紅河上游流域MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)和影響因素研究

吳青見

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

在全球水循環(huán)過程中，降水是一個(gè)重要的組成部分。此外，在很多水文、氣象模型中，都是以降水作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于一些水文氣象資料較少的地區(qū)或流域，精度高的降水?dāng)?shù)據(jù)更加重要[1]。目前，降水?dāng)?shù)據(jù)的獲得主要包括傳統(tǒng)雨量站或氣象站觀測(cè)降水、雷達(dá)觀測(cè)降水、遙感衛(wèi)星觀測(cè)降水[2- 3]。傳統(tǒng)雨量站觀測(cè)降水精度高，是最準(zhǔn)確的方式。但是由于雨量站分布不均，觀測(cè)的雨量為局部降雨量，受其他因素的影響較大，如地形因素[4]。一些沒有雨量站的地區(qū)，就需采用插值方法得到降雨量[5]。雷達(dá)觀測(cè)獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)具有較高的精度，在一定空間區(qū)域內(nèi)具有較好的精度，但是其理論復(fù)雜，不適用于大范圍空間的降水觀測(cè)[6]。衛(wèi)星遙感觀測(cè)降水具有精度高、適用范圍廣、連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，地形等因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的精度影響小[7]。

目前全球有眾多的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，但是很多都沒有充分發(fā)揮衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。多源加權(quán)集合降水?dāng)?shù)據(jù)集(MSWEP)是一種將雨量站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)融合的降水產(chǎn)品，在全球范圍內(nèi)的時(shí)間分辨率可以達(dá)到3h，空間分辨率可以達(dá)到0.1°。針對(duì)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)，NAIR A等[8]研究了不同降雨強(qiáng)度下使用MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行降水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：常規(guī)降水強(qiáng)度下，精度較高，異常降雨強(qiáng)度下，精度較低。SAHLU D等[9]對(duì)比了6種不同降水產(chǎn)品在降水預(yù)測(cè)方面的精度，包含TMPA、ECMWF、MSWEP、PERSIANN、CMORPH、ERA-Interim，結(jié)果表明：在雨季，預(yù)測(cè)精度最高的是CMORPH，MSWEP次之；在非雨季，預(yù)測(cè)精度最高的是MSWEP。鄧越等[10]將MSWEP降水產(chǎn)品應(yīng)用于我國(guó)內(nèi)陸降水估計(jì)，以數(shù)百個(gè)不同氣候區(qū)多年的氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為參照，結(jié)果表明：MSWEP降水產(chǎn)品在我國(guó)內(nèi)陸大部分地區(qū)存在降水量估計(jì)偏大的現(xiàn)象，而少部分區(qū)域存在估計(jì)偏小的現(xiàn)象，如華北地區(qū)。王圓圓等[11]在評(píng)價(jià)MSWEP降水產(chǎn)品的精度時(shí)，以三峽庫區(qū)上游區(qū)域氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)和GAM融合站點(diǎn)降水空間插值數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)果表明：MSWEP產(chǎn)品在預(yù)測(cè)雨季降水時(shí)，可以達(dá)到較好的精度。總體而言，MSWEP降水產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和驗(yàn)證研究開展的較少。

紅河上游流域地處我國(guó)西南地區(qū)，流域內(nèi)降雨量時(shí)空分布呈現(xiàn)較大的復(fù)雜性，印度洋季風(fēng)和太平洋季風(fēng)氣候?qū)υ摿饔蚪邓兄匾绊懀饔騼?nèi)氣象站較少，且分布不均。目前針對(duì)該流域的研究重點(diǎn)集中在極端降水和時(shí)空分布規(guī)律[12]、降水量在空間范圍內(nèi)的變化情況[13]、流域水文模擬等[14]。而這些方面的研究都建立在降水?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，所以必須保證降水?dāng)?shù)據(jù)的精度滿足要求。為了能更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)紅河上游流域的降水，為水文模擬研究和水資源管理提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更好地融合氣象站點(diǎn)、衛(wèi)星觀測(cè)、再分析降水?dāng)?shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，將MSWEP降水產(chǎn)品應(yīng)用于紅河上游流域，分析評(píng)價(jià)該流域內(nèi)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度，并對(duì)該流域內(nèi)影響MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度的因素進(jìn)行分析。

1 MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)

收集紅河上游流域24個(gè)氣象站實(shí)測(cè)降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)序列的持續(xù)時(shí)間為1986—2015年，共30a。利用BECK H E等[15]人開發(fā)的MSWEP V2.1降水產(chǎn)品，需要的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)從http://www.gloh2o.org網(wǎng)站下載，對(duì)應(yīng)的降水?dāng)?shù)據(jù)時(shí)間也為1986—2015年。保存數(shù)據(jù)文件，并導(dǎo)入到Matlab軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。根據(jù)氣象站點(diǎn)的實(shí)際位置獲取與之對(duì)應(yīng)的MSWEP日降水?dāng)?shù)據(jù)和月降水?dāng)?shù)據(jù)。以月降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過疊加就可以獲得季降水?dāng)?shù)據(jù)和年降水?dāng)?shù)據(jù)。以氣象站實(shí)測(cè)降水量為參照，以相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差RMSE和相對(duì)偏差Bias為評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]，評(píng)價(jià)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度。收集日、月、年、季的實(shí)測(cè)降水量數(shù)據(jù)，并以日、月、年、季為時(shí)間尺度進(jìn)行研究，分析在不同時(shí)間尺度上MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度。

