CMADS 數(shù)據(jù)對長江源區(qū)水文模擬的適用性研究

　　摘要：中國大氣同化數(shù)據(jù)集(CMADS)是基于多種氣象場數(shù)據(jù)和氣象站實測數(shù)據(jù)，耦合得到的支持中國區(qū)域范圍內 SWAT 模型驅動的數(shù)據(jù)集。長江源區(qū)位于青藏高原中心地帶，自然環(huán)境惡劣，水文氣象站點分布較少。以長江源區(qū)四個氣象站數(shù)據(jù)和 CMADS 數(shù)據(jù)分別作為驅動數(shù)據(jù)，驗證 CMADS 數(shù)據(jù)在長江源區(qū)的適用性。研究發(fā)現(xiàn)：SWAT 模型在長江源區(qū)具有一定適用性，率定期和驗證期納什效率系數(shù)分別為 0.682 和 0.615。CMADS 數(shù)據(jù)在長江源區(qū)適用性較差，模擬徑流的納什效率系數(shù)只有 0.447。在長江源區(qū) CMADS 降水數(shù)據(jù)相比實測降水數(shù)據(jù)質量較差，而氣溫數(shù)據(jù)質量較高。

　　關鍵詞：CMADS 數(shù)據(jù)集;SWAT 模型;水文模擬;長江源區(qū);青藏高原

　　劉薇; 王海軍; 陳翠英 中國農村水利水電 2021-12-16

　　青藏高原地區(qū)由于海拔過高氣候寒冷，被稱為地球第三級。由于獨特的氣候環(huán)境，水文循環(huán)條件復雜，冰川積雪融水廣泛參與到水文循環(huán)中[1-3]。對于高原山區(qū)的水文模擬，冰雪融水是難以回避的問題，一些主流的含有融雪模塊的水文模型包括：HBV 模型，SRM 模型， VIC 模型，SWAT 模型[4-7]。其中 VIC 模型和 SWAT 模型分布式水文模型，基于物理基礎，適用范圍廣。 SWAT 模型由于其適應能力強，且能對流域水文過程進行分區(qū)處理，對水文規(guī)律的研究更為深入，而得到廣泛的應用。竇小東等基于 SWAT 模型研究了氣候變化對大盈江流域徑流的影響[8]。鄭思遠等利用 SWAT 模型在東苕溪上游區(qū)域研究了氮磷對環(huán)境的影響[9]。王磊等通過 SWAT 模型研究了土地利用變化情景下對清水河徑流的影響[10]。王富強等使用 SWAT模型對賈魯河流域區(qū)域農業(yè)干旱程度評價進行了研究[11]。SWAT 模型由于耦合了眾多模塊，對流域各方面的模擬研究都有很強的適應性[12, 13]。且代碼開源，模型得到不斷的改進升級，使得模型更加適合全球用戶的個性需求。

　　正是由于 SAWT 模型在全球得到廣泛的利用，但由于需要輸入較多的氣象數(shù)據(jù)來驅動模型，特別是在一些受地形和經濟條件影響的區(qū)域，缺乏模型所需要輸入的氣象數(shù)據(jù)時，使得模型難以在該地區(qū)開展研究。由孟先勇，王浩等牽頭，中國水利水電科學研究院，中國氣象局國家氣象信息中心等單位合作開發(fā)的 SWAT 模型中國大氣同化驅動數(shù)據(jù)集(CMADS)彌補了一些偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)不足的缺陷，使 SWAT 模型可以對中國一些偏遠地區(qū)的進行水文模擬[14-17]。該數(shù)據(jù)集基于世界各類再分析場及中國氣象局大氣同化系統(tǒng)(CLDAS)技術,利用數(shù)據(jù)循環(huán)嵌套、重采樣,模式推算及雙線性插值等多種技術手段而建立。且符合 SWAT 模型的輸入格式，使用方便。本文通過提取長江源區(qū) CMADS 數(shù)據(jù)，及利用傳統(tǒng)的氣象站數(shù)據(jù)利用 SWAT 模型在長江源區(qū)進行水文模擬，分析 CMADS 數(shù)據(jù)在高寒山區(qū)的適用性。

