红河上游流域MSWEP降水数据精度评价和影响因素研究

2021-03-30吴青见

水利技术监督 2021年3期

吴青见

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

在全球水循环过程中，降水是一个重要的组成部分。此外，在很多水文、气象模型中，都是以降水作为基础数据，对于一些水文气象资料较少的地区或流域，精度高的降水数据更加重要[1]。目前，降水数据的获得主要包括传统雨量站或气象站观测降水、雷达观测降水、遥感卫星观测降水[2- 3]。传统雨量站观测降水精度高，是最准确的方式。但是由于雨量站分布不均，观测的雨量为局部降雨量，受其他因素的影响较大，如地形因素[4]。一些没有雨量站的地区，就需采用插值方法得到降雨量[5]。雷达观测获得的降水数据具有较高的精度，在一定空间区域内具有较好的精度，但是其理论复杂，不适用于大范围空间的降水观测[6]。卫星遥感观测降水具有精度高、适用范围广、连续观测的优点，地形等因素对观测结果的精度影响小[7]。

目前全球有众多的降水数据产品，但是很多都没有充分发挥卫星降水数据和再分析数据的优势。多源加权集合降水数据集(MSWEP)是一种将雨量站数据、卫星观测数据、再分析数据优点融合的降水产品，在全球范围内的时间分辨率可以达到3h，空间分辨率可以达到0.1°。针对MSWEP降水数据的精度评价，NAIR A等[8]研究了不同降雨强度下使用MSWEP降水数据进行降水预测的准确性，结果表明：常规降水强度下，精度较高，异常降雨强度下，精度较低。SAHLU D等[9]对比了6种不同降水产品在降水预测方面的精度，包含TMPA、ECMWF、MSWEP、PERSIANN、CMORPH、ERA-Interim，结果表明：在雨季，预测精度最高的是CMORPH，MSWEP次之；在非雨季，预测精度最高的是MSWEP。邓越等[10]将MSWEP降水产品应用于我国内陆降水估计，以数百个不同气候区多年的气象站点观测数据为参照，结果表明：MSWEP降水产品在我国内陆大部分地区存在降水量估计偏大的现象，而少部分区域存在估计偏小的现象，如华北地区。王圆圆等[11]在评价MSWEP降水产品的精度时，以三峡库区上游区域气象站点的降水数据和GAM融合站点降水空间插值数据为依据，结果表明：MSWEP产品在预测雨季降水时，可以达到较好的精度。总体而言，MSWEP降水产品在国内的应用和验证研究开展的较少。

红河上游流域地处我国西南地区，流域内降雨量时空分布呈现较大的复杂性，印度洋季风和太平洋季风气候对该流域降水有重要影响，流域内气象站较少，且分布不均。目前针对该流域的研究重点集中在极端降水和时空分布规律[12]、降水量在空间范围内的变化情况[13]、流域水文模拟等[14]。而这些方面的研究都建立在降水数据的基础上，所以必须保证降水数据的精度满足要求。为了能更加准确地预测红河上游流域的降水，为水文模拟研究和水资源管理提供更加准确的数据，更好地融合气象站点、卫星观测、再分析降水数据的优点，将MSWEP降水产品应用于红河上游流域，分析评价该流域内MSWEP降水数据的精度，并对该流域内影响MSWEP降水数据精度的因素进行分析。

1 MSWEP降水数据精度评价

收集红河上游流域24个气象站实测降水量数据，数据序列的持续时间为1986—2015年，共30a。利用BECK H E等[15]人开发的MSWEP V2.1降水产品，需要的MSWEP降水数据从http://www.gloh2o.org网站下载，对应的降水数据时间也为1986—2015年。保存数据文件，并导入到Matlab软件中，对数据进行简单处理。根据气象站点的实际位置获取与之对应的MSWEP日降水数据和月降水数据。以月降水数据为基础，通过叠加就可以获得季降水数据和年降水数据。以气象站实测降水量为参照，以相关系数R、均方根误差RMSE和相对偏差Bias为评价指标[16]，评价MSWEP降水数据的精度。收集日、月、年、季的实测降水量数据，并以日、月、年、季为时间尺度进行研究，分析在不同时间尺度上MSWEP降水数据的精度。

