多衛星遙感降水數據在塔里木河流域的適用性分析

劉潔 夏軍 鄒磊 王強 余江游

摘要：資料缺乏地區由于其復雜的地形，站點布設困難，實測資料匱乏，遙感降水產品是實測資料的有益補充及替代。以塔里木河流域的子流域開都孔雀河流域為研究區，采用國家基準氣象站觀測的降水量為基準數據，評估了TRMM 3B42RT、TRMM 3B42V7、CMORPH RAW、CMORPH CRT等四種遙感降水產品的精度。同時，在塔里木河的子流域玉龍喀什河流域，基于SRM模型，評估了以上幾種遙感降水產品模擬徑流的適用性。結果表明，TRMM 3B42V7的精度最高，TRMM 3B42RT的精度較低，CMORPH在山區的精度也較高，而CMORPH在平原地區高估了降水量；在四種遙感降水產品中，TRMM 3B42V7最適于模擬徑流，可以基本表征日徑流變化過程。

關鍵詞：遙感降水數據；融雪徑流模型；塔里木河流域；精度評估；徑流模擬

中圖分類號：P338 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2018）05000108

Applicability analysis of multisatellite remote sensing precipitation data in Tarim River basin

LIU Jie1，XIA Jun1，2，ZOU Lei2，WANG Qiang1，YU Jiangyou3

（

1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；3.Kunming Engineering Corporation Limited of PowerChina，Kunming 650051，China

）

Abstract：

Because of the complex terrain in the cold and dry region，there are few stations and little measured data.Remote sensing precipitation product is a useful supplement to the measured data.Based on the observed precipitation data from the surface meteorological stations，taking Kaikong River subbasin of Tarim River basin as the study area，we evaluated the accuracy of four remote sensing precipitation products，TRMM 3B42RT，TRMM 3B42V7，CMORPH RAW and CMORPH CRT.Meanwhile，in the Yurungkash River subbasin，based on the SRM model，we evaluated the applicability of the above remote sensing precipitation products for runoff simulation.The results showed that TRMM 3B42RT had low accuracy while the TRMM 3B42V7 had the highest accuracy.CMORPH had high accuracy in mountainous areas，but overestimated the precipitation in plain areas.Among the four kinds of remote sensing precipitation products，TRMM 3B42V7 was the most suitable for runoff simulation，and could basically characterize the process of daily runoff.

Key words：

remote sensing precipitation data；snowmelt runoff model；Tarim River basin；accuracy assessment；runoff simulation

降水是水文循環系統的基本要素，準確觀測降水對于區域及全球的水資源管理、水文過程模擬、干旱預警及洪水預報等起著至關重要的作用[1]。獲取降水數據最直接的方式是布設氣象或雨量觀測站點，但在發展中國家與環境惡劣的地區，站網布設密度往往較低或無站點布設，空間代表性不足[2]。在乏資料地區，尤其在難以到達的偏遠山區和沙漠，受地理因素的影響，降水觀測困難加大。為解決上述地面降水觀測方式的不足，世界各國相繼發射了搭載著不同傳感器的氣象衛星，并采用傳感器實時傳回地面的不同波段數據聯合地面雨量站數據進行校正，開發出了不同版本的實時與滯時遙感降水產品。代表性產品有：TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）[3]、CMORPH（the Climate Prediction Center MORPHing technique）[4]、CHIRPS（Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data）[5]、PERSIANN（PrecipitationEstimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks）[6]等。遙感降水產品因能提供高精度和連續時間序列的柵格降水數據而在各類水文研究中被廣泛應用。受數據源和反演算法等因素的影響，不同遙感降水產品的精度表現各異；受時間尺度、地形、氣候等因素的影響，同一遙感降水產品在不同區域的精度也存在差異。因此，在使用遙感降水產品之前，應全面認識和比較遙感降水產品的精度特征。

目前已有一些關于遙感降水產品在塔里木河流域的適用性研究。當前研究多側重于評估TRMM數據的精度，例如蔡曉慧等[7]分析了TRMM 3B43月降水在西北內陸河流域的適用性，盧新玉等[8]研究了TRMM 3B43月降水產品在新疆地區的適用性，楊艷芬等[9]研究了TRMM數據在西北干旱區的探測能力。也有一些研究基于分布式水文模型研究了多源降水的精度，例如闞寶云等[10]基于VIC模型在塔里木河的子流域葉爾羌河上游流域對CMORPH、TRMM 3B42V6、APHRODITE、ITPCAS等4套降水數據集的適用性進行了分析，劉俊等[11]基于SWAT模型分析了CMADS、ITPCAS、TRMM 3B42V7等3套降水數據產品在玉龍喀什河流域內對降水的模擬情況。上述研究多側重于單一遙感降水產品相較于實測降水數據的精度評估，尤其是對TRMM 3B43月降水數據的評估，故之前的研究未能給塔里木河流域逐日徑流模擬中多源遙感降水數據較實測降水數據的可替代性提供全面的依據與支持；同時，塔里木河河流源區空間變異性大，但考慮分區地形因素，明晰不同地形區多源遙感降水產品精度特征的研究相對較少。

