基于衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智利中部徑流預(yù)報(bào)

［西班牙］L.羅梅洛 等

雪蓋面積(SCA)是指積雪覆蓋地表面的范圍，它是融雪徑流模擬和預(yù)報(bào)的重要參數(shù)。同時(shí)，雪蓋信息對(duì)雪水輸移和雪崩災(zāi)害評(píng)估也非常重要。星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)傳感器對(duì)積雪含水量非常敏感，因此，能獲取融雪季節(jié)的雪蓋面積;反之，根據(jù)得到的雪蓋面積，可以量化流域積雪的融化量與融化速度。

本文利用同化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的氣象、水位數(shù)據(jù)與地球觀測(cè)衛(wèi)星獲得的雪蓋數(shù)據(jù)的分布式水文模型，重點(diǎn)介紹偏遠(yuǎn)山區(qū)幾個(gè)特定測(cè)點(diǎn)的徑流預(yù)報(bào)過程。預(yù)報(bào)結(jié)果可為水電站的日常工作提供準(zhǔn)確信息，從而使水文預(yù)報(bào)與地形利用相適應(yīng)。這種基于遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)徑流預(yù)報(bào)，且對(duì)氣候異常季節(jié)、基于以往事件統(tǒng)計(jì)方法不能得出有效預(yù)報(bào)季節(jié)的徑流預(yù)報(bào)，具有特殊潛力。由于氣候變化相關(guān)的氣候可變性不斷增大，該類模型的合成至關(guān)重要。

2009～2010年融雪季節(jié)，在智利安第斯山區(qū)開展了一項(xiàng)試驗(yàn)活動(dòng)。在2 000 km2的拉加河流域選取了幾個(gè)研究點(diǎn)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)(氣溫和降水)和地球衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)(雪蓋面積)，給出這幾個(gè)點(diǎn)的徑流預(yù)報(bào)。將該徑流預(yù)報(bào)方法與負(fù)荷經(jīng)濟(jì)調(diào)度中心(CDEC)建立的現(xiàn)行系統(tǒng)進(jìn)行比較，后者是基于統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并不包括?duì)積雪量的實(shí)際觀測(cè)。

1 研究方法

利用一個(gè)分布式水文模型，該模型針對(duì)自然系統(tǒng)而建，并根據(jù)所研究點(diǎn)的具體情況進(jìn)行校核，以證明有效性，這些點(diǎn)均為操作子流域中的代表性測(cè)點(diǎn)。模型的輸入數(shù)據(jù)包括降水、每日氣溫等水文氣象數(shù)據(jù)，且均為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將由星載合成孔徑雷達(dá)得到的雪蓋面積進(jìn)行同化處理。利用拉加湖水位估算其中一個(gè)研究點(diǎn)(拉加河支流)的流量，采用海洋反射信號(hào)儀測(cè)量水位，結(jié)果包括用作每個(gè)子流域每個(gè)預(yù)報(bào)點(diǎn)從10月到次年2月預(yù)報(bào)的周平均徑流系列。

1.1 研究區(qū)域

該項(xiàng)研究在智利南部比奧比奧地區(qū)的拉加湖流域開展。拉加湖流域是安第斯山區(qū)復(fù)雜形勢(shì)的代表，建有一座典型的高海拔水庫(kù)，水庫(kù)周邊被山區(qū)地形環(huán)繞。此外，該地區(qū)對(duì)水力發(fā)電至關(guān)重要，因?yàn)槔雍閹讉€(gè)重要電廠提供水源。

