湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价_贾玉雪.pdf

第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：基金项目：国家重点研发计划（）；国家自然科学基金（）作者简介：贾玉雪（），女，博士研究生，主要从事湖泊流域气象水文过程与极端水文事件研究。：通信作者：张奇（），男，研究员，博士，主要从事湖泊流域水文学研究。：引用本文：贾玉雪，张奇，曾冰茹，等湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价河海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价贾玉雪，张 奇，曾冰茹，徐铖宇，（中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京；中国科学院大学，北京；河海大学长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京）摘要：为探究卫星遥感、再分析产品等多源数据组合径流极值模拟的精度，选取湘江流域、以及实测数据的 种降水与气温组合，利用水文模型探究不同组合在各径流极值序列中的模拟精度。结果表明：在无实测数据的组合中，降水与 气温、降水与 气温 种组合的模拟结果分别最接近径流极高值与径流极低值实测值；除基准组合（实测降水、实测气温），实测降水与 气温、降水与实测气温分别是径流极高值、径流极低值模拟精度最高的组合；在各径流极值序列中，降水与 气温、降水与实测气温 种组合皆严重高估径流极值，最大高估可达，表现出模拟误差随径流值减小而增大的特征，其余组合皆低估径流，最大低估可达，且呈现出误差随径流值减小而减小的特点；降水产品在不同的径流极值序列中表现出的极端降水特征不同，径流极高值序列中 较其他 种降水产品更能反映极端降水的发生频率以及无雨历时等特征，径流极低值序列中 降水对极端降水强度、总量以及连续湿日特征的体现最好。关键词：降水产品；气温产品；遥感数据；模型；径流极值模拟；湘江流域中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：，；（），；，第 期贾玉雪，等 湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价 ，；，：；全球气候变暖与人为活动加剧导致的区域性增雨与减雨效应越来越突出，年，全球极端降水事件比预测多了。降水会影响径流、陆地水储量等，因此极端降水的发生往往伴随着一系列洪涝、干旱灾害。据统计，洪水灾害在 年中每年造成的经济损失超过 亿美元，年极端少雨导致长江流域尤其是两湖地区的特大干旱事件历史罕见。有研究指出，极端低流量引发的生态风险明显高于极端高流量引发的生态风险，同时极端低流量还会引发人类生产、生活用水与生态系统耗水之间的矛盾。因此在全球气候变化与人类活动加剧的背景下，加强径流极值的研究对防灾减灾、资源调配以及维持水生态系统健康具有重要意义。目前径流极值的模拟与预测主要依靠水文模型，而模型的气象输入往往依赖地面气象站点实测数据。受自然因素与社会经济条件等影响，全球气象站点分布密度较低、空间分布不均，过去的无资料区径流模拟研究中发展了多种气象数据插值方法以替代缺失的气象数据。其中，空间插值方法虽然一定程度上解决了无资料区水文研究的受限问题，但存在径流峰值模拟能力差、径流模拟过度平滑等缺点；高时空分辨率的卫星遥感数据解决了水文模拟输入资料缺乏的问题，大量的遥感产品被应用于水文模型数据库的构建或模型的校准。降水与气温作为大部分水文模型的必要输入数据得到众多学者的关注，由于径流对降水最为敏感，针对降水产品如、等开展精度验证、误差评价及其在径流模拟、水文预报中适用性的研究较多，大部分降水产品径流的模拟精度受研究区时空特征的影响，如 在南方平原丘陵地区的精度较高。再分析产品 与 的降水数据也被广泛应用于水文模拟，二者在长江中下游地区的适用性评估表明，空间上 与实测降水数据的多年平均降水量偏差较大，部分区域降水偏差超过，而 再分析降水资料和实测降水数据的多年平均降水量的偏差相对较小，降水偏差百分比在之间。相比于降水产品，气温产品的数量以及评价明显偏少，目前的研究中、以及、等一些再分析产品中的气温数据得到广泛的应用。