崔豪 王贺佳 肖伟华 高斌

摘要： 为研究再分析数据集CMFD（China Meteorological Forcing Dataset）中降水数据在三峡库区的应用精度，为地貌特征复杂地区的水文模拟提供数据驱动支撑，结合三峡库区范围内27个气象站点降水数据，对降水产品CMFD进行多尺度精度评估，并以此驱动SWAT模型对库区范围内典型流域进行径流模拟。结果表明：① 研究区内1979～2015年气象站点与CMFD数据集的降水数据相关系数较高，均在0.85以上;② 1979～2015年库区内CMFD年均面降水量能够较好地反映三峡库区内降水空间分布特征，其总体相对误差为3%;③ CMFD日降水事件探测能力POD为0.89～0.99，ACC为0.55～0.65，CSI为0.44～0.56;④ 在径流模拟效果上，CMFD降水数据率定期和验证期内的纳什效率系数和相关系数分别为0.90和0.89（率定期）、0.91和0.88（验证期）。CMFD数据在库区范围日降水探测能力较好，库区上中下游典型站点降水月尺度相关性均较高，在典型流域水文模拟中效果较优，可以为库区范围降水时空演变特征分析及水循环精细化模拟提供支撑。

关 键 词： 降水产品; CMFD数据集; 降水精度; SWAT模型; 三峡库区

中图法分类号：  TV11

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.015

0 引 言

降水数据是区域/流域水循环模拟过程的重要输入数据[1]。降水数据可以通过地面气象观测站监测、气象雷达监测、卫星遥感反演等手段获取，但却存在着各自的局限性。由于地面气象观测站数据起始年份不同以及数据的缺失，使得降水观测数据序列往往缺少一致的数据支持，亦或站点架设的密度不足导致空间分辨率不够，在流域水循环的模拟过程中，由降水输入的误差导致对径流、蒸发等要素的模拟存在较大的不确定性[2]。地面雷达提供的高时空降水观测信息有助于监测降水分布及降水强度，但受到架设位置限制，在复杂环境下有一定的不确定性[3];卫星反演降水数据可以获取空间尺度上的连续数据，但其较地面观测站有一定的偏差[4]。近年来，随着科学技术的迅速发展，借助卫星反演、模式运算以及站点数据插补等数据融合方法，生成了大量不同时空分辨率的再分析降水产品[5-6]。由于数据时空尺度的不同、模式运算及数据插值等会产生不确定性误差，所以有必要对数据资料在研究区范围进行精度评估，分析其在流域及区域的适用性。

刘少华等[2]对中国范围内TRMM数据进行分析，得出珠江片区和东南片区TRMM数据日降水准确性最高，西南片区和长江流域次之。刘瑜等[7]对CMORPH降水数据在中国区域的极端降雨效果进行了评估，得出对海拔较低区域降水量存在高估现象;闻新宇等[8]通过分析CRU资料，得出CRU降雨量与中国东部四季降水量十分一致。吴倩鑫[9]对CMFD再分析降雨数据在疏勒河流域的适用性进行分析，得出CMFD与地面观测降水和年际变化趋势最为接近。王留杰等[10]选用CMFD数据中降水、气温要素对其在长江上游的适用性进行评估，得出气温具有很好的一致性，而降水在不同子流域数据质量不同。Guo等[11]运用CMADS、IMERG、TRMM降水数据驱动SWAT模型，探讨其在金沙江流域的适用性，得出3种降水数据在流域尺度上相关系数均达到0.8以上，其中以CMADS驱动SWAT模型的径流模拟精度最高。Liu等[12]运用CLDAS及GLDAS大气近地面强迫资料驱动Offline Land Surface Model（LSM）模型，在中国八大流域以CLDAS驅动的水文模型径流模拟效果均较GLDAS驱动的有所改善。尽管多数研究指出基于卫星反演和模式运算的降水资料与实际站点监测雨量存在偏差，但高时空分辨率的再分析降雨资料对气候变化背景下的水文模拟和验证具有十分重要的意义，尤其是可以为资料匮乏区域以及地貌特征复杂区域的水循环分析和水资源管理方面提供支撑。