為全面認識和比較遙感降水產品的精度特征，本文以塔里木河流域為研究對象，分別在平原與山區，對多種遙感降水產品在不同時間尺度的精度特征進行了評價，并基于SRM（Snowmelt Runoff Model）融雪徑流模型評估了各遙感降水產品模擬徑流的適用性，從而為其在水文過程模擬中的應用提供依據和支持。

1 研究區概況

塔里木河位于新疆南部，是我國最大的內陸河，流域總面積102萬km2。塔里木河是環塔里木盆地的9大水系144條河流的總稱，其中，阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、開都-孔雀河（以下簡稱為開孔河）四條源流和塔里木河干流組成“四源一干”[12]。河流主要發源于山區，河水主要源自高山冰雪融水、中山森林帶降水和低山基巖裂隙水[13]。

開孔河是塔里木河的四大源流之一，地理位置位于82°57′E-90°39′E、40°25′N-43°21′N之 間[14]。流域內地勢西北高東南低，海拔高度在[JP]749～4 485 m之間，其中，山區面積31萬km2，平原面積26萬km2。開孔河流域的國家基準氣象站相對較多，且在平原區、山區均分布有1個以上的氣象站點，有較好的空間代表性。因此本文選擇開孔河流域作為遙感降水產品精度評估的流域（圖1（a）），其氣象站點分布及基本信息見表1。和田河也是塔里木河的四大源流之一，和田河有東、西兩條支流，本文選擇和田河東支玉龍喀什河古孜洛克水文站以上的流域研究遙感降水產品模擬徑流的適用性（圖1（b））。該區域集水面積14 575 km2，海拔差5 039 m，土地類型主要為裸地、草地和冰川[11]，其中冰川主要分布在海拔4 700 m到6 500 m的區域內[15]。玉龍喀什河流域的出山口控制站是同古孜洛克水文站，該站以上的區域內沒有設置國家基準氣象站，距離玉龍喀什河流域最近的國家基準氣象站是流域外的和田氣象站。本文選擇的兩個小流域同屬塔里木河流域，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候區，氣候特點是干燥少雨，蒸發強烈，多風沙、浮塵天氣[16]，具有較強的相似性，適于作比較研究。

2 資料與方法

2.1 降水數據介紹

基準降水數據主要用于評價遙感降水產品在塔里木河流域的估計精度。文中地面觀測數據采用的是5個國家基準氣象站2001-2014年的逐日降水數據（表1），數據來自國家氣象信息中心提供的中國地面氣候資料日值數據集（V30）。

本文選取常用的TRMM 3B42V7、TRMM 3B42RT、CMORPH RAW、CMORPH CRT四種遙感降水產品開展精度評價研究，時間范圍為2001-2014年。TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）是由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）聯合開發的用于氣象與氣候降水研究的衛星。TRMM 3B42產品由TPMA（TRMM Multi satellite precipitation analysis）算法反演得到，其中TRMM 3B42RT是近實時產品，TRMM 3B42V7是經GPCC月降水數據校正的產品[3]。CMORPH產品是美國NOAA氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）基于MORPHing技術估計的降水產品。該技術將基于多個低軌道衛星的被動微波降水[JP]估計和來自多個同步衛星的紅外輻射數據相結合[4]。其中CMORPH RAW是實時產品，CMOPRH CRT是經CPC和GPCP校正偏差的產品。以上4種遙感降水產品的具體信息見表2。本文使用已逐日合成的遙感降水產品，提取出與氣象站點位置對應的柵格降水量，與實測降水量進行比較分析。

2.2 SRM模型

本文使用SRM模型模擬徑流。SRM模型結構簡單，采用度日因子計算融雪徑流，常用于年內徑流過程的模擬。模型的輸入變量包括日降雨資料、日氣溫資料和積雪覆蓋資料，適用于資料相對缺乏的地區，特別是難以觀測地面資料的高山流域。SRM模型的基本思路是：計算當日積雪融化的產流量和降水產流量，并且將當日的融雪、降水產流量疊加到前一日的退水流量上，進而得到當日的徑流量，具體的計算公式如下：

