基于衛星遙感的水資源監測預報技術應用與研究

楊永利

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

基于衛星遙感的水資源監測預報技術其基本原理是運用能量平衡和水平衡理論，依據衛星探測資料和地面勘測數據，對降雨、蒸發、輻射和溫度進行計算，并進行徑流過程預報[1]。監測預報系統采用高端科技的數據采集技術，具有較高的可靠度和精確度，充分發揮了衛星遙感大尺度預測信息功能。氣象降雨、日照蒸散熱以及氣候氣溫變化等系統基本信息的輸入是依靠衛星對云圖和其他觀測信息的處理，并以云分析和能量守恒原理進行流域降雨和蒸散發連續空間分布計算，為河流降雨徑流量預報和水資源預測模型提供參考依據。氣象衛星觀測的云圖數據和世界氣象組織的全球遠距離通信系統(WMO-GTS)提供的日降雨量觀測數據是進行流域內降雨和蒸散發計算的主要數據來源，氣象文星云圖接收處理系統可用以計算云圖數據，而地面氣象觀測站可提供日降雨量觀測數據，系統工作流程圖如圖1所示。

圖1 衛星接收處理系統工作流程圖

氣象衛星云圖的接受處理過程為首先是建立地面氣象衛星云圖系統，對云圖數據進行實時接收，并對接收的數據進行識別和篩選，選擇有效數據進行儲存；然后建立氣象衛星云圖處理系統，對云圖信息進行幾何校正、格式轉換處理，并將形成的多通道衛星云圖數據和圖像存儲至與相應的云圖數據庫中[1]。

1 降雨及蒸發監測

1.1 降雨監測技術原理

降雨監測技術的基本原理是利用云頂溫度和象素點降雨之間的關系，進行地面雨量站點間的雨量插值計算，因此氣象站監測的降雨量數據和氣象衛星云圖的云頻數據是進行降雨監測的基礎[2]。降雨量數據可由氣象監測站直接提供，而氣象衛星接受到的紅外云圖數據可用于計算云頻率數據。在云層對流區，云溫度隨云距離地面的高度而呈現遞減規律，其遞減關系方程為-6.5℃/1000m。云頂高度可根據溫度閥值(TTE)按照一定的區間進行分類，大氣溫度可根據紅外波段數值進行計算，該數值與被檢測物體的特性具有唯一性，不同的被檢測物體具有唯一的紅外波段數值，如地球表面和云層頂部部位的紅外波段具有各自唯一的紅外波段[3]。通過對衛星云圖柱狀圖進行分析，可根據云層不同的溫度范圍和大致的高度區間將云層分為5個云層等級，見表1。首先根據紅外云圖中象素點上的值按照表中各要素的范圍區間進行云級分類，然后采用每一云級等于10d內該云級存在的小時數的標準進行計算云生存期(CD)。

表1 云層溫度和高度范圍與云層等級分類標準

各象素點上的雨量是以衛星云數據為基礎并采用多重回歸法進行計算，如對雨量站(j)建立該站與周邊地區衛星云信息對應的j站雨量的回歸方程，其回歸方程為：

Rj，est=∑aj，nCDn+bjTTE

(1)

因回歸方程具有一定的使用局限性，致使雨量監測站估算降雨量和觀測降雨量之間存在誤差Dj，其表達公式為：

Dj=Rj，obj-Rj，est

(2)

式中,Rj，obj—j站的降雨觀測值；Rj，est—j站的降雨估算值。

雨量監測站之間的各象素點(i)的系數aj，n、bj和誤差Dj值可采用倒距離加權法進行計算，最后可進行象素點降雨場計算。運用該方法進行的雨量計算，在氣象站點上的雨量觀測數據與降雨量估算的數據相等，計算公式為：

Ri=∑ai，nCDn+biTTE+Di

(3)

1.2 蒸發監測技術原理

基于地球表面的能量和物質傳送的物理過程是影響蒸散監測的主要因素，氣象衛星實際蒸散發計算過程為氣溫映射數據整理、大氣訂正分析以及輻射和感熱通量的計算[4]。完全熱量傳送情形可用下式表達：