　　1 研究區(qū)域概況

　　長江源區(qū)地處青海省東南部，是青藏高原的中心地區(qū)，面積達 137,800 km2，平均海拔高程達 4,500 m 左右，屬于典型的高海拔地區(qū)[18]。流域呈西高東低的地形結構，其主源西支的沱沱河和南支的當曲，其源頭位于唐古拉山北麓，源頭以冰雪融水為主。長江源區(qū)主要以裸地和高原草地等地貌特征為主，其下游河谷地帶覆蓋有少量森林植被，也是人類的主要聚集地。2000 年設立三江源國家級自然保護區(qū)后，源區(qū)內的游牧得到有效控制，源區(qū)自然生態(tài)環(huán)境朝健康方向發(fā)展。長江源區(qū)多年平均降水只有 450 mm 左右，且從下游向上游逐漸遞減，氣溫受地形影響，下游氣溫明顯要高于上游地區(qū)，多年平均氣溫在-1.7-5.5 °C 波動[19]。 7、8 月份流域氣溫最高，12-2 月是氣溫最低的時期，流域上游覆蓋有常年無消融的凍土，流域無明顯的無霜期。流域內氣象站分布雖然只有四個，但在上中下游都有分布，較能反映流域不同區(qū)域的氣候特征，在流域出口有記錄著整個源區(qū)出口流量的直門達水文，該站記錄的流量也是本次研究的對比數(shù)據(jù)[20]。流域地形及氣象水文站點分布如圖 1 所示。

　　2 數(shù)據(jù)的處理及建模

　　SWAT 模型建模所需要的數(shù)據(jù)較多，分為氣象驅動數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)兩大類。氣象數(shù)據(jù)由長江源區(qū) 4 個氣象站提供，包括降水，最高最低氣溫數(shù)據(jù)，另外就是從 CMADS 數(shù)據(jù)集中裁剪出來的長江源區(qū)氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括：日平均相對濕度(RelativeHumidity)、日累計降水量(Precipitation)、日平均太陽輻射(Solar radiation)、日最高、最低 2 米氣溫(Max and Min Temperature)、日平均 10 米風速(Wind)。地理空間數(shù)據(jù)包括 DEM 數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)。

　　2.1 氣象數(shù)據(jù)

　　利用長江源區(qū) 4 個傳統(tǒng)氣象站數(shù)據(jù)建立的 SWAT 模型驅動數(shù)據(jù)為文本格式，包括日最高最低氣溫及日降水量，對缺失數(shù)據(jù)進行插補處理，保證數(shù)據(jù)較高質量。CMADS 數(shù)據(jù)集通過寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載。整個數(shù)據(jù)集覆蓋范圍在 60°- 160°E，0°-65°N 之間，將整個中國地區(qū)都覆蓋在內，數(shù)據(jù)集較為龐大。該數(shù)據(jù)集已經有發(fā)行了 4 個版本，本次研究利用的 CMADS V1.1 版本，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為 0.25°×0.25°，時間跨度為 2008 年到 2016 年。CMADS 數(shù)據(jù)中氣溫、氣壓、比濕、風速驅動數(shù)據(jù)采用了 2421 個國家級自動站和業(yè)務考核的 39439 個區(qū)域自動站，2008 年 1 月以來地面基本氣象要素逐小時觀測數(shù)據(jù)以及相應時期的臺站信息(臺站經緯度、海拔高度)。利用多重網(wǎng)格三維變分方法(STMAS)，在 NCEP/GFS 背景場基礎上制作地面基本要素分析場。其中，中國區(qū)域以外，只對 NCEP/GFS 背景數(shù)據(jù)做地形調整、變量診斷并插值到分析格點;中國區(qū)域以內,利用 STMAS 算法，將經過前處理的 NCEP/GFS 背景數(shù)據(jù)和自動站觀測融合，并與中國區(qū)域以外的數(shù)據(jù)進行拼接。通過 ArcGIS 提取長江源區(qū)范圍內的所有站點的 CMADS 數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)集不需要進行數(shù)據(jù)格式轉化，可以直接被 SWAT 模型利用。長江源區(qū) CMADS 數(shù)據(jù)點集如圖 2 所示。

