流域尺度全球降水数据产品的相互比较_金平伟.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 8 9 1流域尺度全球降水数据产品的相互比较金平伟1,张红丽2,李 浩1,王 超3,黄 俊1(1.珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站,广东 广州 5 1 0 6 1 1;2.水利部水土保持监测中心,北京 1 0 0 0 5 5;3.水发规划设计有限公司,山东 济南 2 5 0 0 0 0)摘要:鉴于国家、大陆和全球尺度降水数据集之间的差异性方面的研究较多而很少考虑河流流域尺度上数据集的可靠性,采用最大/最小差异百分比法和T F PM-MK趋势分析法研究评估了1 2种广泛应用的降水数据集在全球6 2 9 2个流域中降水估计和变化趋势等方面之间的差异。结果表明,降水数据集之间存在较大差异,数据集之间的年平均降水量差异超过5 0 0 mm/a的流域共有2 4 6 9个,占地面积达4 4 1 9.61 04 k m2,主要分布在格陵兰岛、非洲、大洋洲和西亚。现有数据产品不能对所有流域的降水趋势达成一致,难以为确保流域内的水利发电、生活供水、防洪和抗旱等方面有效政策的制定和实施提供合理的科学依据。关键词:全球降水;江河流域;卫星观测;再分析数据中图分类号:TV 1 2 5;P 3 3 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 1 0-0 5收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 1,修回日期:2 0 2 2-1 1-0 5基金项目:水利技术示范项目(S F-2 0 2 2 0 7);广东省水利科技创新项目(2 0 2 0-2 5);珠江水利科学研究院科技创新自立项目(2 0 2 1 k y 0 2 1)作者简介:金平伟(1 9 7 6-),男,硕士、高级工程师,研究方向为水土保持项目咨询等,E-m a i l:4 4 9 2 1 5 6 3 4q q.c o m通讯作者:李浩(1 9 9 0-),男,硕士、工程师,研究方向为水土保持及遥感应用等,E-m a i l:1 5 4 8 7 7 8 5 3 7q q.c o m1 引言气候变化加速了全球水循环,导致全球降水具有很强的时空异质性1。准确可靠的降水数据可揭示驱动降水变化的机制,且水文、生态和大气模型模拟预测的准确性在很大程度上依赖于优质降水估算的可用性2。目前,存在许多降水数据产品,分为测站产品、卫星产品和基于再分析的产品,包括雨量计、雨滴谱仪和雷达在内的工具广泛用于监测地球表面附近的降水,其优势体现在测量位置的高精度。但基于测站的产品存在一定的缺点,如测量站分布不均或沙漠、海洋、森林、山脉、山谷和发展中国家的观测站点稀少及缺乏长期和连续的观测。基于卫星的降水产品可克服这些缺陷。卫星数据3已被广泛用于预测台风、洪水和暴雨。然而,卫星降水产品可能包含较大的系统误差和随机误差(如观测误差、样本源不确定性和算法误差)。因此选择和应用一种降水产品前有必要评估可用数据源之间的差异。近几十年来,关于国家、大陆和全球尺度降水数据集的相互比较方面的研究已较多4。如S UN Q等5量化了3 0种降水产品在多个时间尺度上的差异,发现地表年降水量的差异可能高达3 0 0 mm/a。然而,少有研究考虑流域尺度上的数据集比较。考虑到不同降水产品在流域尺度的广泛应用,有必要对流域的这些产品进行综合评价。为此,本文采用最大/最小差异百分比法和T F PM-MK趋势分析法研究评估了全球6 2 9 2个流域在多个时间尺度上的1 2种不同降水产品的时空异质性,获得了一些有益的结论,可供借鉴。2 研究数据与方法2.1 数据来源1 2种 降 水 数 据 产 品 为C RU、G P C C、P R E C/L、UD E L、C P C-G l o b a l、CMA P、G P C P、M SWE P、G P C P_P E N_v 2.2、N E C P 2、E R A 5、J R A-5 5,包括5个测站、4个卫星和3个再分析产品,其时间范围为1 9 7 92 0 1 6年。6 2 9 2个流域的基本信息详见h t t p s:/www.e e a.e u r o p a.e u/d a t a-a n d-m a p s/d a t a-p r o v i d e r s-a n d-p a r t n e r s/g l o b a l-r u n o f f-d a t a-c e n t r e-g r d c。2.2 研究方法第4 1卷第5期金平伟等:流域尺度全球降水数据产品的相互比较2.2.1 泰森多边形法泰森多边形法6将单个流域划分为n个泰森多边形,单个泰森多边形内的栅格降雨数据与该泰森多边形的面积相乘即为该泰森多边形的降雨量。计算公式为:Rb=R1S1+R2S2+RiSi+Rn-1Sn-1+RnSnS1+S2+Si+Sn-1+Sn(1)式中,Rb为流域的平均降雨量;Ri为T h i e s s e n多边形i的降雨量;Si为T h i e s s e n多边形i的面积;n为流域内泰森多边形的数量。2.2.2 T F PM-MK趋势分析方法T F PM-MK趋势分析方法对于假设的时间序列(x1,x2,x3,xn-1,xn),传统的M a n n-K e n d a l l趋势检验方法的方程为:S=n-1i=1nj=i+1s g n(xj-xi)(2)其中 s g n(xj-xi)=+1(xj-xi)00(xj-xi)=0-1(xj-xi)00S=0(S+1)/V a r(s)S|Z1-/2|,则表明时间序列呈显著的上升趋势;若ZMK 2.3 2、|ZMK|1.9 6、1 2 4|ZMK|1.6 4分别表示年降水量呈增加或减少趋势的置信水平分别超过9 9%、9 5%、9 0%;|ZMK|2.3 2、|ZMK|1.9 6和1 2 4ZMK|1.6 4分别表示年降(a)CRU(g)GPCP(e)CPC-Global(c)PREC/L(i)GPCP_PEN_v2.2(k)ERA5(d)UDEL(j)NECP2(f)CMAP(b)GPCC(h)MSWEP(l)JRA-55图5 基于T F PM-MK方法计算的各流域旱季降水量变化趋势F i g.5 V a r i a t i o n t r e n d o f p r e c i p i t a t i o n i n d r y s e a s o n o f e a c h b a s i n c a l c u l a t e d b a s e d o n T F PM-MK m e t h o d水量呈 增 加或减 少趋势的置 信水平分别 超过9 9%、9 5%、9 0%;|ZMK|1.6 4表示年降水量无变化趋势。