T0，n=T0，m=Ta

(4)

考慮了正午氣溫(T0，n)和午夜氣溫(T0，m)的線性回歸方程為：

T=aT0，m+b

(5)

(6)

式中,k—訂正系數；i0—觀測高度角。

超級奧氏體不銹鋼指高合金、高性能的奧氏體不銹鋼，還具有超低碳、超高潔凈度和超高均勻性的特點，其耐孔腐蝕當量PREN≥40。與300系列（304L、316L、317L）奧氏體不銹鋼相比，具有更高的強度和耐腐蝕性能，特別是Cl-的酸性腐蝕環境下具有較強抗點腐蝕能力、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕的能力。UNS N08367是美國Allegheny Ludlum公司研發的超級奧氏體不銹鋼材料，其Cr、Ni、Mo三種元素的總含量超過50%，PREN≥40，廣泛應用于海水脫鹽淡化設備、海水管道系統、海水飛濺區的支撐和煙氣脫硫裝置等，在歐美國家常常被用于替代銅合金。

凈輻射量是以凈輻射通量進行表征，其方法可采用陽光段波輻射與地面長波輻射之間的輻射差值計算，表達方程為：

In=(1-A)Ig-Ln

(7)

式中,Ig—陽光在地球表面的紅外輻射平均值;Ln—長波輻射凈損失量。

當云層把象素點全部覆蓋時，可根據云反射率進行云的光傳輸(t)的計算，其凈輻射估算值表達式為：

In=(1-A)tIg;(Ln≈0)

(8)

大氣邊界層的溫度差(T0-Ta)與感熱通量具有一定的比例關系，溫度差由衛星數據直接提供，其簡單計算公式為：

H=Cva(T0-Ta)

(9)

式中，C—端流熱輻射系數，其取值取決于該區域的植被高度和粗糙度，采用Businger理論以確定該值取值范圍。若日能量保持不變，則可計算出日平均感熱通量。

利用能量平衡原理可計算凈輻射量In、感熱通量H以及潛熱通量LE值，E為光合成電子傳輸輻射，取日陽光在植被覆蓋區的輻射量的10%。計算公式為：

LE=In-H-E

(10)

日土壤熱通量對陽光日輻射量影響較小，故可忽略不計，地面凈輻射在云覆蓋時采用反射率進行估算，若能量成分與以往前期無陽光時相同，則可進行實際蒸散發計算[5]。

2 冰雪凍融處理

2.1 土壤水分冰凍與融化處理

土壤表面的能量平衡和氣溫是決定土壤凍結的關鍵性因素，當地表能量平衡為負時地表能量逐漸減少，土壤開始凍結。氣象衛星系統可以給定凈輻射In和顯熱通量H值，則利用能量平衡方程可進行能量流失E的計算，計算方程為：

In=H+E

(11)

地表溫度能量流失可導致地表溫度為攝氏零度，土壤中水分開始凍結進而表層土壤開始凍結[6]。故在一定時期內地表層溫度低于攝氏零度時可認為土壤中水分開始凍結，當水分凍結到一定程度且能量平衡持續保持負值時，凍結面開始向縱深發展，此時土壤凍結情況較為復雜，如有降雪則情況更為復雜，分析計算所考慮的因素將更多。地表層凍土與積雪之間的熱通量計算是地表層平均熱傳導和平均溫度梯度的成績，地表層氣溫和凍土底部零度等溫線的差值即為溫度梯度，各層傳導度的調和值即為層狀系統平均熱傳導度。土壤解凍由地表層自上而下進行，解凍起始點為積雪完全融化以后，其解凍深度可采用凍結方程的逆方程進行計算[7]。

