辽阳市干旱状况评估_贾铭洋.pdf
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1、 164 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)辽阳市干旱状况评估贾铭洋(辽宁省辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)摘 要:以辽阳市 7 个地面观测站 1987-2020 年实测降水数据为基础,从时空尺度上科学评估 PERSIANN-CDR 的降水反演性能,从干旱事件的空间分布特征、覆盖面积、发生时间、发生强度和发生次数等方面,采用标准化降水
2、指数评估卫星产品的干旱辨识性能。结果表明:PERSIANN-CDR 卫星数据能够较好地估算和反演市域尺度的面雨量及其演变规律,对干旱识别、时空特征反演以及强度估算具有较好可行性和可靠度,但随干旱事件时间的增大则其辨识能力逐渐减小,该卫星数据对辽阳市干旱覆盖面积和强度的评估较为严峻。关键词:干旱状况;降水指数;反演性能;卫星数据;辽阳市中图分类号:P426.616文献标识码:B1 研究区概况辽阳市地处E122 35123 40,N40 4241 36之间,境内地貌类型齐全,地貌分区规整,总面积4744km2。自西北部至东南部,地势从低到高,从平原、台地、低丘陵、高丘陵、低山到中山。该地区属于湿润
3、、半湿润季风气候,69月降水集中,受地质构造条件、气候特征和地形地貌的影响,辽阳市水旱灾害频发,所以精准预警、监测和评估辽阳市干旱状况就显得非常重要。然而,输入降水数据的连续性和长期性直接决定着干旱预报、监测结果的可靠性,WMO 曾提出研究气候的历史数据不宜少于 30a,而现有卫生观测产品大部分都无法达到该期限要求。PERSIANN-CDR 卫星降水数据产品的时间分辨率为 3h,空间分辨率、空间覆盖范围能够达到 0.250.25 和60 S-60 N,其数据格点可以准确反映区域时空降水分布,30 多年的数据集能够反演不同时间尺度的降水演变规律,为气候研究提供必要的数据支持1-3。目前,有学者检
4、验分析了 PERSIANN-CDR产品的评估精度,对市域干旱演变特征利用长序列资料进行估算的研究还鲜有报道。因此,文章依据辽阳市7个地面观测站1987-2020年实测降水数据,研究了 PERSIANN-CDR 产品对预测评估市域尺度干旱情势的可行性和可靠性,旨在为中国干旱预报及监测提供一定技术支持。2 研究方法2.1 数据来源研究所用辽阳市 7 个地面观测站 1987-2020 年实测降水数据来源于省气候中心,PERSIANN-CDR卫星反演降水产品空间分辨率为 0.250.25,时间分辨率 3h,从 NOAA 网站下载。2.2 评估方法1)评价指标。采用平均绝对误差 eMAE、相对偏差 eB
5、IAS、均方根误差 eRMSE以及皮尔森线性相关系数 eCC四个统计量,定量评价地面气象站观测资料与 PERSIANN-CDR 降水产品的差异4-6。2)标准化降水指数 SSPI。该指标反映了特定时段内发生降水量概率的多少,则某时段降水量 x 的概率密度函数可以表示成7:/1)(1)(xexxf=(1)文章编号:1007-7596(2023)05-0001-04收稿日期2022-05-06作者简介贾铭洋(1 9 8 3-),男,辽宁辽阳人,高级工程师,研究方向为水文水资源等。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.045 165 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利
6、科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)式中:、为形状和尺度参数,0、0,一般利用极大似然估计法来确定。依据某一年降水量x0可以利用下式确定随机变量 x x0的概率,即:(2)采用nmxF/)0(=表示降水量0的概率,m、n 代表降水量 0 的样本数和总样本数。采用标准化正态分布函数和公式(2)求解的概率值相结合,则有:(3)式中:Z 为标准化降水指数值,将公式(3)按数值积分的方式进行近似
7、运算,可以转化成如下形式,即:(4)(5)式中:S 为概率密度政正负系数。将干旱等级按照标准化降水指标指引手册划分成极涝、重涝、中涝、正常、中旱、重旱和极旱7 个等级,所对应的 SSPI取值范围依次为 2.00、1.501.99、1.001.49、-0.990.66、-1.00-1.49、-1.50-1.99、-2.00。3)干旱评价指标。干旱站次比 Pj和干旱强度Sij的计算公式如下8:%100)/(=MmPjj (6)=miSPIijiSmS11 (7)式中:M、m、mj为总气象站数、发生干旱的站数和第 j 年发生干旱的站数;Sij为发生干旱时 i 站的SSPI绝对值,当 Sij 0.5、
8、0.5 Sij 1.0、1.0 Sij 1.5、Sij 1.0 时则代表干旱强度不明显、轻度、中度和重度干旱9。依据 Pj可以反映发生干旱的范围,Pj值越大则干旱的覆盖范围就越大。3 结果分析3.1 精度评估本研究利用泰森多边形法估算地面观测站点的面雨量序列,运用网格平均法来直接获取卫星降水估算的面雨量,日尺度实测面雨量与PERSIANN-CDR的相关系数eCC只有0.52,两者的一致性较低;然而,均方根系数eRMSE、平均绝对误差eMAE和相对偏差eBIAS均较小,所对应的数值依次为5.01mm/d、2.55mm/d和5.32%,这表明在量级上对日降水该卫星产品的平均估算性能较好,但波动一致
9、性不够明显。从月尺度上,降水估算的均方根系数eRMSE和平均绝对误差eMAE因月降水量基数大而有所增加达到20.75mm/d、12.68mm/mm,其相对偏差eBIAS略有减小为5.10%,而相关系数明显增大到0.96,这说明在一致性和量级上对于市域月降水量估算该卫星产品的反演性能均表现良好。另外,通过对比相对偏差值和散点图发现,在强降水事件上PERSIANN-CDR卫星表现出低估倾向(在45线以下的分布点降水量较大),而对市域降水总量则表现为高估(相对偏差eBIAS正值)。通过反距离加权法确定市域范围内年均降水量的空间分布特征,结果显示在空间分布上地面观测站与卫星降水数据的面雨量估算结果非常
10、接近,均呈现出北少南多的特征,特别是年降水量低于900mm 的区域,地面观测的结果与卫星估算分布范围高度一致,降水量级在 9001000 时差异性较明显,表明对强降水卫星具有一定的低估10。鉴于辽阳市的强降水多发生在 69 月(夏季),通过对比分析该地区夏季降水情况发现,除大值区外基于地面观测数据的空间分布与基于卫星观测数据的降雨分布基本一致。因此,研究认为除少数极端降水外卫星对其余量级降水事件,其捕捉性能、稳定性能和估算精度均比较可靠,在时间与空间上卫星观测数据的反演性能均比较好。从地形的角度上,空间分布一致性较好的地区为中部平原区,而东南部、南部等以丘陵和山区为主要地貌的地区分布一致性较差
11、,说明地形会在一定程度上影响 PERSIANN-CDR 产品的观测精度,其对平原区降水的估算精度要高于山区、丘陵区。为检验降水空间分布特征受卫星估算误差的影响,从空间上比较两种降水数据的均方根误差eRMSE、相关系数 eCC在不同时间尺度下的分布,结果发现日尺度上地面观测值与卫星产品降水观测数据的相关性较差,最高和最低日相关系数只有0.44、0.26,从空间上呈现出自西北向东南递增的趋势;在月尺度上两者具有较好的相关性,月相关系数大部分都 0.85;在空间分布上月相关系数未表现出明显的规律性,整体呈西部低、东部高的特点。在 166 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.
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