1、基于現代信息技術的黃河流域年降水反演研究 受國家973項目黃河流域水資源演變規律與與二元演化模型研究（G1999043602）支持王浩1 王建華1 江東21. 中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京，100044，2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京，100101摘要：降水是流域水循環系統的基本輸入，傳統水文方法中獲取面上降水都是通過點雨量擴展獲取，因此對于雨量站點的密度有較高要求。本文引入國際先進遙感技術，根據不同云層和點雨量間的回歸關系，建立面雨量計算模型。并以GMS影像為信息源，對2000年黃河流域雨量進行遙感反演，從各二級流域校驗結果來看，本次反演精度整體達到90。可以看出，遙

2、感技術為無資料地區的面雨量資料的獲取提供了便利途徑。關鍵詞：黃河流域 降水 遙感反演 校驗降雨是是不同尺度的大氣物理過程和天氣動力作用之間的耦合結果，也是流域水循環系統的輸入。長期以來，對于降雨的測定通常采取將點尺度外延至面尺度，即用點雨量代替面雨量來計算區域的降雨量。實際情況表明，即便在同一氣候分區，降雨量的特性在同一時間內，各點的值并不相等，即降雨的特性也存在著明顯的空間變異性。針對這一特性，人們通過加密雨量站點來解決這一點雨量信息向上尺度化過程中存在的問題。在現代空間技術日益發達的今天，傳統信息獲取系統已經得到有效拓展，具有大空間尺度的現代遙感技術能夠直接采集動態面狀信息，氣象衛星的紅外

3、、可見光和微波等波段已經被廣泛應用于區域水量的估算。更為重要的是，遙感技術能夠得到的降水的三維時變信息對于流域水循環過程研究更為重要，而這一點是傳統水文方法所不能實現的。1降水遙感反演的研究進展利用遙感技術估算區域降水的方法按其計算原理可以分為直接方法和間接方法。直接方法主要利用微波波段直接估算降水，其測定原理主要是因為微波波長與雨滴直徑相接近，而遠大于云粒子，使得雨滴對于微波輻射的體散射、體消光的影響比云約大三個量級，因此根據降水層的冰晶層對于微波輻射的散射效應就能夠直接反應降水信息，通常采用的直接散射信息是亮度溫度。微波技術由于能夠穿透云層，直接獲取云層之下的實際降水微粒特征，因而被廣泛采

4、用，如全球能量與水分循環試驗（GEWEX）就利用遙感手段直接估算東亞副熱帶半濕潤地區的降水，如利用TRMM和GMS-5的微波波段估算淮河流域降水1。事實上，由于微波無法直接測定地面的降水數據，而只能通過垂直梯度的水分差異由云層底層降水特征間接導出，有時二者之間相關性較差，因此利用微波直接估算區域面雨量仍需不斷完善。間接方法主要利用云層頂端的可見光/紅外波段的輻射特征指示降水的可能性，在方法上主要包括以Scofieldde技術為代表的云生存期法和以Arkin技術為代表的云指數法等。間接方法測優勢是紅外和可見光波段通常具有較高的空間分辨率，并具有時間上的大量樣本，但由于間接方法所測定的信息是由云頂

5、輻射導出的，而實際降水來自于云體下方，二者間并非一種直接關系，因此單純利用云層輻射信息計算降水存在一定的局限（劉昌明，2001）。事實上，衛星遙感的優勢在于其能夠有效地反應降水地時空展布，而地面雨量計的長處在于它能夠精確反應單點雨量，如果能夠利用地面雨量計的觀測結果來反向標定遙感降水估算結果，就完全能夠克服上述間接方法本身存在的固有缺陷。隨著計算機、網絡和通訊技術的迅猛發展，常規地面觀測資料的采集越發快捷，將雨量站精確的點觀測與衛星資料大范圍面觀測的互補優勢有機融合起來，成為間接方法提高降水估算精度的主要途徑。如在GEWEX中的“淮河流域試驗（HUBEX）”當中就采取了一種智能型客觀分析方法將

6、地面雨量觀測結果與衛星降水估算結果進行了融合，融合結果的誤差明顯小于單純直接估算結果1。2降水遙感反演系統介紹本次研究黃河流域年尺度降水遙感反演是基于CEWBMS系統開展的，CEWBMS系統中國能量與水平衡監測系統（China Energy and Water Balance Monitior System）的英文縮寫2。經過三年多時間的建設和完善，該套系統已經成功應用于多個領域的生產和科研的實踐當中。由于本系統生產的主要標準產品中，降水是流域水循環基本輸入輸出要素，而且該系統的數據采集具有很高的時間分辨率，非常吻合流域尺度水循環過程研究的信息需求，為此筆者將該系統引入流域水循環研究當中，結合

7、所參與的國家重點基礎研究發展規劃項目“黃河流域水資源演變規律與可再生性維持機理研究”，以黃河流域為典型特例，企圖借此現代工具對現代流域水循環的過程研究進行一些的探索和嘗試。本系統的數據源是日本的靜止氣象衛星GMS-5，位于赤道上空35800公里。東經140度位置。本系統實時接受該衛星多通道掃描輻射計VISSR的信號，可以獲取白天可見光、晝夜紅外合水汽資料。本次降水反演主要利用GMS衛星接收的可見光和熱紅外兩個波段信息，相關參數如下：（1）可見光波段VIS：空間分辨率2.5公里，時間分辨率1小時，波譜范圍0.45-1.0µm；（2）熱紅外波段TIR：空間分辨率5公里，時間分辨率1小時,