三峡库区受复杂地理地貌环境的影响，其气候要素在库区范围内差异显著，特别是水库开始蓄水后，库区水位明显提高，下垫面水域面积的扩大对库区范围内水循环要素也产生一定的影响[13]。本次研究选取三峡库区，对CMFD降水数据和地面站点观测降水数据进行对比检验和分析，并在研究区典型流域选用SWAT（Soil & Water Assessment Tool）模型对径流模拟精度进行分析，探讨其在水文模拟中的适用性，为该产品在三峡库区内水循环演变规律及水资源管理领域的应用提供参考依据，并为库区范围灾害监测及水库的科学防洪调度提供支撑。

1 研究区域与数据方法

1.1 研究区概况

三峡库区位于长江上游尾段，即长江中下游和四川盆地之间（105°25′49″E～111°7′39″E，28°15′43″N～31°43′41″N）。从地形上看，库区主要位于大巴山、巫山和武陵山等山区以及渝西平行岭谷低山丘陵区，地形高低不平、地势起伏较大，沟壑分布稠密（见图1）。三峡库区内有27个气象观测站点，多年平均降水量为1 125.3 mm。库区内土壤类型以雏形土和淋溶土两大类为主，分别占32.14%和26.10%，合计占58.24%。其次，强酸土和人为土所占面积比例为17.16%和14.05%，其他土壤类型均零星分布，所占面积比例较小。土地利用类型中林地所占比例为43.00%，耕地（含水田、旱地）所占比例为43.00%，草地所占比例为12.00%。

1.2 研究数据

气象站点观测资料采用中国气象局国家气象信息中心提供的研究区内27个站点1979～2015年逐日降水数据。模拟数据来源于阳坤等开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）[14]，该数据集降水数据是以Princeton 再分析资料、GLDAS 资料，以及TRMM 降水资料为背景场，由中国气象局站点降水数据融合而成，其时间分辨率为 3 h，空间分辨率为0.1°。降水数据作为流域水文模拟的重要输入项目，直接影响着水文模拟的精度，故本研究通过NCAR Command Language（NCL）提取了CMFD库区内1979～2015年的日降水格网数据进行适用性分析，并通过WGN Parameters Estimation Tool处理日气象数据作为SWAT输入格式。

径流模拟数据站点位置如表1所列，其中气象站点输入模型选用巫溪流域周边3个气象站点数据;CMFD输入模型选用巫溪流域内按照格网提取的22个站点数据。

1.3 降水事件的探测能力评估方法

根据27个气象站点提取的CMFD降水数据，结合气象站点观测资料对1979～2015年CMFD日降水数据准确性进行评价。表2为CMFD对于三峡库区日降水事件的探测能力结果，根据CMFD日降水事件探测结果，采用命中率（Probability of Detection，POD）、误报率（False Alarm Ratio，FAR）、精度指数（Accuracy，ACC）、临界成功指数（Critical Success Index，CSI）4项指标对CMFD降水准确性进行综合评价：

POD= H H+M  （1）

FAR= F F+H  （2）

ACC= H+C H+M+C+F  （3）

CSI= H H+M+F  （4）

式中：4项指标取值均介于[0，1]之间，POD、ACC、CSI越接近于1，FAR越接近于0，降水探测精度越高。

1.4 径流模拟能力评估方法

SWAT模型是基于物理机制的半分布式水文模型，其能较好地模拟和分析流域内水文过程、泥沙演变规律以及流域内点面源污染等[15-17]。在研究中，由于气象站点布设密度的原因，导致某些研究区流域范围内无气象站点，使得流域范围内降水的空间分布精度有限。故本文选取气象站点降水数据及CMFD降水数据输入SWAT模型进一步分析其在径流演变中的适用性。