2.2 降雪融化處理

降雨和地表溫度值是進行降雪處理的根本依據，當地表溫度低于273K時，降雨將以降雪的形式出現，通過各網格點的降雪減去間歇時可能發生的雪融化量可進行積雪值估算，并用雪-水當量表示積雪。可通過對積雪計算完成對降雪覆蓋面積的計算，也可根據地表的反射率變化情況判斷積雪的成因，如高反射率是由積雪造成的則可據此進行積雪面積計算。反射率大小變化情況隨積雪融化的進行而體現出明顯變化規律，在積雪剛開始融雪時反射率變化不明顯，而當積雪融化已出現裸露地表時，反射率會大幅度降低，當反射率降低至本底數值之前時，則認為網格內部分存在積雪覆蓋。受地形變化影響，網格內的降雪可能僅僅降落在部分區域，故在降雪發生后，某些網格反射率雖然有顯著的改變，但反射率值仍然較低[8- 10]。

能量平衡是進行積雪融化的基礎，其系統計算原理和水分凍結融化原理基本相同，采用由Singh提出的潛熱通量計算公式進行融雪計算。融雪凈能量通量用Qm表示，融雪深度(mm/d)用M表示，其表達式為：M=0.0031Qm。積雪不僅有熱融化過程，同時也會因升華物理過程減少積雪量，其計算公式與此類似。寒冷度可用以估算繼融雪的起始時刻，積雪溫度越低則寒冷度增大，積雪溫度越高則寒冷度降低。寒冷度計算公式為：

Qcc=-ciρwhm(Ts-Tm)

(12)

式中,Qcc—引起寒冷度變化所需的能量；Ci—冰的熱容,2012J/(K·kg)；ρ—水的密度；Hm—雪水當量；Ts—積雪平均溫度；Tm—融點溫度。

3 建立基于衛星遙感的水資源監測模型

坡面和河道是組成監測模型兩大主要方面，邊界旁測入流范圍由坡面部分處理，而水流在河道向河口方向的演進由河道部分進行處理[11]。利用二維擴散原理對坡面部分的單層網格進行模擬處理，同時向系統輸入降雨、融雪和實際蒸散熱等數據，并利用容積水勢p(L)來表示單元格水量，p(L)表達公式為p=z+w。z為表面水位，w為水量差額，一般條件下p

(13)

式中,D—擴散系數,L2/T;r—凈降雨量,L/T；qi—單元網格向河道的出流率。

上述方程的計算是以垂直方向的規模遠遠小于水平方面的規模為基本假定，對于側向入流的Muskingum-Cunge方法，河段在時間步長n到n+1的水流傳播為：

On+1=c0In+1+c1In+c2On+c3Ql

(14)

式中,On+1—上游入流；O—下游入流,L3/T。

4 實例應用

目前遼寧省水文局已經運用衛星遙感技術建立了遼寧省水資源監測預報系統，并投入試運行，到目前為止試運行情況基本保持良好。在2015年7～11月遼寧省有過一次明顯的降雨漲水過程，依據衛星遙感技術進行降雨、實際蒸散發和降雨徑流模擬。結果顯示模擬結果精確度良好，實測日最大流量在9月25日為2640m3/s，而模擬日最大流量為9月24日為2380m3/s，模擬結果無論在時間還是在徑流量方面均表現出較高的準確性，誤差范圍小于10%，同時降雨預測結果表明，利用衛星遙感技術的水資源監測預報系統可以對降雨空間分布進行較好的控制[12- 13]。

5 結語

降雨、蒸散發估算、能量平衡、分布式預測模型是基于衛星遙感技術的水資源預測系統的核心技術，不僅需要解決降雨積雪、土壤水分凍融、積雪融化等問題，并且可對實際應用中分布式預測模型奠定良好的基礎，特別是對于雨量監測站稀少地區，對基于衛星遙感技術的云圖數據計算其意義尤為突出。因考慮參數較多、計算公式繁雜且轉化過程較為復雜，故該技術利用衛星云圖進行降雨和實際蒸散熱計算的精度尚不能得到保證，但經過率定和驗證后的預測模型，在一定程度上可以應用于不同流域地區的水資源預測。地面降雨監測站對于控制點的布設和衛星估算空間布置是基于衛星遙感技術的水資源預測模擬分析的難點和重點，水文預測模型其預測結果可靠度受其影響較為明顯，故應加強對降雨觀測點的布設和衛星遙感云圖數據的處理。

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