存在空间分辨率低且不同时段数据质量差异大的劣势，数据仅覆盖东亚地区因此在全球适应性研究受限，与 的平均值都能够满足建模要求，但对于逐日最高气温与最低气温在水文模型中的表现，的结果好于。降水、气温数据的获取完全依赖遥感手段在水文模拟精度方面是否能够得到保障是当前面临的一个重要问题，已有部分研究通过组合不同来源的降水与气温数据进行径流模拟探讨过该问题，如在湄公河流域的研究发现使用格网降水数据集如、与 温度数据的组合能够很好地支持季风驱动的亚洲大型河流流域的模拟工作，中国干旱与半干旱地区石羊河流域的研究表明 降水与 温度的组合在径流与蒸散发模拟中表现最好，这表明受气候、地形等条件的影响不同的研究区域径流模拟的最佳替代组合存在一定的差异，除此之外，类似的研究仅限于对不同组合产品径流模拟总体精度的评价及组合优选，很少关注不同组合对径流极值的模拟精度。洞庭湖水量受三峡大坝蓄泄、长江 洞庭湖河湖水文效应、湘资沅澧来水的多重影响，丰水季节遭遇全流域强降水时容易发生洪涝灾害，湘江流域对洞庭湖流域水量贡献较大，因此湘江流域径流极值研究对洞庭湖流域水量调控、控灾减灾具有重要意义。目前卫星降水数据精度评估以及径流模拟精度评价方面的研究在湘江流域已经取得一系列的研究进展，有学者评价了、以及 降水产品应用于湘江流域径流模拟的精度，发现 种降水产品模拟的径流极值皆存在较大偏差，因此将降水产品与气温产品进行组合作为模型输入是否会改进水文极值的模拟效果需要进一步深入探究。月尺度的径流极值研究对分析年代际的气候水文演变具有重要意义，例如在长期径流预报方面具有明显优势的大气环流因子与月尺度以及滑动月尺度上的径流极值具有较强的相关性。此外在长时间序列河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷数据的支撑下，月尺度径流极值的研究可以从总体上刻画不同产品在丰水、枯水月份的表现能力。为探究多源气象数据组合对月尺度上水文模拟精度的影响，本文以实测气象数据输入为基准情景，选取、以及再分析 产品，在典型亚热带气候区 湘江流域设置不同的降水、气温组合开展水文过程模拟，进行不同产品组合的径流极值模拟精度分析。研究区概况湘江是洞庭湖“四水”中流域面积最大的支流，水系发达，占洞庭湖“三口四水”多年平均入湖洪量的图 研究区概况 .，受地势南高北低的影响，其自南往北注入洞庭湖，来水经洞庭湖调蓄后最终汇入长江。研究区地理空间范围为北纬 、东经。湘潭水文站为研究区的水文控制站，集水区总面积为 。地形以平原为主，平均高程为 。研究区气候类型为亚热带季风性湿润气候，年均气温.，年蒸发量，多年平均降水为.且降水年内分布不均，月暴雨频繁，月发生的洪水约占全年的。研究区内径流主要由降水补给，降水对径流增加的贡献率高达。主要土壤类型为红壤与水稻土，主要的土地利用类型为耕地与林地，占研究区总面积的.，植被类型为常绿阔叶林与针阔混交林。研究区现有 个国家级气象站，区内涵盖的气象、水文站点的空间分布情况详见图。湘江流域是亚热带季风湿润气候区流域的典型代表，当遇上长江流域的同步旱涝气候效应，便会对洞庭湖区的生产、生活、生态造成巨大的威胁，同时流域内分布着湖南省重要城市湘潭、株洲、衡阳，人口密集、经济体量大，水文灾害一旦发生将带来巨大的经济损失，因此通过比较不同降水、气温产品组合的径流极值模拟精度不但可以进一步认识不同产品的优势与缺陷，更能为该流域径流极值模拟预测提供合适的气象输入资料，提高极端水文事件的预警能力。研究数据与方法 数据来源及处理研究数据包括逐日降水与气温，根据获取来源可以分为实测数据、卫星遥感数据、再分析产品。研究区涵盖的 个国家级气象站数据来自于国家气象科学数据中心（：）中国地面气候资料日值数据集，包括逐日降水量、逐日最高气温与最低气温。卫星 遥 感 数 据 包 括、。是 由 （）数据与 融合后的 产品数据发展而来，并经 逐月数据进行修正得到的高时空分辨率产品，覆盖了全球 的地区，时间范围为 年。（：）是由 与日本国家宇宙开发机构联合发射的旨在监测与研究热带与亚热带降水的系列卫星，本文使用的数据集为 ，它是经 算法处理得到的降水数据，且使用 逐月数据进行了偏差纠正，产品的空间分辨率为，覆盖 的区域，时间范围为 年。