本文采用确定系数（R2）来评价模拟径流数据与实测径流数据的拟合优度，用纳什效率系数（NSE）来描述模型预测能力。

R2=    n i=1  Qo-Q o  Qm-Q m     n i=1  Qo-Q o 2  n i=1  Qm-Q m 2 2 （5）

NSE=1-   n i=1  Qo-Q m 2   n i=1  Qo-Q o 2  （6）

式中：Qo为观测值，Qm为模型模拟值，Q o为观测平均值，Q m为模拟平均值，n为时间序列长度。R2和NSE的值越接近于1，说明模型的模拟效果越好。

2  结果与分析

2.1 站点尺度降水一致性评价

选取库区内上、中、下游6个气象站点（见表3）实测逐月降水量与CMFD数据集进行相关性分析，相关关系如图2所示，可以看出，各个气象站点与CMFD数据集的降水相关系数均较高，均在 0.850以上。其中，奉节站和巴东站实测逐月降水量与CMFD的相关关系最好，相关系数为 0.987，而合川站的相关系数最低，为 0.854。从空间分布来看，CMFD数据集降水数据在库首的相关性最好，库尾降水数据与站点实测数据相关性稍低，但整体来看，CMFD数据集在三峡库区降水相关性较高，有较好的适用性。

为更直观体现CMFD降水数据精度，选取库区内CMFD降水数据及实测降水数据通过泰勒图进行说明。如图3所示，图中模式CMFD点到原点的距離代表数据的标准差;CMFD点与观测点的距离为CMFD数据相对于观测结果的均方根误差数值;而原点与模式点的延长线与1/4圆周的交点为观测与模拟之间的相关系数;CMFD点与观测点距离越近，对数据空间分布特征捕捉越精准。从图3可以看出：CMFD数据模式的归一化标准差略大于1，相关系数为0.76。通过气象站点年降水量与CMFD数据的泰勒图可以看出CMFD点距离观测点距离较近，CMFD数据集数据能较好地捕捉降水的空间分布特征。

对比三峡库区月均降水量与CMFD月均面降水量可知（见图4），各月CMFD面降水量均大于气象站点面降水量。相对误差均较小，均在10%以内，仅有11月相对误差达到了6%。研究区内各月CMFD降水量与气象站点面降水量具有季节性差异，呈“单峰”趋势。

2.2 区域尺度降水精度评价

从空间分布来看，对比库区内气象站点和CMFD多年平均面降水量（见图5）可知：库区内CMFD年均面降水量均在不同程度上高于气象站点面降水量，尤其是库区库首范围东南片区;局部地区站点年均面降水量略高出CMFD年均面降水量。表4为气象站点与CMFD年平均降水数据及相对偏差。其中，在铜梁站和神农架站CMFD年均面降水量相对误差分别达到了18.0%和27.3%，CMFD对此区域面降水量值存在高估。但总体而言，CMFD降水量能够较好地反映三峡库区内降水空间分布特征，其总体相对误差为2.6%。

分析产生降雨空间分布误差的原因如下：CMFD数据对于三峡库区内东南地区降水有所高估，这与研究区地处四川盆地与长江中下游平原的结合之处，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带纵横交错有密切关系。因为CMFD是基于TRMM降雨场，并融合了再分析资料等研制的全球降水数据，而卫星观测数据对于下垫面复杂区域，如地形坡度、植被覆盖率等变化较大的山区探测会受到干扰，最终导致数据集对局部降水量的高估。

2.3 降水准确性评价

各气象站点CMFD日降水的准确性评价结果如图6所示。整体而言，三峡库区CMFD日降水准确性较高。由图6可以看出：三峡库区CMFD日降水精度指数（ACC）由库首至库尾递减，日降水事件命中率（POD）从库尾至库首递减。三峡库区地处长江流域上游，地形复杂，山区内气象站点分布较少，对再分析资料CMFD降水误差影响较大。CMFD日降水准确性空间分布具有显著空间差异，因为CMFD日降水数据对日降水量精度为0.1 mm，而气象站降水量数据无法记录日降水量小于0.1 mm的降水数据，从而导致错误预报数量偏高，使得再分析数据的降水准确性偏低。

2.4 径流模拟能力

对CMFD降水精度评估后，利用SWAT模型进一步分析其水文径流效应。在模型构建中选取统一的DEM数据、下垫面及土壤属性设定，将研究区划分为73个子流域，采用流域内站点降水数据及格点降水数据分别输入模型进行敏感性分析及率定。通过SWAT-CUP中的SUFI2算法对21个参数的敏感性进行分析及对参数自动率定，确定敏感性最高的10个参数并率定了参数值范围（见表5）。

