滹沱河流域降水空间分布规律与精确反演

Identifying the drivers of runoff decrease has been one of the biggest challenge in hydrology. Development in remote sensing, especially estimation on pixel scale water components such as ET, rainfall and soil moisture, provides great potential for understanding water balance in gridded level under different land use changes. Among such components, coarse availability in rainfall in mountainous regions under different elevation, slope and terrains, is often a major limiting factor. The project aims to improve the accuracy of mountainous rainfall estimation by taking Hutuo Catchment in the Taihang Mountain as an example. The newly available 6 minutes interval Doppler Radar data for rainfall and intensively measured rainfall gauge data in minute level will be used to construct the radar reflectance and rainfall relation (Z-R relation) by constructing Z-R relation under different rainfall events in different seasons. And then, the influence of elevation, slope, and terrains on rainfall under different rain types will be studied through Geographical Weighted Regression (GWR) and multivariable regression. Finally the newly constructed relations, radar derived rainfall, rainfall data from gauged stations, and national developed 0.1 by 0.1 degree rainfall data (all from 2009-2015) will be merged to get more accurate estimation of rainfall data in km by km scale.

科学判断各流域径流减少的关键驱动因素一直是水文界面临的巨大挑战，遥感科学的发展为从空间上解析栅格尺度的水文学关键参数和水量平衡提供了巨大潜力，降水特别是山区降水由于其巨大的空间变异，又成为山区水循环精确解析的重大限制因素。本项目拟以太行山区的滹沱河流域为对象，依托2009年来建立的基本覆盖研究区的2个降雨雷达测站的雷达反射率观测数据，以及河北省位于该研究区内及周边的连续6年的高密度降水观测网降水数据，通过雷达降噪，动态连续地建立山区降水与雷达反射率因子间的Z-R关系，探索建立针对不同雨型不同季节的太行山区雷达降水算法；通过反演滹沱河流域特别是中高山区降水的空间分布，建立山区降水受海拔、坡向、地形等影响的空间分布规律；结合新建立的山区降水空间差值方法，利用多源数据和国家基于自动站与CMORPH降水产品获得的逐时0.1度降水网格数据，探索获取太行山中高山区公里尺度分辨率降水数据的有效方法

滹沱河是海河流域的重要支流，150km以内海拔变差从50-3040米，而且山区降雨站点大多分布在沟谷的人类集聚区，海拔1000m以上的降雨站点稀少，对山区降水空间格局的反演、洪涝灾害预警、水文模拟等带来巨大挑战，利用现代雷达、卫星等多源的降雨产品是弥补山区降水不足的重要手段。.本项目针对雷达降水产品和卫星降水产品在滹沱河及太行山区反演的方法、精度、稳定性与空间分布等开展研究，利用默认Z-R关系法、概率配对法、滑动时间窗Z-R算法等方法探索了新一代多普勒雷达降水产品在不同雨型、不同季节的反演精度，确认了动态滑动时间窗2小时默认Z-R关系算法在山区雷达降水方面的反演优势；通过解析中高山区降水的空间分布，阐释了山区降水受海拔影响在低海拔区更精确的特点。在卫星降水产品方面，针对长时间序列的四个高精度国际降水产品和中国气象局CMORPH-SHEN的融合产品，进行了产品在太行山区适宜性及精度分析，研究表明CMORPH融合产品在太行山区经地面数据校正后，在年尺度、季尺度、月尺度上与雨量站观测数据均呈现良好的相关性，优于CMORPH CRT产品，为本地区推荐应用的卫星降水产品；对国际上时空分辨率较高的四种卫星降水产品（CMORPH CRT、PERSIANN-CCS、TMAP TRMM 3B42V7和GPM IMERG）的对比分析表明，IMERG和3B42产品观测的月降水与地面观测特征相似，更能反映降水的实际变化情况，PERSIANN-CCS产品表现较差。此外，研究还基于多种降水产品，明确了降雨在不同季节和年际间在太行山区及滹沱河流域的时空变化规律。以上研究明确了太行山区适宜的雷达降水反演算法，提出了国际上高分辨率降水产品在太行山区的适宜性，对于未来该区域的水文、水资源、洪灾防控等相关研究具有重要参考价值。鉴于雷达降雨产品可获取性存在一定不足（目前数据共享特别是多雷达产品共享仍有难度）及反演的复杂性，未来应用中可将雷达降水与卫星产品结合，利用雷达降水获取关键时段时、日、周等的水文数据，与卫星数据实现相互补充。项目在Hydrology and Earth System Science、International Journal of Remote Sensing等杂志发表第一标注SCI论文3篇、第二标注SCI论文2篇、第一标注核心期刊论文4篇，超额完成了预定指标。