行較好的控制[12- 13]。

5 結(jié)語

降雨、蒸散發(fā)估算、能量平衡、分布式預(yù)測模型是基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的水資源預(yù)測系統(tǒng)的核心技術(shù)，不僅需要解決降雨積雪、土壤水分凍融、積雪融化等問題，并且可對實(shí)際應(yīng)用中分布式預(yù)測模型奠定良好的基礎(chǔ)，特別是對于雨量監(jiān)測站稀少地區(qū)，對基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的云圖數(shù)據(jù)計(jì)算其意義尤為突出。因考慮參數(shù)較多、計(jì)算公式繁雜且轉(zhuǎn)化過程較為復(fù)雜，故該技術(shù)利用衛(wèi)星云圖進(jìn)行降雨和實(shí)際蒸散熱計(jì)算的精度尚不能得到保證，但經(jīng)過率定和驗(yàn)證后的預(yù)測模型，在一定程度上可以應(yīng)用于不同流域地區(qū)的水資源預(yù)測。地面降雨監(jiān)測站對于控制點(diǎn)的布設(shè)和衛(wèi)星估算空間布置是基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的水資源預(yù)測模擬分析的難點(diǎn)和重點(diǎn)，水文預(yù)測模型其預(yù)測結(jié)果可靠度受其影響較為明顯，故應(yīng)加強(qiáng)對降雨觀測點(diǎn)的布設(shè)和衛(wèi)星遙感云圖數(shù)據(jù)的處理。

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