模型设定2005年为预热期，2006～2010年为率定期、2011～2015年为验证期。通过气象站点降水数据和CMFD降水数据分别驱动模型模拟三峡库区内大宁河流域径流，选取巫溪水文站进行径流模拟，对月径流模拟效果进行分析。由表6可知：气象站点数据和CMFD数据驱动模型模拟径流与实测径流在率定期的NSE分别为0.83和0.90，R2分别为0.85和0.91;验证期NSE分别为0.79和0.89，R2为0.82和0.88。模拟径流精度方面在率定期和验证期再分析CMFD数据均高于气象站点数据。由图7径流模拟可以看出，气象站点降水数据和再分析降水数据CMFD基本能较好地对径流过程进行模拟，但由于气象站点空间分布的差异性，有时无法准确反映流域内真实的降雨情况，在流域内模拟精度有所下降;CMFD再分析数据能更好地刻画洪峰过程，但是对于流域内流量有一定的高估。

3 讨 论

在对降水数据进行精度评估时，通常选用地面站点降水量作为参考真值。本文以观测站点降水数据和站点所在网格CMFD降水数据进行统计分析，在空间尺度分析会受到地面站点布设数量、位置的限制，且无法直观反映误差指标的连续空间分布情况。通过插值库区37 a平均降水量的空间分布，可以看出CMFD和气象站点较为接近，本次研究收集到流域内27个站点降水资料进行面雨量插值。由于气象站点的分布不均且三峡区间本身存在左岸大巴山暴雨区和右岸鄂西南暴雨区，气象站点数据插值结果可能无法反映真实的面雨量，而CMFD降水数据融合了TRMM卫星降水数据，遥感监测能够更好地探测复杂地形的三峡区间降水量，更能准确反映库区降水实际分布情况。

在对水文效应的评估中，由于不同水文模型结构算法、输入数据及参数的不确定性都可能会使得径流模拟产生偏差。对不同气象数据输入模型进行参数敏感性分析，可能会得到多套不同的适用参数值范围。有研究显示，在模拟径流中使用不同的大气强迫数据各自分别率定得到的最佳参数范围进行径流模拟，比利用别的大气强迫数据率定得到的最佳参数范围模拟的效果精度更高。故本文在构建SWAT模型时分别选用各自最佳参数集范围进行径流模拟能力评估。在流域径流模拟时，某些流域内由于气象站点空间分布有限，往往仅存在极少数气象监测站点需要流域周围气象数据进行插值。融合卫星降水产品和地面站点降水插值结果能够更好地反映流域降水实际分布情况，能够更精确地反映流域内水循环变化，更好对径流进行模拟。

4 结 论

本文通过对库区范围CMFD数据集中降水数据进行精度评估，并以此驱动水文模型在库区小流域进行径流模拟，得到以下结论：

（1） 研究区内1979～2015年气象站点与CMFD数据集的降水相关系数均较高，均在 0.85以上。整体来看，CMFD数据集在三峡库区降水相关性具有较高的值，有较好的适用性;1979～2015年研究区内CMFD降水量与气象站点面降水量演变趋势基本一致。

（2） 1979～2015年库区内CMFD年均面降水量在不同程度上高于气象站点面降水量，只有个别站点出现低于气象站点降水量的情况。总体而言，CMFD降水量能够较好地反映三峡库区内降水空间分布特征，其总体相对误差为3%，且库区内CMFD年均面降水量相对误差均不高于15%。

（3） 在评估径流模拟中，对CMFD降水产品进行径流模拟，率定期NSE为0.90、相关系数为0.91，验证期NSE为0.89、相关系数为0.88。相比于率定期，验证期各类指标均有所下降，但模拟效果均优于气象站点降水输入数据模拟效果。

参考文献：

[1]  邹磊，夏军，陈心池，等.多套降水产品精度评估与可替代性研究[J].水力发电学报，2017，36（5）：36-46.

[2] 刘少华，嚴登华，王浩，等.中国大陆流域分区TRMM降水质量评价[J].水科学进展，2016，27（5）：639-651.

[3] 汤秋鸿，张学君，戚友存，等.遥感陆地水循环的进展与展望[J].武汉大学学报（信息科学版），2018，43（12）：1872-1884.

[4] 王汉涛，张潇潇，赵牧晨，等.三峡区间TMPA和IMERG卫星降水产品精度评估[J].长江科学院院报，2019，36（12）：23-27.