　　2.2 空間數(shù)據(jù)

　　SWAT 模型屬于分布式水文模型，其建模需要流域下墊面數(shù)據(jù)，其中包括：數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，該數(shù)據(jù)主要用來進行子流域劃分，及確定流域河道;另外兩個地理空間數(shù)據(jù)為土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，兩數(shù)據(jù)結合來確定水文響應單元(HRU)，同一水文響應單元內進行一致的水文計算。其中 DEM 數(shù)據(jù)通過 USGS (United States Geological Survey)下載 90 m 分辨率的 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM 數(shù)據(jù);土地利用數(shù)據(jù)通過中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺下載青海省 2015 年土地利用數(shù)據(jù)。該土地利用數(shù)據(jù)將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地 6 個一級類型以及 25 個二級類型。土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.2 )(HWSD V1.2)，通過黑河計劃數(shù)據(jù)管理中心(http://westdc.westgis.ac.cn)獲取，需要用戶根據(jù)研究區(qū)土壤信息建立用戶自己的土壤數(shù)據(jù)庫，本次研究的長江源區(qū)由于自然環(huán)境惡劣，土壤發(fā)育程度淺，主要是冰川土，將源區(qū)土壤類型重新分為 5 類。由于需要計算流域面積及 SWAT 模型要求數(shù)據(jù)具有投影坐標系，將三類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影到 Albers WGS_1984 坐標系中。土地利用數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)如圖 3 所示。

　　2.3 SWAT 模型

　　SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是一個典型的分布式水文模型，它以日為時間步長，采用離散化的方式描述流域內水文要素等參數(shù)的空間差異，可以模擬大流域的徑流、泥沙和營養(yǎng)物質等的輸移，也可以預測人類活動對水、沙、農業(yè)、化學物質的長期影響。由于 SWAT 模型物理基礎強、模塊結構清晰、計算高效、具有友好的用戶界面并將空間數(shù)據(jù)集成于 ArcGIS 中進行處理，功能強大，使用方便，在世界范圍內得到廣泛應用和發(fā)展。 SWAT 模型由 701 個方程和 1013 個中間變量組成，是一個具有很強物理機制的長時段流域水文模型，在水文模擬中不僅考慮了氣象、水文、生物等自然過程，而且考慮了城市擴張、農業(yè)種植、土地利用變化等人為影響。其模擬的流域水文過程可以分為子流域模塊和演算模塊兩個部分。子流域模塊即產流和坡面匯流部分，控制每個子流域內主河道的徑流、泥沙、營養(yǎng)物質等的輸入量;演算模塊即河道匯流部分，決定徑流、泥沙等物質從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。整個水分循環(huán)遵循水量平衡原理，具體計算公式為： ( ) 1 0 ??? ? ? ? ? ? t i t Rday Qsurf Ea wseep Qgw sw sw (1)式中：SWt 表示 t 時刻的土壤含水量，mm;SW0 表示初始時刻的土壤含水量，mm;Rday表示第 i 天的降水量，mm;Qsurf 表示第 i 天的地表徑流量，mm;Ea 表示第 i 天的蒸散量，mm; Wseep 表示第 i 天土壤測流量，mm;Qgw表示第 i 天的地下水徑流量，mm。 利用氣象數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)，構建長江源區(qū) SWAT 模型，并對源區(qū)日徑流量進行模擬。

　　3 結果分析 3.1 評價標準

　　本研究采用月模擬徑流與實測徑流的相對誤差 Re、相關系數(shù) R 2 和 Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) NS 三個目標函數(shù)來表征模型的模擬效率，其計算公式如下：式中：?Qsim 表示模擬徑流量的平均值;?Qobs 表示實測徑流量的平均值;t 表示總時段數(shù);