肖兴涛，王加虎

(1.黑龙江省水文水资源中心，哈尔滨 150001；2.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

0 引 言

由于气候条件、人文地理等条件的限制，很多区域观测站点稀疏、甚至无观测资料，成为水文模拟和水资源研究中的难点。卫星测雨数据产品可以发挥其在时间和空间上高分辨率、覆盖面积广的优势，以弥补传统站点观测降雨在该方面的不足[1]。技术的进步极大的提高了卫星数据产品用于大尺度分布式水文模型降水输入的适用性。

在过去的几年中，已经开发了一些基于全球的高分辨率卫星降水产品，其中包括由美国宇航局(NASA)和日本宇航局(JAXA)于1997年11月28日联合成功发射的热带降雨测量卫星测雨雷达(Tropic Rainfall Measurement Mission Precipitation Radar，TRMM)。TRMM 卫星轨道为圆形，倾角35°，初始轨道高度为350km(2001年8月7日后调整为403km)，环绕地球一周大约需要91.6min，覆盖区域最初为全球E35°S-N35°，目前已扩展到N50°-S50°。TRMM卫星降水雷达的扫描宽度约为215km，每条扫描线上都有49个像素，扫描角范围为-17°-17°。TRMM卫星原本的设计寿命为3a，但因其工作性能一直维持在良好状态，因此迄今仍然正常服役，并且仍将作为NASA全球降水观测计划GPM的一部分发挥重要作用。

文章主要是通过对TRMM卫星降水数据的精度评价及修正，以分布式水文模型为工具，进一步分析卫星降雨产品在无资料地区的适用性。根据各子流域的流域特征指标，采用模糊传递闭包法划分相似流域。在相似流域确定的基础上，人为拟定一个流域作为无资料地区，进行卫星修正系数以及模型参数的移用，并对其径流模拟结果进行对比分析。

1 卫星降雨数据介绍及处理方法

1.1 TRMM数据

TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission，热带降水测量)计划是由美国宇航局(NASA)和日本宇航局(JAXA)联合发起的，卫星是1997年11月28日在日本发射成功的，其轨道呈现圆形，倾角达到35°，初始轨道高度为350 km(2001年8月7日后调整为403km)。1998年以来，TRMM卫星就开始提供各种系列的数据产品，包括很多未知大陆和海洋地区的潜热通量和降雨四维时空分布的较为详细的数据集合，其覆盖范围从最初的南北纬35°之间扩展到目前的南北纬50°之间[1]。TRMM卫星降雨数据具有时空高分辨率的优点，能够弥补传统的站点观测降水在此方面的不足。

TRMM数据的处理分为以下3步：

1)格式转换与投影校正： TRMM 3B42V7 和 RT数据的初始格式是 HDF 文件格式，通过Visual Studio 编写程序将其转换为栅格数据(Grid 格式)。具体是先将 HDF 格式数据逆时针旋转 90°，将 HDF 格式数据恢复到传统的“上北下南左西右东”形式，并初步裁剪出中国地区的降水数据。原始 HDF格式数据和经过初步处理后的Grid 格式中国边界降水量，TRMM原始HDF格式以及Grid格式中国边界降雨量图，见图1。

(a)原始 (b)初步处理后

2)研究区域裁剪。编写程序，使用穆棱等十站点的DEM 数据，将穆棱等十个站点的 TRMM 3B42V7 和 RT 数据批量提取出来。

3)不同时间尺度 TRMM 数据计算：步骤(2)得到的 3B42 V7 和 RT 数据实际上是点数据集(3h 平均降水量，单位为mm/h)。而日、月、年等降水数据则需要通过数据透视表对 3h 数据进行计算获得；此外，研究区域的TRMM 面雨量文章选取泰森多边形插值法计算得出。所选数据时间序列与站点数据一致[2-3]。

1.2 站点数据

收集黑龙江省WSLJ流域内的穆棱等10个有资料站点的2005—2014 年汛期(6-9月份)逐日降雨数据。采用泰森多边形插值法将各个站点的雨量插值到整个流域面上分布，从而可以计算出整个研究流域的逐日降雨量。穆棱等10个站点基本情况，见表1。

表1 穆棱等10个站点基本情况

2 中小河流相似性分析

2.1 流域特性指标提取

影响流域水文响应的要素主要包括流域的地形、地势、气候条件、下垫面等，相似流域划分的关键在于提取出能反映流域产汇流过程的指标因子。在选取流域相似指标时，需多方面考虑并依据划分相似流域的不同目的，建立相应的相似指标评价体系。本研究在选取相似指标时，先对流域结构特征因子和各流域的水文特征因子进行相关性分析，以水文特征值为因变量，结构特征因子为自变量，根据各自变量对因变量的贡献大小进行变量筛选，剔除那些贡献小，对模型没有显著影响以及与其他自变量有密切关系的自变量 ，从而筛选出对水文特征值影响较大的结构特征因子，再进行聚类分析。

本研究在已有的DEM数据和下垫面等资料的基础上，对流域特征值进行提取。10个子流域特征值，见表2。

2.2 相似流域划分

随着理论数学的发展，灰色理论和模糊数学为解决相似流域的不确定性选择问题提供了思路，许多研究者基于此提出了一些选择相似流域的方法。目前应用较为广泛的有灰关联分析法，非平权距离系数法，模糊聚类分析法等。常用的模糊聚类分析方法包含基于目标函数以及基于模糊矩阵的两类聚类分析方法。模糊矩阵的聚类分析主要包括直接聚类法、模糊传递闭包法和最大树法。本研究基于提取的流域特征值，采用模糊传递闭包法对相似流域进行划分[4]。