1.1 日、月、年降水量精度评价

绘制日、月、年MSWEP降水数据和实测降水量的散点图，并用直线拟合，结果如图1—3所示。根据降水数据，计算相关系数、均方根误差和相对偏差，结果见表1。

图1 MSWEP日降水量和气象站实测日降水量散点图

图2 MSWEP月降水量和气象站实测月降水量散点图

图3 MSWEP年降水量和气象站实测年降水量散点图

表1 MSWEP日、月、年降水量精度评价指标结果

由图1—3和表1可以得出，在日尺度上，MSWEP日降水量和气象站实测日降水量的相关系数R为0.5852，说明两者的相关性和一致性一般。分析认为：红河上游流域多为山区，异常降水事件发生概率较大，MSWEP对异常降水事件的预测准确性较低；MSWEP日降水量和气象站实测日降水量的相对偏差Bias为-5.31%，说明MSWEP日降水量整体小于气象站实测日降水量5.31%。在月尺度上，MSWEP月降水量和气象站实测月降水量的相关系数R为0.9467，说明两者的相关性和一致性高；MSWEP月降水量和气象站实测月降水量的相对偏差Bias为-5.31%，说明MSWEP月降水量整体小于气象站实测月降水量5.31%。在年尺度上，MSWEP年降水量和气象站实测年降水量的相关系数R为0.9014，说明两者的相关性和一致性较高；两者的均方根误差RMSE为143.23，说明两者存在一定的误差，分析认为均方根误差RMSE较大的原因是由于月尺度降水量偏差累积而导致的。

总结得出，MSWEP降水量在月尺度和年尺度上具有较高的精度，和气象站实测降水量具有较高的相关性和一致性，MSWEP降水量在日尺度上精度一般。

1.2 季降水量精度评价

红河上游地处云南省境内，湿润和干旱季非常鲜明，四季降水呈现显著的不均匀性。以季为尺度，对MSWEP降水数据的精度进行评价。红河上游流域的四季具体划分是：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—次年2月)。根据统计数据，绘制季MSWEP降水量和气象站实测降水量的散点图，并用直线拟合，如图4—7所示，计算出季降水量的评价指标结果，见表2。

图4 MSWEP春季降水量和气象站实测春季降水量散点图

图5 MSWEP夏季降水量和气象站实测夏季降水量散点图

图6 MSWEP秋季降水量和气象站实测秋季降水量散点图

图7 MSWEP冬季降水量和气象站实测冬季降水量散点图

分析不同季节降水量的相关系数R，春季和冬季的相关系数R均大于0.9，表明春季和冬季的MSWEP降水数据具有较高的精度，和气象站实测

表2 不同季节MSWEP降水量精度评价结果

降水量具有较大的相关性和一致性；夏季和秋季的相关系数R均小于0.8，表明夏季和秋季的MSWEP降水量精度一般。分析不同季节降水量的均方根误差RMSE，冬季最小，夏季最大，其主要原因是冬季降水量少，降水量的变化幅度较小，夏季降水量多，降水量的变化幅度较大。分析不同季节降水量的相对偏差Bias，四个季节的相对偏差Bias均为负值，说明和气象站实测降雨量相比，MSWEP降水量偏小。

2 影响因素研究

红河上游流域多高山峡谷，不同区域地形起伏大，整体地势表现为西北高、东南低，地形复杂，需要分析地形因素对MSWEP降水数据精度的影响，研究的影响因素有：高程、坡度、坡向。

2.1 高程

图8 高程和相关系数R的散点图

图9 高程和相对偏差|Bias|的散点图

结合相关系数R和相对偏差|Bias|2个评价指标，当高程小于1500m时，MSWEP降水数据和气象站实测降水存在一定误差，分析认为：在河谷地带布置的气象站高程较低，且河谷地带的地势起伏较大，地形复杂，对降雨的影响较大；当高程大于1500m时，气象站所处的地形起伏变化较小，对降雨的影响较小，因而MSWEP降水数据和实测降水数据之间具有较好的匹配性。