1.2 水文模型

徑流模擬基于一個(gè)分布式水文模型。該模型設(shè)定了三維空間中詳細(xì)的流域分水嶺，以說明土壤性能與物理過程，即從接收降水到在所研究的閉合點(diǎn)或區(qū)段徑流產(chǎn)生的過程。該模型稱為水文模型(HYDRO)，是以流域降水和氣溫為輸入變量的函數(shù)。因?yàn)橥ǔＶ荒塬@得部分測(cè)點(diǎn)的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，所以模型還包括一個(gè)簡(jiǎn)化的氣候模型，用以將這些變量值外推，以得出全流域內(nèi)其他站點(diǎn)的值。模型包含有大量的參數(shù)，可根據(jù)降水、氣溫和流量記錄對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)定。采用傳統(tǒng)的兩階段法進(jìn)行預(yù)報(bào)，即:先由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校核/驗(yàn)實(shí)，然后進(jìn)行實(shí)際預(yù)報(bào)。

預(yù)報(bào)系統(tǒng)的另一個(gè)輸入信息是由地球觀測(cè)衛(wèi)星傳感器獲得的同化信息。同化允許模型條件根據(jù)某些變量觀測(cè)值進(jìn)行更新，且無(wú)需就新的可用數(shù)據(jù)對(duì)該系統(tǒng)重新標(biāo)定。在這種情況下，雪蓋面積在獲得新影像的瞬間被同化。同化會(huì)修正水文模型的某些特征，以使模型輸出符合觀測(cè)值，實(shí)際上就是模型在線再標(biāo)定，從而使模型描述的初始條件與流域當(dāng)時(shí)存在的情況更相符。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

降水和氣溫的現(xiàn)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的山區(qū)傳感器獲取。開展研究時(shí)，全流域僅有一個(gè)氣象站，即阿巴尼科(Abanico)氣象站，其海拔為700 m，低于模型功能良好所要求的最低海拔1 500 m。對(duì)一個(gè)運(yùn)行的預(yù)報(bào)模型來說，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)，對(duì)氣象站的高程有著嚴(yán)格的限制。在缺乏適當(dāng)數(shù)據(jù)的情況下，將該氣象站的降水和氣溫觀測(cè)值進(jìn)行內(nèi)插，以得出全流域的相應(yīng)值。

1.4 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)積雪信息

被動(dòng)傳感器(比如輻射計(jì)、光學(xué)傳感器)最早應(yīng)用于繪制雪蓋面積圖，因?yàn)樵谝勋@得圖象中雪相對(duì)容易發(fā)現(xiàn)，這種傳感器能較好地表現(xiàn)覆蓋時(shí)空分布的變化。然而，被動(dòng)傳感器只能在晴空無(wú)云的條件下探測(cè)雪蓋情況，云的出現(xiàn)會(huì)削弱傳感器的輻射測(cè)量，這就使被動(dòng)傳感器不可能探測(cè)到積雪覆蓋的區(qū)域。

星載合成孔徑雷達(dá)傳感器能夠在任何天氣條件下探測(cè)，并能晝夜工作，因此，克服了光學(xué)傳感器的缺陷，尤其在常被云遮蔽的山區(qū)，更具有優(yōu)勢(shì)。在該研究中，SAR數(shù)據(jù)與研究區(qū)的高程場(chǎng)和溫度場(chǎng)結(jié)合使用。估算雪蓋面積所采用的方法為兩階段法。

第1階段，探測(cè)濕雪(即正在融化的雪)，監(jiān)測(cè)無(wú)雪蓋條件下的參考圖像與實(shí)際調(diào)查所得圖像之間的變化。

第2階段，利用由研究地區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)和溫度分布圖得來的外部信息推算干雪。

在該實(shí)例研究中，使用了衛(wèi)星ENVISAT和ERS－2捕獲的影像。2009年9月至2010年2月，共捕獲了5張影像圖。所采用的DEM模型，由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提供。

在現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)器失效，以及有關(guān)積雪范圍的信息缺乏和難以實(shí)時(shí)獲取的拉加河流域上游地區(qū)，通過分布式水文模型來同化雪蓋面積的大小，據(jù)此預(yù)報(bào)拉加河流域上游地區(qū)的的融雪徑流量。

1.5 拉加湖水位數(shù)據(jù)