10个站有10种划分方法，随着分类数的减小，其对应的λ也在减小。而当λ=0.987时，密山桥与湖北闸即可划分为相似流域，两个流域相似度极高。因而文章选择湖北闸流域为密山桥流域的相似流域，用于卫星数据修正系数以及模型参数移用。黑龙江省各子流域数据标准化结果表，见表3。

表2 10个子流域特征值

表3 黑龙江省各子流域数据标准化结果表

3 密山桥流域自身率定参数径流模拟结果分析

将湖北闸流域的RT数据修正系数移用到密山桥，对密山桥的RT数据进行修正，得到修正系数移用的RT数据。

以密山桥流域的逐日站点观测降水、RT降水、修正后的RT降水以及修正系数移用的RT降水驱动分布式新安江模型，模拟其日径流过程及对月径流进行统计。

密山桥流域(汛期)日模拟评价指标结果表，见表4。从表4中可以看出，以密山桥实测降水驱动模型，模拟径流的确定性系数NSCE为0.90，相对误差Bias为-6.74%，模拟径流较实测径流略偏小，判定系数R2为0.95，模拟效果极好；RT降水的模拟结果不太理想，确定性系数NSCE为0.61，相对误差Bias为-12.13%，模拟径流较实测径流偏小，判定系数R2为0.78；经过修正后的RT数据，模拟结果有较大提升，确定性系数NSCE为0.85，修正后的RT降水所模拟的径流较实测值偏小6.74%，修正后模拟径流与实测径流的判定系数R2为0.91；而移用湖北闸的修正系数修正后的RT降水，模拟径流的确定性系数NSCE为0.70，相对误差Bias为-9.28%，模拟径流较实测径流略偏小，判定系数R2为0.84，其模拟效果与RT相比有明显提升，但与自身修正的RT降水相比仍有不小差距。结果表明，移用相似流域的修正系数来修正RT降水，其日径流模拟结果精度不够高。密山桥流域2005-2014年(汛期)日模拟结果对比图，见图2。

表4 密山桥流域(汛期)日模拟评价指标结果表

(a)RT结果对比图

(b)RT修正结果对比图

(c)移用修正系数RT修正结果对比图

4 基于相似流域的模型参数移用模拟结果分析

将湖北闸流域确定的产流和汇流参数代入分布式新安江模型，对密山桥流域进行径流模拟。然后以密山桥流域的逐日站点观测降水、RT降水、修正后的RT降水以及修正系数移用的RT降水驱动分布式新安江模型，模拟其日径流过程进行统计。

密山桥移用湖北闸参数(汛期)日模拟评价指标结果表，见表5。从表5中可以看出，以密山桥实测降水驱动模型，模拟径流的确定性系数NSCE为0.86，相对误差Bias为-6.06%，模拟径流较实测径流略偏小，判定系数R2为0.91，模拟效果极好；RT降水的模拟结果不理想，确定性系数NSCE为0.56，相对误差Bias为-16.12%，模拟径流较实测径流偏小，判定系数R2为0.74；经过修正后的RT数据，模拟结果有较大提升，确定性系数NSCE为0.82，修正后的RT降水所模拟的径流较实测值偏小8.36%，修正后模拟径流与实测径流的判定系数R2为0.87；而移用湖北闸的修正系数修正后的RT降水，模拟效果与RT相比有明显提升，但与自身修正的RT降水相比仍有不小差距。将此结果与密山桥自身率定参数日模拟结果相比，结果相差不大，说明模型参数移用可行。

5 综合分析

将不同模型参数下，不同降雨输入的日径流模拟结果进行对比，密山桥流域(汛期)日模拟评价指标结果对比表，见表6。

表5 密山桥移用湖北闸参数(汛期)日模拟评价指标结果表

表6 密山桥流域(汛期)日模拟评价指标结果对比表

对比可知，密山桥流域在移用湖北闸模型参数的情况下，再移用其TRMM RT修正系数来修正自身RT数据，其径流模拟结果总体比直接用RT模拟好，但日模拟精度仍较低，月模拟精度较好，此方法总体可行但较适用于月径流模拟。

6 结 论

文章拟定有实测资料的密山桥流域为无资料流域，分析提取了WSLJ流域 10 个中小流域特征值。根据研究流域的地理信息和自然地理特点，选定具有流域代表性的水文相似评价指标体系，并在流域相似性的理论基础上，采用模糊传递闭包法对无资料地区进行相似流域选择。根据相似流域研究结果，选择湖北闸流域为密山桥流域的相似流域。

以密山桥流域的逐日站点观测降水、RT降水、校正后的RT降水以及修正系数移用的RT降水驱动分布式新安江模型，模拟其日径流过程及对月径流进行统计；将相似流域湖北闸的率定参数移用到密山桥流域，再分别同时以这四种不同降水为输入，模拟其日径流过程及对月径流进行统计。主要结论为：

1)分布式新安江模型对密山桥流域径流模拟的效果显示，站点实测降水模拟径流与实测径流的拟合较好，RT降水的日模拟结果不理想，经过校正后的RT数据，对径流的模拟能力有明显提升；移用相似流域的卫星数据修正系数修正RT数据，其日模拟结果不是非常理想。

2)对比分析不同模型参数下的径流模拟过程可知，移用参数的结果虽比直接率定参数的结果稍差，但差距不太大，可知分布式新安江模型参数在相似流域的移用效果较好。

3)在移用模型参数的情况下，再移用修正系数修正RT数据，其日径流模拟结果不好，但此方法可用于无资料地区的中长期水文模拟研究。