由图5可知,与年降水趋势相似,降雨数据产品之间在旱季降雨趋势的估计上存在高度的不确定性。M SWE P降雨产品中旱季降水为显著减少趋势的流域数量最少,为3 4 8个,面积为5 6 0.11 04 k m2,仅为UD E L降雨产品 的1/2(1 3 7 5个流域的旱季降雨为减小趋势,面积为1 6 6 2.11 04 k m2)。G P C P_P E N_v 2.2降雨产品中旱季降雨量呈现显著增加趋势的流域数量最少,为6 0 0条河流流域,面积1 7 0 7.71 04 k m2,约为C RU降雨产品的1/3(2 0 3 9条流域,面积316 1 5 7.21 04 k m2)。3.3 雨季降水变化及不确定性为预测未来的洪水风险,气候模型需能够准确地模拟出历史气候变化的基本特征,而这很大程度上依赖于降雨水产品的可靠性。基于1 2个降雨产品,发现全球雨季平均降水量为3 4 9.8 mm。最小估计值为3 0 7.3 mm(C P C-G l o b a l降雨产品),而最大估计值为4 0 1.3 mm(M SWE P降雨产品)。在流域尺度上,2 9 2 6个流域的雨季平均降水量均大于2 5 0 mm。这些流域主要分布在南美洲、北非、北大洋洲和南亚。基于测量和卫星的产品显示出相对一致的雨季降水分布,南半球(北半球)降水强度高(低)。相反,再分析产品的雨季 降 水 分 布 方 面 表 现 出 较 大 的 变 化。如N E C P高估了大洋洲和北非的雨季降水,而低估了亚马逊河流域和东亚的降水。4 结论a.本文采用最大/最小差异百分比法和T F-PM-MK趋势分析法,对1 2种降水产品进行了综合比较,量化了这些数据集在流域尺度上的不确定性,揭示了全球各降水数据产品之间的巨大差异。与其他数据集相比,基于再分析的降水产品,尤其是N E C P具有最高的不确定性。b.N E C P数据集高估了南半球降水量。流域尺度降水估算的巨大差异可靠性尚待商榷。在南半球观测数据贫乏的地区,这一问题尤为严重。为此,建议布设更多的观测站以获得流域尺度上更为准确的降雨数据。参考文献:1 L O S S O,C O L L A T Z G J,B OUNOUA L,e t a l.G l o b a l i n t e r a n n u a l v a r i a t i o n s i n s e a s u r f a c e t e m p e r a-t u r e a n d l a n d s u r f a c e v e g e t a t i o n,a i r t e m p e r a t u r e,a n d p r e c i p i t a t i o nJ.J o u r n a l o f c l i m a t e,2 0 0 1,1 4(7):1 5 3 5-1 5 4 9.2 HU F FMAN G J,A D L E R R F,A R K I N P,e t a l.T h e g l o b a l p r e c i p i t a t i o n c l i m a t o l o g y p r o j e c t(G P C P)c o m b i n e d p r e c i p i t a t i o n d a t a s e tJ.B u l l e t i n o f t h e A-m e r i c a n m e t e o r o l o g i c a l s o c i e t y,1 9 9 7,7 8(1):5-2 0.3 L I U Y,F U Q,S ONG P,e t a l.S a t e l l i t e r e t r i e v a l o f p r e c i p i t a t i o n:A n o v e r v i e wJ.A d v a n c e s i n e a r t h s c i e n c e,2 0 1 1,2 6(1 1):1 1 6 2-1 1 7 2.4 HE R O L D N,B e h r a n g i A,A l e x a n d e r L V.L a r g e u n c e r t a i n t i e s i n o b s e r v e d d a i l y p r e c i p i t a t i o n e x-t r e m e s o v e r l a n dJ.J o u r n a l o f g e o p h y s i c a l r e-s e a r c h:a t m o s p h e r e s,2 0 1 7,1 2 2(2):6 6 8-6 8 1.5 S UN Q,M I AO C,D UAN Q,e t a l.A r e v i e w o f g l o b a l p r e c i p i t a t i o n d a t a s e t s:D a t a s o u r c e s,e s t i m a-t i o n,a n d i n t e r c o m p a r i s o n sJ.R e v i e w s o f g e o-p h y s i c s,2 0 1 8,5 6(1):7 9-1 0 7.6 S HA RMA D,GU P TA A D,B A B E L M S.S p a t i a l d i s a g g r e g a t i o n o f b i a s-c o r r e c t e d G CM p r e c i p i t a t i o n f o r i m p r o v e d h y d r o l o g i c s i m u l a t i o n:P i n g R i v e r B a-s i n,T h a i l a n dJ.H y d r o l o g y a n d e a r t h s y s t e m s c i-e n c e s d i s c u s s i o n s,2 0 0 7,1 1(4):1 3 7 3-1 3 9 0.7 B E S T J.A n t h r o p o g e n i c s t r e s s e s o n t h e w o r l ds