海洋反射信號(hào)儀是利用GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信息來測(cè)量水位的裝置，通過對(duì)比衛(wèi)星直接信號(hào)和水面反射信號(hào)來監(jiān)測(cè)水位。用于水位監(jiān)測(cè)的GNSS反射器(GNSS－R)是一項(xiàng)雙基地雷達(dá)技術(shù)，它僅需要一個(gè)接收系統(tǒng)。這一概念最早于1993年提出，自此便一直被成功應(yīng)用于海岸接收器和飛機(jī)上，最近又被成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

與其他類型的湖水位監(jiān)測(cè)傳感器相比，海洋反射信號(hào)儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與那些浸沒水中或需接觸水的傳感器相比，海洋反射信號(hào)儀的維護(hù)成本明顯較低，因?yàn)樽韵到y(tǒng)安裝投運(yùn)以來，一直在有效地工作。此外，相對(duì)于遙測(cè)湖水位的傳感器，如回聲探測(cè)儀、雷達(dá)系統(tǒng)等，海洋反射信號(hào)儀能從某一角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而不像其他傳感器需要垂直于水面測(cè)量。這一點(diǎn)使海洋反射信號(hào)儀倍受青睞，拉加湖水位變化范圍可達(dá)30 m，因此可將其安裝于湖岸。

在研究期內(nèi)，每10 min進(jìn)行一次水位監(jiān)測(cè)。由于地形復(fù)雜，且難以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)而導(dǎo)致維護(hù)困難。因此，研究時(shí)選用了海洋反射信號(hào)儀進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)。

2 研究結(jié)果

成功收集氣象資料，并通過內(nèi)插獲取流域內(nèi)所有模擬測(cè)點(diǎn)的信息。

通過影像處理獲取雪蓋面積，將其結(jié)果用于對(duì)比由模型估算的雪蓋條件。利用模型對(duì)影像信息進(jìn)行同化，用于融雪徑流預(yù)報(bào)。

雖然拉加河流域的融雪季節(jié)基本上與南半球的春季一致，即9～12月，但每年雪蓋面積的變化受特定氣候條件的影響。最大積雪量通常發(fā)生在8月底，進(jìn)入9月份，低海拔區(qū)的積雪才開始融化。在研究期內(nèi)，第1張影像圖取自9月底。研究區(qū)內(nèi)9月份幾乎沒有暴雪，而10月份的幾場(chǎng)暴雪，使高海拔區(qū)的積雪增加，11月3日的影像圖便是很好的明證:圖中比前期捕獲的影像圖中的雪蓋面積更大。11月中旬下了幾場(chǎng)小雪，可以觀測(cè)到開始融雪。正如11月21日的影像圖所顯示的，中海拔地區(qū)和北向坡的雪已基本消失。12月底和1月底的影像圖表明，融雪在12月份結(jié)束，此時(shí)僅剩下高海拔地區(qū)的冰川和永久積雪。

在2009～2010年融雪季節(jié)，選取拉加河流域6個(gè)研究點(diǎn)進(jìn)行徑流預(yù)報(bào)，其準(zhǔn)確性可與CEDC提供的同期國(guó)家正式預(yù)報(bào)相比。選取的6個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為:阿福倫特斯(Afluentes)、克特希恩(Captacion)、波爾卡瑞(Polcura)、阿巴尼科、拉瑪拉加(Rama Laja)、拉加圖克佩(Laja Tucapel)。

拉加河流域?yàn)槿谘┧陀晁旌狭?。與現(xiàn)有的徑流量記錄相比，當(dāng)前CDEC與星象館的預(yù)報(bào)結(jié)果平均誤差均較大，分別為12%和15%。由于該子流域中缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，流量記錄只能通過經(jīng)驗(yàn)公式估算。