8、 波譜范圍10.5-12.5µm；3. 反演原理降水主要來自于云。當云滴增大到能夠克服空氣阻力和上升氣流的抬升時，并且在下降到地面過程中不被蒸發掉，就形成降水。目前我國對于云使用的分類方法是先按云的高度劃分，然后按云的結構特點、形態特征劃分。按云的高度劃分為高云族（>5000m）、中云族（25005000m）和低云族（<2500m），進一步按云的結構特征可以劃分為10屬29類。在三族云當中，對于降雨意義較大的是低云族，包括積云、積雨云、層積云、層云和雨層云五屬。降水與云層溫度關系密切，根據云層溫度還可以將云劃分為冷云和暖云，其中冷云一般處于0。C以下的空間，而暖云則多處于

9、0。C以上的空間。CEWBMS系統測定降水的基本原理就是利用與降水有內在物理聯系的各類云層空間分布狀況，對應區域GTS系統各單點雨量觀測數據，建立二者間的相關關系，然后利用這種關系將單點雨量外延到區域面上的過程。與傳統水文方法相比，本系統在點雨量到面雨量的外延方法上，用具有內成因機制的降水云相關關系替代了各種單純的數學方法，顯然要科學得多。可以看出，CEWBMS系統測定降水必須具備兩個基礎，一是區域雨量站點得實測數據，本系統是基于GTS網絡數據。由于GTS自身的目的，其布站上多接近于人口稠密地區，偏遠地區站點較少。中國共有543個GTS雨量站點，其中黃河流域有81個，具體分布見圖1；二是用于各

10、雨量站點間降水估算得遙感云圖，本次采用2000年GMS-5遙感影像為云圖數據源。本系統根據GMS衛星影像特征，結合氣象觀測經驗值，將云層劃分為冷云、高云、中高云、中低云和低云5種類型，不同云層分類及相關參數閾值見表1。表1 云層分類及閾值云層類型紅外光譜值溫度范圍(K)云層高度(km)冷云< 45< 226> 10.8高云45602262408.510.8中高云60902402605.28.5中低云901202602802.25.2低云>120>280<2.23. 反演過程本次降水雨量反演過程可以分解為三個主要步驟：（1）回歸對每個站與其周邊n個站)間的降雨

11、量觀察值和云的生存期進行局部回歸（n=12），建立云量雨量間的多元回歸方程。云生存期方法估算雨量的一般回歸方程如下： （1）其中，CDi為一旬中第i云層的生存期，ai為回歸系數，b為常數項。對于CEWBMS系統而言，上述式子可以具體表述如下： （2） 其中：TTEDN cloudDN threshold cold cloud class式中：CDc冷云生存期；CDh高云生存期；CDmh中高云生存期；CDml中低云生存期；TTE溫度的過余閾值；DN像數值。（2）殘差檢測計算通過上述回歸方程計算出來的雨量與實際GTS觀測雨量間的差值，即： （3）（3）基于地理尺度因子的雨量修正通常地，對于雨量場中

12、任意兩點雨量相關主要取決于兩站點間的距離，因此系統選取了距離因子作為校正殘差Si的權重系數。根據加權轉換距離方法，對各像元回歸系數 (ai) 和殘差(Si)進行內插，推求出以像元為單位的各GTS雨量站間的尺度因子（S），然后根據尺度因子來確定面雨量計算的修正項。將估計降雨量加上基于地理尺度因子（S）得到的修正項，即可計算出區域面降雨量，即： （4）4. 反演結果與校驗經過對2000年黃河流域逐日每小時遙感圖像的接收、預處理、校正和合成，得到逐旬降水雨量圖。然后利用具備高度RS/GIS集成功能的專業遙感圖像處理系統ERDAS IMAGINE為工具，選取了1400萬二級流域邊界圖作為統計底圖。對旬

13、度水分產品進行統計，最終得到2000年度黃河流域二級分區逐旬水量反演結果，具體反演結果見表2。表2 2000年黃河流域降水反演結果 （單位：mm）月 份旬河源龍羊峽龍羊峽蘭州蘭州河口鎮河口鎮龍門龍門三門峽三門峽花園口花園口以下鄂爾多斯內流區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

14、.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

15、.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40.0038.3426.8148.6441.60

16、96.7355.1429.71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4.114.594.589.48

17、11.2622.3919.493.4611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0.100.000.200.090.020.000.000.00388.62382.40175.96312.06405.18592.13580.08152.66據黃河水資源公報，2000年黃河流域平均降水381.8mm

18、，與常年降水相比較，全流域偏少14.4。流域內各分區降水量以花園口河口最大，為681.5mm，其次是三門峽花園口區間，為657.1mm；黃河內流區降水最小，為162.5mm，其次為蘭州河口鎮的182.9mm。黃河流域降水結果反演結果與黃河流域水資源公報公布數據對比如表3。表3 黃河流域降水反演結果與公報數據對比流域名稱反演結果公報結果公報反演反演/公報（）mm億m3mm億m3mm億m3黃河流域340.82719.0381.8 3016.241.0321.090.2河源龍羊峽388.6511.7413.2 544.024.632.394.1龍羊峽蘭州382.4356.6412.6 384.830.428.292.7蘭州河口鎮176.0283.3182.9 294.56.311.296.2河口鎮龍門312.1349.8338.9379.826.730.0 92.1龍門三門峽405.2770.8478.6 910.573.4139.784.7三門峽花園口592.1245.9657.1 272.965.027.090.1花園口以下580.1131.1681.5 154.0101.422.985.1鄂爾多斯內流區152.769.8165.6 75.712.95.992.2從表3