（：）是由美国国家环境预报中心（）与国家大气研究中心（）联合发布的覆盖全球的第三代再分析产品，产品耦合大气 海洋 陆表以及海冰系统并进行了多源卫星数据同化，可提供 年逐日尺度上的降水、气温、相对湿度、风速、太阳辐射等资料。第 期贾玉雪，等 湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价本文采用的降水与温度产品的具体参数详见表。以上所有的遥感产品在 云平台表 降水与温度产品基本参数 产品研究时段获取变量空间分辨率时间分辨率中国地面气候资料日值数据集 年降水量和最高、最低气温逐日 年降水量 年降水量逐日 年降水量和最高、最低气温逐日进行在线处理与下载，由于本文水文模型的气象输入模块需要按站点进行数据整理，因此对于遥感格网数据的处理方法为获取实测气象站点所对应的 缓冲区对应的平均值作为该站点某种产品的降水数据。除气象数据外，本文用到的湘潭站逐月流量来自湖南省水文水资源勘测中心，时间范围为 年 月至 年 月，用于月尺度上水文模型的率定与验证。研究方法 水文模型由于应用范围广、界面友好、源代码公开等优点，（）模型被广泛应用于径流模拟且已有研究证明该模型在湘江流域水量模拟的适用性较好，因此本文选取 模型作为研究工具。模型是由美国农业部开发的半分布式水文模型，是基于物质能量平衡的物理模型，该模型以水文响应单元（）为最小的空间计算单元。模型用于径流量模拟，主要步骤包括基础数据库构建（包括地形、土地利用、土壤、气象）、参数敏感性分析以及模型校准与验证 个部分。用于敏感性分析与参数率定的程序为，采用的率定方法为，其中模型率定用到的评价性指标包括决定系数（）、纳什效率系数（）、相对误差（）。等认为对于流域尺度的模型，当 大于，大于，小于等于可认为模型精度令人满意。径流极值序列选取极值理论中常利用年最大值序列法（，）与超门限峰值序列法（，）选取径流极值序列。但 种方法要么所选取的数据偏少要么选取方法复杂。（）曲线刻画了径流极高值到径流极低值所对应的累积超出百分比。为了保证本文月尺度径流量数据极值选取的高效、合理，借鉴 等的方法，利用径流历时曲线结合分位数划分径流极值范围。将径流量从高到低排序后，划分径流极低值（）、径流极高值（）以及非径流极值（），其中分位数（）、分位数（）代表径流极高值序列，分位数（）、分位数（）代表径流极低值序列，之间的范围定义为非径流极值。为对不同类型降水、气温产品组合径流极值模拟进行精确地评估，选取均方根误差（）、相对误差（）作为评价指标进行评价。极端气候指数选取从世界气象组织推荐的 个极端气候指标中选取了常用的 个的极端降水指标（、）与 个极端气温指标（、）表征极端降水与极端气温特征，各气象站点极端降水与极端气温指数的计算借助 软件，对应地取流域内所有站点某指数的均值作为该指数在整个研究区的值。结果与分析 径流模拟精度评价基于实测气象数据的 模型径流模拟表明，总体模拟效果较好，率定期（年），与 皆为 以上，验证期（年）与 分别为 与。另外，需要考虑模型的不确定性，在 模型中，所有不确定性的程度通过 衡量，其含义为在 预测不确定性区间（）以内监测数据的百分比，则为 带的平均厚度除以监测数据标准偏差。本文中 为、为，二者达到了平衡，模拟具有较高的可靠性，月尺度上该套参数的拟合效果较好。将、产品进行降水、气温组合，共得到 种气象输入组合（表），借助水文模型探究不同气象输入数据组合的径流模拟精度，为防止过多参数带来的模拟结果的不确定性，所有组合使用同一套河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷由地面气象站点数据率定所优选的水文参数，方案 作为基准组合与其他方案进行对比。表 各组合的径流模拟评价结果 编号组合的产品 评价站点降水、站点气温满意 降水、气温一般 降水、站点气温一般 降水、站点气温较为满意 降水、站点气温满意站点降水、气温满意 降水、气温较为满意 降水、气温满意根据表，径流模拟精度的评价结果可以大致分为满意、较为满意与一般 个层次（满意：、，与 皆大于；较为满意：、，皆大于，皆大于；一般：、，小于，模拟效果最差）。除基准情景外，组合的模拟精度最高（，），模拟精度最差的是，小于。个组合模拟精度由高到低顺序为、。在无实测数据的组合中（、），组合的 与 分别为、，最接近基准组合，是替代实测降水与气温的最佳遥感产品组合。径流极值分析表 各组合方案不同序列的均方根误差统计结果 编号 分别计算除基准情景 外的 种方案在、各序列的均方根误差，判断各组合在不同极值序列的径流极值捕捉能力（表）。