克特希恩是研究區(qū)內(nèi)降雪量最大、海拔最高的子流域，同樣缺乏研究期間的現(xiàn)場(chǎng)流量記錄。雖然作為輸入的氣象數(shù)據(jù)(降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)根據(jù)阿貝尼克站數(shù)據(jù)內(nèi)插)有限，然而，該區(qū)的預(yù)報(bào)結(jié)果卻表現(xiàn)良好，平均誤差僅為3%。表明對(duì)該區(qū)雪蓋面積的同化處理是有效的。

在波爾卡瑞子流域，CDEC與星象館的預(yù)報(bào)結(jié)果相似，相對(duì)于實(shí)際觀測(cè)值，具有14%的較高平均誤差;其中，CDEC國(guó)家預(yù)報(bào)結(jié)果略好于星象館的預(yù)報(bào)。然而，與克特希恩子流域一樣，這種融雪水與雨水混合流流域在研究期間的部分時(shí)段，因在11、12月和1月份現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)失效而受影響。本次研究的徑流預(yù)報(bào)通過流域雪蓋面積同化處理而得到了極大改善。

在阿巴尼科和拉瑪拉加子流域，相對(duì)于正式的流量記錄，本研究的預(yù)報(bào)結(jié)果與CDEC國(guó)家預(yù)報(bào)結(jié)果均為小于2%的二次平均誤差，且本研究的預(yù)報(bào)結(jié)果更準(zhǔn)確一些。需要強(qiáng)調(diào)的是，該區(qū)是唯一一個(gè)具有現(xiàn)場(chǎng)氣象站的子流域。之所以強(qiáng)調(diào)，是因?yàn)樗C實(shí)了在能獲得當(dāng)?shù)乜煽繗庀髷?shù)據(jù)的情況下，建議的模型具有最佳的預(yù)報(bào)能力。

拉加圖克佩地區(qū)的預(yù)報(bào)結(jié)果誤差最大，高達(dá)51%，兩種預(yù)報(bào)方法所得結(jié)果的差異也最大。由于缺乏研究期間現(xiàn)場(chǎng)流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，特別是，該范圍廣大子流域的正式流量記錄也是估算出的，所以不建議再對(duì)其結(jié)果進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)論

在氣候與平均情況相差不大的季節(jié)，分布式水文模型提供融雪預(yù)報(bào)徑流預(yù)報(bào)的能力，至少與CDEC提供的國(guó)家預(yù)報(bào)采用的統(tǒng)計(jì)方法相當(dāng)，即使在輸入數(shù)據(jù)方面受到一些主要約束，其預(yù)報(bào)能力也是相當(dāng)可靠。

事實(shí)上，值得注意的是，本次研究所選的2009～2010年研究時(shí)段的氣候基本正常，僅初期受厄爾尼若現(xiàn)象的輕微影響。因此，氣候條件比較適合采用基于以往事件的統(tǒng)計(jì)方法。由于本次研究建立的模型具有獨(dú)特的物理格式，并使用地球觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠預(yù)報(bào)極端氣候事件，因此，在異常氣候條件下，相對(duì)于如今普遍使用的基于統(tǒng)計(jì)回歸的預(yù)報(bào)方法，該模型預(yù)報(bào)的結(jié)果更準(zhǔn)確。

氣象實(shí)測(cè)資料的增加，可以使模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性得到顯著提高，尤其是對(duì)高海拔地區(qū)。

衛(wèi)星圖像已經(jīng)證明了它在估量整個(gè)融雪季節(jié)積雪相關(guān)參數(shù)方面的能力。然而，在模型同化技術(shù)方面還需要做一些改進(jìn)，以提高預(yù)報(bào)的精確度。

即使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料可獲量有限(僅在低海拔地區(qū)建有一個(gè)氣象站)，但本次研究實(shí)踐表明，徑流預(yù)報(bào)結(jié)果仍與CDEC現(xiàn)行系統(tǒng)的預(yù)報(bào)結(jié)果相似。此外，還將開展天然水流情況下的流量傳感器測(cè)流，通過與該流域絕對(duì)實(shí)際流量觀測(cè)值對(duì)比，來驗(yàn)證本次研究預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。