1.1 日、月、年降水量精度評(píng)價(jià)

繪制日、月、年MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)降水量的散點(diǎn)圖，并用直線擬合，結(jié)果如圖1—3所示。根據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和相對(duì)偏差，結(jié)果見表1。

圖1 MSWEP日降水量和氣象站實(shí)測(cè)日降水量散點(diǎn)圖

圖2 MSWEP月降水量和氣象站實(shí)測(cè)月降水量散點(diǎn)圖

圖3 MSWEP年降水量和氣象站實(shí)測(cè)年降水量散點(diǎn)圖

表1 MSWEP日、月、年降水量精度評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

由圖1—3和表1可以得出，在日尺度上，MSWEP日降水量和氣象站實(shí)測(cè)日降水量的相關(guān)系數(shù)R為0.5852，說明兩者的相關(guān)性和一致性一般。分析認(rèn)為：紅河上游流域多為山區(qū)，異常降水事件發(fā)生概率較大，MSWEP對(duì)異常降水事件的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較低；MSWEP日降水量和氣象站實(shí)測(cè)日降水量的相對(duì)偏差Bias為-5.31%，說明MSWEP日降水量整體小于氣象站實(shí)測(cè)日降水量5.31%。在月尺度上，MSWEP月降水量和氣象站實(shí)測(cè)月降水量的相關(guān)系數(shù)R為0.9467，說明兩者的相關(guān)性和一致性高；MSWEP月降水量和氣象站實(shí)測(cè)月降水量的相對(duì)偏差Bias為-5.31%，說明MSWEP月降水量整體小于氣象站實(shí)測(cè)月降水量5.31%。在年尺度上，MSWEP年降水量和氣象站實(shí)測(cè)年降水量的相關(guān)系數(shù)R為0.9014，說明兩者的相關(guān)性和一致性較高；兩者的均方根誤差RMSE為143.23，說明兩者存在一定的誤差，分析認(rèn)為均方根誤差RMSE較大的原因是由于月尺度降水量偏差累積而導(dǎo)致的。

總結(jié)得出，MSWEP降水量在月尺度和年尺度上具有較高的精度，和氣象站實(shí)測(cè)降水量具有較高的相關(guān)性和一致性，MSWEP降水量在日尺度上精度一般。

1.2 季降水量精度評(píng)價(jià)

紅河上游地處云南省境內(nèi)，濕潤(rùn)和干旱季非常鮮明，四季降水呈現(xiàn)顯著的不均勻性。以季為尺度，對(duì)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。紅河上游流域的四季具體劃分是：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—次年2月)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制季MSWEP降水量和氣象站實(shí)測(cè)降水量的散點(diǎn)圖，并用直線擬合，如圖4—7所示，計(jì)算出季降水量的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果，見表2。

圖4 MSWEP春季降水量和氣象站實(shí)測(cè)春季降水量散點(diǎn)圖

圖5 MSWEP夏季降水量和氣象站實(shí)測(cè)夏季降水量散點(diǎn)圖

圖6 MSWEP秋季降水量和氣象站實(shí)測(cè)秋季降水量散點(diǎn)圖

圖7 MSWEP冬季降水量和氣象站實(shí)測(cè)冬季降水量散點(diǎn)圖

分析不同季節(jié)降水量的相關(guān)系數(shù)R，春季和冬季的相關(guān)系數(shù)R均大于0.9，表明春季和冬季的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)具有較高的精度，和氣象站實(shí)測(cè)

表2 不同季節(jié)MSWEP降水量精度評(píng)價(jià)結(jié)果

降水量具有較大的相關(guān)性和一致性；夏季和秋季的相關(guān)系數(shù)R均小于0.8，表明夏季和秋季的MSWEP降水量精度一般。分析不同季節(jié)降水量的均方根誤差RMSE，冬季最小，夏季最大，其主要原因是冬季降水量少，降水量的變化幅度較小，夏季降水量多，降水量的變化幅度較大。分析不同季節(jié)降水量的相對(duì)偏差Bias，四個(gè)季節(jié)的相對(duì)偏差Bias均為負(fù)值，說明和氣象站實(shí)測(cè)降雨量相比，MSWEP降水量偏小。

2 影響因素研究

紅河上游流域多高山峽谷，不同區(qū)域地形起伏大，整體地勢(shì)表現(xiàn)為西北高、東南低，地形復(fù)雜，需要分析地形因素對(duì)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度的影響，研究的影響因素有：高程、坡度、坡向。

2.1 高程

以月為時(shí)間尺度，計(jì)算24個(gè)氣象站實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)和MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R和相對(duì)偏差|Bias|，根據(jù)各個(gè)氣象站的實(shí)測(cè)高程，繪制高程和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖。高程和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖如圖8所示，高程和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖如圖9所示。此外，也對(duì)高程和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)分析。