[5] 闫燕，刘罡，何军，等.重庆地区卫星及再分析降水资料评估[J].高原气象，2020，39（3）：594-608.

[6] HE J，YANG K，TANG W，et al.The first high-resolution meteorological forcing dataset for land process studies over China[J].Scientific Data，2020，7（1）.

[7] 刘瑜，吴裕珍，冯志州，等.多种卫星降水产品对中国极端降雨反演效果评估[J].热带地理，2017，37（3）：417-433.

[8] 闻新宇，王绍武，朱锦红，等.英国CRU高分辨率格点资料揭示的20世纪中国气候变化[J].大气科学，2006（5）：894-904.

[9] 吴倩鑫.多种降水产品在疏勒河上游和中下游的适用性对比研究[D].西安：西北大学，2019.

[10]  王留杰，張行南，方园皓，等.中国区域地面气象要素数据集在长江上游流域的适用性评估[J].水力发电，2017，43（3）：18-22.

[11] GUO D，WANG H，ZHANG X，et al.Evaluation and analysis of grid precipitation fusion products in Jinsha River Basin based on China meteorological assimilation datasets for the SWAT model[J].Water，2019，11（2）：253.

[12] LIU J，SHI C，SUN S，et al.Improving land surface hydrological simulations in China using CLDAS meteorological forcing data[J].Journal of Meteorological Research，2019，33（6）：1194-1206.

[13] 张静，刘增进，肖伟华，等.三峡水库蓄水后库区气候要素变化趋势分析[J].人民长江，2019，50（3）：113-116.

[14] CHEN Y，YANG K，HE J，et al.Improving land surface temperature modeling for dry land of China[J].Journal of Geophysical Research-Atmospheres，2011，116：D20104.

[15] HIMANSHU S K，PANDEY A，SHRESTHA P.Application of SWAT in an Indian river basin for modeling runoff，sediment and water balance[J].Environmental Earth Sciences，2017，76：3.

[16] 李朝月，方海燕.基于SWAT模型的寿昌江流域产沙模拟及影响因素分析[J].水土保持学报，2019，33（6）：127-135.

[17] 乔卫芳，牛海鹏，赵同谦.基于SWAT模型的丹江口水库流域农业非点源污染的时空分布特征[J].长江流域资源与环境，2013，22（2）：219-225.

（编辑：谢玲娴）

引用本文：

崔豪，王贺佳，肖伟华，等.

三峡库区CMFD降水数据适用性评估

[J].人民长江，2021，52（8）：98-104.

Evaluation on application accuracy of CMFD precipitation data in Three Gorges Reservoir Area

CUI Hao，WANG Hejia，XIAO Weihua，GAO Bin

（ State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China ）

Abstract：

In order to analyze the application accuracy of CMFD （China Meteorological Forcing Dataset） precipitation data in the Three Gorges Reservoir area and provide data-driven support for hydrological simulation in areas of complex geomorphological features，the precipitation data of 27 meteorological stations was used to evaluate the accuracy of the precipitation product CMFD from multi-scale.And the result is used to drive the SWAT model to simulate the runoff of the typical basin.The results show that the correlation coefficients of precipitation between the meteorological stations and the CMFD for the study area from 1979 to 2015 are high and above 0.85.The CMFD annual average precipitation in the reservoir area from 1979 to 2015 can relatively properly reflect the spatial distribution of the precipitation in the Three Gorges Reservoir area，with an overall relative error of 3%.The daily precipitation event detection capability of CMFD is 0.89～0.99 for POD，0.55～0.65 for ACC，and 0.44～0.56 for CSI.In terms of the runoff simulation results，the Nash efficiency coefficient and the correlation coefficient of the CMFD precipitation data rate obtained at a regular internal and during the verification period are 0.90 and 0.89，0.91 and 0.88，respectively.CMFD data has a good ability to detect daily precipitation in the reservoir area，and the monthly scale correlation of precipitation at typical sites in the upper，middle and lower reaches of the reservoir area are relatively high and has a good effect in hydrological simulation of typical watersheds.It can provide support for the analysis of the temporal and spatial evolution characteristics of precipitation in the reservoir area and the refined simulation of the water cycle.

Key words：

precipitation product;CMFD;precipitation accuracy;SWAT model;Three Gorges Reservoir area