基于现代信息技术的黄河流域年降水反演研究

简介： 降水是流域水循环系统的基本输入，传统水文方法中获取面上降水都是通过点雨量扩展获取，因此对于雨量站点的密度有较高要求。本文引入国际先进遥感技术，根据不同云层和点雨量间的回归关系，建立面雨量计算模型。并以GMS影像为信息源，对2000年黄河流域雨量进行遥感反演，从各二级流域校验结果来看，本次反演精度整体达到90％。可以看出，遥感技术为无资料地区的面雨量资料的获取提供了便利途径。
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　降雨是是不同尺度的大气物理过程和天气动力作用之间的耦合结果，也是流域水循环系统的输入。长期以来，对于降雨的测定通常采取将点尺度外延至面尺度，即用点雨量代替面雨量来计算区域的降雨量。实际情况表明，即便在同一气候分区，降雨量的特性在同一时间内，各点的值并不相等，即降雨的特性也存在着明显的空间变异性。针对这一特性，人们通过加密雨量站点来解决这一点雨量信息向上尺度化过程中存在的问题。

　　在现代空间技术日益发达的今天，传统信息获取系统已经得到有效拓展，具有大空间尺度的现代遥感技术能够直接采集动态面状信息，气象卫星的红外、可见光和微波等波段已经被广泛应用于区域水量的估算。更为重要的是，遥感技术能够得到的降水的三维时变信息对于流域水循环过程研究更为重要，而这一点是传统水文方法所不能实现的。

1．降水遥感反演的研究进展

　　利用遥感技术估算区域降水的方法按其计算原理可以分为直接方法和间接方法。直接方法主要利用微波波段直接估算降水，其测定原理主要是因为微波波长与雨滴直径相接近，而远大于云粒子，使得雨滴对于微波辐射的体散射、体消光的影响比云约大三个量级，因此根据降水层的冰晶层对于微波辐射的散射效应就能够直接反应降水信息，通常采用的直接散射信息是亮度温度。微波技术由于能够穿透云层，直接获取云层之下的实际降水微粒特征，因而被广泛采用，如全球能量与水分循环试验（GEWEX）就利用遥感手段直接估算东亚副热带半湿润地区的降水，如利用TRMM和GMS-5的微波波段估算淮河流域降水^[1]。事实上，由于微波无法直接测定地面的降水数据，而只能通过垂直梯度的水分差异由云层底层降水特征间接导出，有时二者之间相关性较差，因此利用微波直接估算区域面雨量仍需不断完善。

　　间接方法主要利用云层顶端的可见光/红外波段的辐射特征指示降水的可能性，在方法上主要包括以Scofieldde技术为代表的云生存期法和以Arkin技术为代表的云指数法等。间接方法测优势是红外和可见光波段通常具有较高的空间分辨率，并具有时间上的大量样本，但由于间接方法所测定的信息是由云顶辐射导出的，而实际降水来自于云体下方，二者间并非一种直接关系，因此单纯利用云层辐射信息计算降水存在一定的局限（刘昌明，2001）。事实上，卫星遥感的优势在于其能够有效地反应降水地时空展布，而地面雨量计的长处在于它能够精确反应单点雨量，如果能够利用地面雨量计的观测结果来反向标定遥感降水估算结果，就完全能够克服上述间接方法本身存在的固有缺陷。随着计算机、网络和通讯技术的迅猛发展，常规地面观测资料的采集越发快捷，将雨量站精确的点观测与卫星资料大范围面观测的互补优势有机融合起来，成为间接方法提高降水估算精度的主要途径。如在GEWEX中的“淮河流域试验（HUBEX）”当中就采取了一种智能型客观分析方法将地面雨量观测结果与卫星降水估算结果进行了融合，融合结果的误差明显小于单纯直接估算结果^[1]。

2．降水遥感反演系统介绍

　　本次研究黄河流域年尺度降水遥感反演是基于CEWBMS系统开展的，CEWBMS系统中国能量与水平衡监测系统（China Energy and Water Balance Monitior System）的英文缩写^[2]。经过三年多时间的建设和完善，该套系统已经成功应用于多个领域的生产和科研的实践当中。

　　由于本系统生产的主要标准产品中，降水是流域水循环基本输入输出要素，而且该系统的数据采集具有很高的时间分辨率，非常吻合流域尺度水循环过程研究的信息需求，为此笔者将该系统引入流域水循环研究当中，结合所参与的国家重点基础研究发展规划项目“黄河流域水资源演变规律与可再生性维持机理研究”，以黄河流域为典型特例，企图借此现代工具对现代流域水循环的过程研究进行一些的探索和尝试。

　　本系统的数据源是日本的静止气象卫星GMS-5，位于赤道上空35800公里。东经140度位置。本系统实时接受该卫星多通道扫描辐射计VISSR的信号，可以获取白天可见光、昼夜红外合水汽资料。本次降水反演主要利用GMS卫星接收的可见光和热红外两个波段信息，相关参数如下：

　　（1）可见光波段VIS：空间分辨率2.5公里，时间分辨率1小时，波谱范围0.45-1.0µm；

　　（2）热红外波段TIR：空间分辨率5公里，时间分辨率1小时, 波谱范围10.5-12.5µm；

3. 反演原理

　　降水主要来自于云。当云滴增大到能够克服空气阻力和上升气流的抬升时，并且在下降到地面过程中不被蒸发掉，就形成降水。目前我国对于云使用的分类方法是先按云的高度划分，然后按云的结构特点、形态特征划分。按云的高度划分为高云族（>5000m）、中云族（2500～5000m）和低云族（<2500m），进一步按云的结构特征可以划分为10属29类。在三族云当中，对于降雨意义较大的是低云族，包括积云、积雨云、层积云、层云和雨层云五属。降水与云层温度关系密切，根据云层温度还可以将云划分为冷云和暖云，其中冷云一般处于0^。C以下的空间，而暖云则多处于0^。C以上的空间。

　　CEWBMS系统测定降水的基本原理就是利用与降水有内在物理联系的各类云层空间分布状况，对应区域GTS系统各单点雨量观测数据，建立二者间的相关关系，然后利用这种关系将单点雨量外延到区域面上的过程。与传统水文方法相比，本系统在点雨量到面雨量的外延方法上，用具有内成因机制的降水－云相关关系替代了各种单纯的数学方法，显然要科学得多。

　　可以看出，CEWBMS系统测定降水必须具备两个基础，一是区域雨量站点得实测数据，本系统是基于GTS网络数据。由于GTS自身的目的，其布站上多接近于人口稠密地区，偏远地区站点较少。中国共有543个GTS雨量站点，其中黄河流域有81个，具体分布见图1；二是用于各雨量站点间降水估算得遥感云图，本次采用2000年GMS-5遥感影像为云图数据源。

本系统根据GMS卫星影像特征，结合气象观测经验值，将云层划分为冷云、高云、中高云、中低云和低云5种类型，不同云层分类及相关参数阈值见表1。

表1 云层分类及阈值

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