所有的组合中，组合均方根误差最大，对径流极值的捕捉能力最弱，径流极高值、极低值捕捉能力最强的分别是、组合。同一组合方案在不同极值序列捕捉径流极值的表现非常一致，说明以上组合捕捉径流极值能力具有稳定性。在只有遥感数据的 种组合中（、），组合对径流极高值的捕捉精度最高，均方根误差分别为（）、（），组合模拟径流极低值的精度最高，均方根误差分别为（）、（）。图 不同组合径流极值的相对误差箱线图 计算每种组合与基准组合之间的相对误差，探究不同组合对径流极值的高估或低估程度。总体而言，、组合高估径流量，高估，其余组合皆低估径流，平均低估不超过。在各径流极值序列中（图），降水参与的组合（、）径流极值模拟结果皆为高估，高估 ，其余组合皆不同程度地低估径流，低估。与，与，与 分别具有相同降水的组合，由气温数据不同导致的径流极值相对误差差别较小，对比、与、两组具有相同气温的组合，相对误差差距较大，表明在该研究范围内降水对径流极值模拟误差的影响大于气温。第 期贾玉雪，等 湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价为探究径流极值误差是否随径流量大小发生规律性变化，需要剔除模型水文参数误差的影响。图 为经误差剔除后各组合在不同分位数范围内的均方根误差，可以发现，除、方案外，其余组合则表现出径流极低值模拟误差小于径流极高值模拟误差的特征。等发现，在考虑水文模型参数误差的基础上，考虑水文模型结构误差时，误差将增加。本文仅使用了一种模型，无法进行水文模型结构误差的比较与消除，但有关基于雨量站降水的研究发现随着最大、流量均值的减小，各站点情景的模拟结果相应误差也逐渐减小，这与本文的研究结果一致（图（），因此本研究中的模型结构误差不足以影响研究结论。、两种组合与其他方案的结果相反，表现为模拟误差随径流值减小而增大，分析 降水相对偏差发现，、的降水相对偏差分别为、，即径流极低值序列对应的降水偏差大于径流极高值序列的降水偏差，表明、组合呈现出的误差随径流值减小而增大的规律是受 产品降水特征的影响。图 种组合的径流极值误差分析 图 各降水产品极端降水指标相对误差 径流极值与极端降水关系解析根据图，具有相同降水输入的 与，与，与 组合的径流极值误差变化分别具有相同的变化特征，通过分析极端降水指数与径流极值的关系进一步研究不同降水产品如何影响径流极值。根据图，河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 降水在 序列的极端降水指数、与气象站点对应的极端降水指数相对偏差最小，相对偏差范围为，序列中，与、相比（）的、相对偏差最小，表明较于其他 种产品，径流极高值序列中 更能反映极端降水的发生频率以及无雨历时等特征；在 与 序列中，的、相对偏差最小，相对偏差范围分别为（）、（），表明较于其他 种产品，径流极低值序列中 更能反映极端降水的强度、总量以及持续时间。等对 与 完整降水序列的极端降水指数比较发现，产品、与实测降水的、更为接近，产品的 与实测降水的 更为接近，但关于极端降水历时、总量特征的结果与本研究不一致，究其原因，本研究是针对不同的极值序列进行极端气候指数的计算，同一产品对极高值序列与极低值序列降水特征的反应能力也存在差异。分析、径流极值序列所对应的极端降水，降水表现为高估极端降水量总量、频次、强度以及降水发生的持续时间，其相对偏差较其他产品皆最大，同时 降水严重低估持续干日（）的结果，相对偏差分别为（）、（）、（）、（）。讨 论降水与气温是影响径流的 个最关键的气象要素，选取几种降水与气温产品探究不同组合对径流极值模拟结果的影响。无实测数据的组合中，降水与 气温、降水与 气温 种组合分别模拟径流极高值与径流极低值时具有最小的均方根误差，等在西南地区的红河流域上游进行日尺度上径流模拟，对于超过 分位数的径流极高值，与 分别低估、，与本文研究结果相近，但径流极低值的结果存在较大差异，小于 分位数的径流极低值分别高估、，表明基于卫星产品的径流极低值模拟受区域差异的影响而存在较大的不确定性，等也发现 等遥感产品对径流极高值的模拟性能好于径流极低值。鉴于较大的不确定性，在进行径流极低值模拟应用时，卫星数据经数据融合、偏差纠正后再应用到具体的研究中将更加妥当。