b i g r i v e r sJ.N a t u r e g e o s c i e n c e,2 0 1 9,1 2(1):7-2 1.I n t e r C o m p a r i s o n s o f G l o b a l P r e c i p i t a t i o n D a t a s e t s i n G l o b a l R i v e r B a s i n sJ I N P i n g-w e i1,Z HANG H o n g-l i2,L I H a o1,WANG C h a o3,HUANG J u n1(1.S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n M o n i t o r i n g C e n t e r o f P e a r l R i v e r B a s i n,P e a r l R i v e r W a t e r R e s o u r c e s C o mm i s s i o n,G u a n g z h o u 5 1 0 6 1 1,C h i n a;2.T h e C e n t e r o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n M o n i t o r i n g,M i n i s t r y o f W a t e r R e s o u r c e s,B e i j i n g 1 0 0 0 5 5,C h i n a;3.W a t e r P l a n n i n g a n d D e s i g n L i m i t e d,J i n a n 2 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n n a t i o n a l,c o n t i n e n t a l a n d g l o b a l s c a l e p r e c i p i t a t i o n d a t a s e t s,t h e r e a r e m a n y s t u d i e s,b u t t h e r e l i a b i l i t y o f d a t a s e t s o n r i v e r b a s i n s c a l e i s r a r e l y c o n s i d e r e d.T o t h i s e n d,t h e m a x i m u m/m i n i-m u m d i f f e r e n c e p e r c e n t a g e m e t h o d a n d T F PM-MK t r e n d a n a l y s i s m e t h o d w e r e u s e d t o s t u d y a n d e v a l u a t e t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n 1 2 w i d e l y u s e d p r e c i p i t a t i o n d a t a s e t s i n p r e c i p i t a t i o n e s t i m a t i o n a n d c h a n g e t r e n d s i n 6 2 9 2 b a s i n s a r o u n d t h e w o r l d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a r e l a r g e d i f f e r e n c e s b e t w e e n p r e c i p i t a t i o n d a t a s e t s.T h e r e a r e 2 4 6 9 b a s i n s w i t h a n a n n u a l a v e r a g e p r e c i p i t a t i o n d i f f e r e n c e o f m o r e t h a n 5 0 0 mm/a,c o v e r i n g a n a r e a o f 4 4 1 9.61 04k m2,m a i n l y d i s t r i b u t e d i n G r e e n l a n d,A f r i c a,O c e a n i a a n d W e s t A s i a.T h e e x i s t i n g d a t a p r o d u c t s c a n n o t r e a c h a n a g r e e m e n t o n t h e p r e c i p i t a t i o n t r e n d o f a l l b a s i n s,a n d i t i s d i f f i c u l t t o p r o v i d e a r e a s o n a b l e s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e f o r m u l a t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f e f-f e c t i v e p o l i c i e s t o e n s u r e w a t e r c o n s e r v a n c y a n d p o w e r g e n e r a t i o n,d o m e s t i c w a t e r s u p p l y,f l o o d c o n t r o l a n d e a r l y w a r n i n g i n t h e b a s i n.K e y w o r d s:g l o b a l p r e c i p i t a t i o n;r i v e r b a s i n s;s a t e l l i t e o b s e r v a t i o n s;r e a n a l y s i s o b s e r v a t i o n s41水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年