式中：Q為日平均流量（m3/s）；C為徑流系數，其中Cs和Cr分別表示融雪徑流系數和降雨徑流系數；a為度日因子（cm·℃-1·d-1），表示每天氣溫升高1 ℃產生的融雪深度；T為度日因子數（℃·d）；ΔT為由氣溫直減率得出的在不同高程帶的度日因子數修正值；Sn為積雪覆蓋率；P為降水徑流補給（cm）；A為流域面積（km2）；[WTB1X]k[WTBX]為退水系數；n為研究時段內天數的序號；10000/86400是將徑流深化為徑流量的轉換系數。

模型在應用時，一般將流域劃分為不同的高程分帶，在每個分帶都用式（1）計算徑流量，總的徑流量值為各個高程分帶計算出的徑流量之和。本文將流域分為6個高程帶，具體的高程分帶信息見表3。模型使用遺傳算法進行參數率定。

玉龍喀什河流域內沒有國家基準氣象站點，因此氣象數據選擇距離流域最近的和田氣象站。氣溫數據選擇和田氣象站的逐日氣溫數據，降水數據選擇和田氣象站的逐日降水數據與遙感降水產品在和田氣象站對應位置柵格的降水量，其中和田氣象站的數據來自國家氣象信息中心提供的中國地面氣候資料日值數據集（V30）。文中使用的水文數據是同古孜洛克水文站的逐日實測流量數據。文中使用的積雪數據是由美國冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center）提供的MOD10A2產品。 該產品由連續8天的MOD10A1數據合成，反映的是8天內最大的積雪覆蓋范圍，其空間分辨率為500 m[18]。將積雪覆蓋率進行插值，得到每天的積雪覆蓋率。用于SRM模型模擬徑流的水文氣象積雪數據的時間范圍均為2003[JP]年1月1日至2012年12月31日。

2.3 精度評估方法

本文使用定量指標與分類指標評估遙感降水產品的精度。定量指標中，相關系數R反映了遙感降水同地面雨量站降水的線性相關程度；平均絕對誤差MAE和均方根誤差RMSE反映了遙感降水同地面雨量站降水平均誤差的大小；相對偏差BIAS反映了遙感降水數據的系統偏差程度。分類指標反映了遙感降水產品對日降水時間發生可能性的估計能力，包括探測率POD、空報率FAR、成功系數CSI。探測率POD反映了遙感降水產品對降水事件的漏報程度；空報率FAR反應了遙感降水產品對降水事件的錯報程度；CSI反映了遙感降水產品成功觀測到降水事件的比例。各指標的具體公式及最優值見表4。

表4公式中：Gi和Pi分別表示第天的基準降水量與遙感產品降水量；H為遙感降水數據和地面雨量站同時有雨的頻數；M是遙感數據無雨而地面雨量站有雨的頻數；F為遙感降水數據有雨而地面雨量站無雨的頻數。本文判斷是否有雨的閾值是01 mm[19]。

本文采用Nash效率系數（NSE）與相關系數（R）作為評價SRM模型結果精度的指標。NSE、R的計算見式（2）、式（3）：

3 結果分析

3.1 降水精度對比分析

開孔河流域各氣象站點的實測降水與各類遙感降水產品的多年平均降水量見圖2。根據圖2可知， TRMM 3B42RT嚴重高估了降水量，TRMM 3B42V7數據較為準確，在山區（51542巴音布魯克，51467巴侖臺），CMORPH RAW和CMORPH CRT對年均降水量的估計較為精確，而在平原地區（51567焉耆，51642輪臺，51656庫爾勒），[JP]CMORPH RAW和CMORPH CRT都嚴重高估了年均降水量。

為了直觀展示網格尺度上降水產品的精度，文中給出了五個氣象站點與所處降水網格在日和月時間尺度上的泰勒圖（圖3）。泰勒圖中，在橫坐標方向，定義距原點一個單位的點為觀測值其半徑長度，表示標準差的變化幅度，縱坐標為表征遙感降水產品較實測降水值的標準差，距離觀測點的長度表示誤差，與縱坐標的角度代表相關系數[20]。因此，泰勒圖可直觀看出不同遙感降水產品與地面雨量站點實測降水資料的偏差，模擬值距離觀測點的長度越短，表示模擬值越接近于觀測值。如圖3所示，產品A距離觀測點的距離最遠，表示TRMM 3B42RT的精度最低，產品B距離觀測點的距離最近，表示TRMM 3B42V7的精度最高，產品C與產品D在泰勒圖中的位置相近，表示CMORPH RAW與CMORPH CRT的精度相近；隨著時間尺度的擴展，相關性增大。