在湘江流域，降水产品是导致径流极值误差分布存在差异的主要原因，等在美国东北部的萨斯奎哈纳河流域对 降水与 再分析降水产品进行径流模拟误差传递效应研究也得到同样的结果。气温产品之间的差异对径流模拟也具有重要的影响，气温与气象站点实测气温的绝对偏差较小（图），与 绝对误差不超过，的绝对误差不超过，的绝对误差不超过，说明 能够比较精确地反映逐日最高、最低气温以及月尺度上的极端气温，这与 等的研究结论一致。其次气温对极端径流的影响往往在寒区更加明显，如受气候变暖的影响，未来长江上游融雪径流将减少，而极端径流也将小幅度减少，而本研究位于长江中游的亚热带季风气候区，不存在融雪径流，因此气温对极端径流的影响较小。图 极端气温指数绝对误差 结 论 在湘江流域不使用实测气象资料的情况下，降水与 气温组合在水文模型中的表现最接第 期贾玉雪，等 湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价近实际情况。降水与 气温、降水与 气温 种组合的径流极值模拟结果分别最接近实测径流极高值、极低值，平均相对误差分别为与。考虑实测气象数据时，除基准情景外，实测降水与 气温、降水与站点气温分别是径流极高值、径流极低值模拟精度最高的两组组合，平均相对误差分别为与。在典型亚热带季风气候区湘江流域，降水产品的误差是导致径流极值误差分布存在差异的主要原因，种降水产品从降水到径流之间的误差传递特征表现为：降水模拟的径流极低值误差大于径流极高值误差，与 降水模拟的径流极高值误差大于径流极低值误差。同一降水产品在不同的径流极值序列中表现出的极端降水特征不同，因而对径流极高值与极低值捕捉能力存在差异。径流极高值序列对应的 降水对极端降水发生频率、连续干日持续特征具有高表征能力，径流极低值序列对应的 降水对极端降水强度、总量以及历时特征具有高表征能力。参考文献：刘家宏，骆卓然，张永祥，等城市化对河南省极端降水空间分布的影响水资源保护，（）：（，（）：（）王辉，吴文俊，王广，等昆明市极端降水事件演变特征及城市效应水资源保护，（）：（，（）：（），（）：任立良，王宇，江善虎，等基于 和 的黄河流域陆地水储量及影响因素分析水资源保护，（）：（，（）：（），（）：肖祖香，朱双，罗显刚，等三江源区多尺度水文干旱特征及植被的响应河海大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（），（）：，（），（）：，：，（）：温馨，周纪，刘绍民，等基于多源产品的西南河流源区地表蒸散发时空特征水资源保护，（）：（，（）：（），：范田亿，张翔，黄兵，等 卫星降水产品降尺度及其在湘江流域水文模拟中的应用农业工程学报，（）：（，（），（）：（），：，（）：，（）：河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 刘培，吴凯，许怡，等中国大陆 降水多尺度精度评价水利水电科技进展，（）：（，（）：（），：，（）：王彧蓉，周建中，杨鑫，等再分析降水资料的适用性评估与偏差校正：以长江中下游地区为例人民长江，（）：（，：，（）：（）汪小菊，王文，王鹏 月气温数据在中国区的适用性评估水电能源科学，（）：（，（）：（），（）：，：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：朱仟气候变化下降水输入和水文模型参数对水文模拟的影响杭州：浙江大学，杨开斌，朱坚，葛朝霞，等 事件影响下长江大通站汛期径流预测建模分析水电能源科学，（）：（，（）：（）徐卫红，张双虎，蒋云钟，等洞庭湖区洪水组成及遭遇规律研究 流域水循环与水安全：第十一届中国水论坛论文集广州：中国水利学会，：罗巧，王克林，王勤学基于 模型的湘江流域土地利用变化情景的径流模拟研究中国生态农业学报，（）：（，（）：（）沈倩娜，张霞湘江 年与 年两场特大洪水的对比分析水文，（）：（，（）：（）杜鹃，徐伟，赵智国，等湘江流域近 年径流量与水位的长期变化规律研究应用基础与工程科学学报，（）：（，（）：（），：，（）：李镇洋，李国芳，高倩雨，等变化环境下嫩江富拉尔基站径流响应水利水电科技进展，（）：（，（）：（），（）：，：，（）：（下转第 页）第 期赵玲玲，等 华南中小流域设计暴雨洪水同频率检验与重现水平推算 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