缺资料山区流域降水时空校正和水文模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 亓珊珊 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 吕爱锋 |
| 关键词 | 降水校正 缺资料流域 降水产品 SWAT 分布式水文模拟 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 降水是影响自然环境和人类生活的关键气象水文要素，其时空变率大，较难 准确观测和预估。山区流域是世界的“水塔”，降水较集中，同时也是降水监测 比较薄弱的地区。缺少精确的降水时空信息将制约流域水文模拟研究和水资源科 学管理。在全球变暖和人类活动干扰不断加剧的大背景下，山区流域水循环时空 特征和水资源情势正发生着剧烈变化。因此，开展降水时空信息估算研究，特别 是在缺少降水观测资料的山区流域，具有重要的现实意义和社会价值。以遥感降 水产品、新型融合降水产品和再分析降水资料为代表的降水产品提供了时空分布 连续的降水数据，是缺资料山区流域降水信息的重要数据源。然而，这些产品在 不同的下垫面条件和时间尺度上存在不同偏差，需在实际应用前进行区域适用性 分析和校正。 本文选取了 4 套日值降水产品（TRMM 3B42 V7、GPM IMERG V6、MSWEP V2.2 和 CMADS V1.1 中的降水数据），主要目的是利用降水校正模型校正降水数 据，改善降水产品数据质量，获取缺资料山区流域降水时空信息，从而提高水文 模拟能力。根据站点实测数据和降水产品时间长度，确定本研究的时间范围为2008–2016 年。首先以我国典型的高寒干旱内陆盆地柴达木盆地为研究区，收集 了研究区内 9 个气象站和 13 个水文站的月值降水，结合相关系数（R）、百分比 偏差（PBIAS）和均方根误差（RMSE）等指标定量评估了 4 套降水产品的精度， 并分析了各降水产品在研究区的时空分布特征以及逐格点的误差。然后，以柴达 木盆地东南隅的无资料香日德河流域为研究区，基于半分布式水文模型 SWAT （Soil and Water Assessment Tool），耦合乘法-指数降水校正模型，利用流域水文 气象要素变化情势以及流域出口水文站的降水和径流资料，开展 4 套降水产品的 径流模拟适用性评估和降水校正研究。本文的主要结论如下： （1）在年和月尺度上，4 套降水产品与柴达木盆地的站点降水序列均表现 出了较好的一致性（R > 0.6, |PBIAS| < 6%），其中与站点降水整体吻合程度最高 的是 MSWEP（R ≥ 0.79, PBIAS = 0.5%），最差的是 CMADS（R ≥ 0.64, PBIAS = 5.8%）。对比各降水产品和站点降水序列发现，CMADS 低估了雨季（5–9 月）的 站点降水（PBIAS = -32%），在干季则表现出很大程度的高估（PBIAS = 120%），TRMM 对干季站点降水的高估程度较大（PBIAS = 52%），GPM 则常低估干季降水（PBIAS = -44%），MSWEP 对干季（PBIAS = 26%）和雨季（PBIAS = -10%） 站点降水的高低估程度均较小。 （2）降水产品在柴达木盆地的降水量大致随海拔升高而增加，在海拔 4500– 4700 m 以上，CMADS 和 GPM 降水量随海拔升高而减少，MSWEP 和 TRMM 降 水量与海拔的相关性较弱（R < 0.31）。CMADS 和 TRMM 在盆地盐湖分布的位 置出现了年降水量大于 1000 mm 的降水异常高值格点，这些格点主要出现在雨 季，推测是因为盐湖析出物反射率高，加上雨季云量和云液水含量高，易出现微 波遥感对盐湖区无雨云的错误识别。此外，降水产品常高估相对低海拔区的站点 降水而低估相对高海拔区的站点降水。对比降水产品在不同站点类型的表现，降 水产品与水文站实测降水的相关性更强，与气象站实测降水的平均误差更小。 （3）依据对香日德河流域 2008–2016 年的实测径流资料以及降水产品的降 水和潜在蒸散发数据的突变点检验结果，将整个研究时段划分为突变前的基准期 （2008–2012 年）和突变点后的变化期（2013–2016 年）。采用 SWAT 模型对突变 前后两个时期分别进行参数率定。除降水外，保持模型其他输入数据一致，开展4种降水产品月时间尺度的径流模拟，结果显示，基准期适用性从高到低排序为：MSWEP（NSE = 0.64）> TRMM（NSE = 0.58）> GPM（NSE = 0.51）> CMADS （NSE = 0.35）；变化期排序为：CMADS（NSE = 0.75）> TRMM（NSE = 0.68）> MSWEP（NSE = 0.64）> GPM（NSE = 0.53）。各时期不同降水产品的径流模拟 值与实测径流的百分比偏差都在±1%以内，说明模型模拟效果较好，模拟精度在 可接受的范围内。 （4）耦合构建好的 SWAT 模型和乘法-指数降水校正模型，提出了 3 种确定 最优降水校正参数的方法：拟合站点降水和站点所在位置的格点降水（C1 方法）、 拟合站点降水和站点高程一定范围内（±500 m）的多个格点降水平均值（C2 方 法）以及直接在 SWAT 模型中率定降水校正参数（C3 方法）。对比 3 种方法的校 正效果，C1 方法对降水产品的水文模拟能力改善最明显，其中 GPM 的径流模拟 表现（R 2）由 0.51–0.53 提高到了 0.68–0.75。C3 校正后仅部分降水产品（CMADS和 GPM）的径流模拟表现有所提高，拟合优度由未校正的 0.35–0.53 提高到 0.42– 0.61。从方法的不确定性和复杂性来看，C1 方法操作更简洁，不确定性更小，推 荐于有站点降水资料的流域；而 C3 方法不需要任何实测降水资料，可应用于无 资料流域的降水时空估算研究。 综合来看，经过 C1 方法校正后的 GPM 数据降水精度有了很大提高，该数 据能为香日德河流域提供可靠的降水时空信息，可用于流域后续水文水资源分析 研究。本研究提出的降水校正模型和估算方法可应用于其它流域和降水产品，也 可作为降水校正模块耦合到其它水文模型中，改善缺资料流域的水文模拟和分析。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 94 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184494]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 亓珊珊. 缺资料山区流域降水时空校正和水文模拟[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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