圖8 高程和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖

圖9 高程和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖

由圖8可以得出，高程和相關(guān)系數(shù)R之間的相關(guān)性較強(qiáng)，當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，通過了顯著性檢驗(yàn)，說明相關(guān)系數(shù)R隨著高程的變化而變化。當(dāng)高程大于1500m時(shí)，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R大部分都大于0.9；當(dāng)高程小于1500m時(shí)，相關(guān)系數(shù)R大部分都小于0.9，僅有部分氣象站的R大于0.9。由圖9可以得出，高程和相對(duì)偏差|Bias|的相關(guān)性較強(qiáng)，且當(dāng)顯著性水平α=0.01時(shí)，通過了顯著性檢驗(yàn)，說明相對(duì)偏差|Bias|隨著高程的變化而變化。當(dāng)高程大于1500m時(shí)，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差|Bias|大多數(shù)都小于20%；當(dāng)高程小于1500m時(shí)，相對(duì)偏差|Bias|大多數(shù)都大于20%，僅有部分氣象站的相對(duì)偏差|Bias|小于20%。

結(jié)合相關(guān)系數(shù)R和相對(duì)偏差|Bias|2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)高程小于1500m時(shí)，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和氣象站實(shí)測(cè)降水存在一定誤差，分析認(rèn)為：在河谷地帶布置的氣象站高程較低，且河谷地帶的地勢(shì)起伏較大，地形復(fù)雜，對(duì)降雨的影響較大；當(dāng)高程大于1500m時(shí)，氣象站所處的地形起伏變化較小，對(duì)降雨的影響較小，因而MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)之間具有較好的匹配性。

2.2 坡度

根據(jù)24個(gè)氣象站所處位置的坡度，繪制坡度和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖。坡度和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖如圖10所示，坡度和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖如圖11所示。此外，也對(duì)坡度和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)分析。

圖10 坡度和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖

圖11 坡度和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖

由圖10可以得出，坡度和相關(guān)系數(shù)R之間的相關(guān)性較強(qiáng)，且當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，通過了顯著性檢驗(yàn)，說明相關(guān)系數(shù)R隨著坡度的變化而變化；坡度較小時(shí)，相關(guān)系數(shù)R較大。由圖11可以得出，坡度和相對(duì)偏差|Bias|的相關(guān)性較強(qiáng)，且當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，通過了顯著性檢驗(yàn)，相對(duì)偏差|Bias|隨著坡度的增大呈增大趨勢(shì)。根據(jù)圖10—11可以得出，當(dāng)坡度在3°以上時(shí)，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和氣象站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R較小，相對(duì)偏差|Bias|較大，2類數(shù)據(jù)之間存在較大差異，說明坡度對(duì)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度具有一定影響，當(dāng)?shù)匦卧狡教箷r(shí)，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)越接近。

2.3 坡向

根據(jù)24個(gè)氣象站所處位置的坡向，繪制坡向和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖。坡向和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖如圖12所示，坡向和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖如圖13所示。此外，也對(duì)坡向和相關(guān)系數(shù)R及相對(duì)偏差|Bias|進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)分析。

圖12 坡向和相關(guān)系數(shù)R的散點(diǎn)圖

圖13 坡向和相對(duì)偏差|Bias|的散點(diǎn)圖

由圖12可以得出，坡向和相關(guān)系數(shù)R之間的相關(guān)性較強(qiáng)，且當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，通過了顯著性檢驗(yàn)，說明相關(guān)系數(shù)R隨著坡向的變化而變化。由圖13可以得出，坡向和相對(duì)偏差|Bias|的相關(guān)性不強(qiáng)，當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，未通過顯著性檢驗(yàn)。由圖13也可以得出，位于東北、東南、西南方向的氣象站，大多數(shù)相對(duì)偏差|Bias|小于10%，位于西北方向的氣象站，有些氣象站的相對(duì)偏差|Bias|大于10%。說明在西南、東南方向，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度較高，和實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的相近。由此可以得出：坡向?qū)SWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度也有較大的影響。

3 結(jié)論

(1)紅河上游流域MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在月尺度和年尺度上具有較高的精度，和氣象站實(shí)測(cè)降水量具有較高的相關(guān)性和一致性，MSWEP降水量在日尺度上精度一般；在季尺度上，春季和冬季的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高，夏季和秋季的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度較低，在不同時(shí)間尺度上，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)整體小于實(shí)測(cè)降水量。

(2)當(dāng)所處位置的高程、坡度、坡向不同時(shí)，MSWEP降水量和氣象站實(shí)測(cè)降水量之間的相關(guān)系數(shù)和相對(duì)偏差|Bias|也會(huì)隨之變化，同時(shí)顯著性檢驗(yàn)理論證明了高程、坡度和坡向會(huì)對(duì)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的精度產(chǎn)生影響。

(3)MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)可以作為紅河上游流域水文模擬研究和水資源管理的基本數(shù)據(jù)，但是MSWEP降水產(chǎn)品在其他流域的應(yīng)用有待證明。