遙感降水產品在山區及平原地區的日尺度精度評估結果分別見表5、表6。據表5和表6，在日尺度上，就MAE與RMSE而言，遙感數據在平原區的精度較高，其中TRMM 3B42RT的精度最低，TRMM 3B42V7的精度較高，而CMORPH的兩種產品的精度相近；就其他指標而言，遙感數據在山區站的精度較高，其中TRMM 3B42RT的誤差比較大，其余三種產品的精度相近，但經校正的TRMM 3B42V7與CMORPH CRT的BIAS為負值，表現為對實測降水的低估。

在月時間尺度上，一般不需考慮遙感降水產品的分類估計精度指標。同時，BIAS在日、月時間尺度上的數值是倍比關系，故在月尺度上，只評估R、MAE、RMSE等三個指標。遙感降水產品在山區及平原地區的月尺度精度評估結果分別見表7、表8。時間尺度由日擴展到月，遙感降水產品的精度有一定程度的提高。據表7和表8，無論在山區還是平原[CM（22]地區，TRMM 3B42V7的精度都顯著高于其他產品，TRMM 3B42RT的精度最低，CMORPH RAW與CMORPH CRT的精度相近。總體上看，就相關

系數而言，[JP+1]遙感降水產品在山區的精度較高；而較其他兩種指標來說，遙感降水產品在平原地區精度較高。胡慶芳等[19]指出，在地形復雜的地區，衛星傳感器對降水信息的反映能力相對比較低，高程對遙感降水產品的精度有一定的影響。另一方面，有研究表明[21]，遙感降水的檢測算法傾向于檢測到較大的降水，而對微量降水的把握不好，在開孔河流域，山區降水多，平原降水少，因此探測到山區降水的可能性更大。根據以上精度評估結果，在塔里木河流域，從總體上看，TRMM 3B42V7的精度最高。

3.2 模擬徑流與實測徑流對比

使用流域附近的和田氣象站的實測降水資料率定模型參數。表9展示各年內實測降水驅動SRM模型的NSE與R。

因篇幅原因，以下僅展示效果較好的2009年。使用流域附近的和田氣象站的實測降水資料率定模型參數，經遺傳算法優化率定的參數為：融雪徑流系數0395，降雨徑流系數09，度日因子0207。基于此套參數，使用不同遙感降水產品作為驅動數據驅動SRM模型模擬徑流。不同降水輸入的徑流模擬結果見圖4，采用NSE與R對徑流模擬結果進行評估，結果見表10。

據圖4，該流域發生前三場次較強降水時（6月底、7月中旬、9月初），SRM模型較好地模擬了徑流；流域發生第四場較強降水時（11月中旬），流域大部分區域氣溫已低于0 ℃，故沒有直接產流。由圖4與表10可知，利用和田氣象站的降水資料基本上可以較好地模擬玉龍喀什河流域的徑流過程。我們注意到，8月中旬并未發生強降水事件，但SRM模型對洪峰模擬的效果相對較差，這可能是由于未準確考慮該流域以氣溫主導的融雪過程在夏季對徑流貢獻的比例比較大。根據楊針娘等[22]的研究，在玉龍喀什河流域，冰雪融水對徑流的貢獻比例約為664%，但該流域的氣溫資料代表性不足。對各類遙感降水產品而言，TRMM 3B42V7模擬徑流的精度最高，可以基本表征日徑流變化過程，這與前面多種降水產品精度評估的結果是一致的。

4 結論與展望

本文以塔里木河的子流域開孔河流域為研究對象，評估了TRMM 3B42RT、TRMM 3B42V7、CMORPH RAW、CMORPH CRT等四種遙感降水產品的精度；并在塔里木河流域的子流域玉龍喀什河流域，基于SRM模型，研究了各種遙感降水產品的適用性。主要得到以下結論。

（1）四種遙感降水產品與地面氣象站點實測降水 有不同程度的偏差，其中TRMM 3B42V7的精度整體相對較高，CMORPH在山區的精度也較為準確。

（2）基于多種降水產品進行徑流模擬，TRMM 3B42V7相較其余產品更加適用于塔里木河流域的徑流模擬，可以基本表征日徑流變化過程。

SRM模型中使用簡單的氣溫閾值法判斷降水 狀態，此方法不夠準確。新一代遙感降水產品GPM可區分降水的狀態，在缺乏資料地區應用有著巨大的可能性[23]。在資料缺乏地區，應該進一步加強對氣溫數據、降水數據的觀測，以提高模型的模擬精度。

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