资料稀缺地区的降水空间展布研究
金君良1，吴志勇，陆桂华
（河海大学水问题研究所，南京，江苏 210098）
摘要：无资料或资料稀缺地区的流域水文模拟是水文学研究中的热点和难点问题之一。本文提出了利用TRMM
星载雷达测雨资料和少量站点实测资料推算无资料地区降水分布的方法，对资料稀缺的新疆开都河流域的
降水和气温进行了空间展布，并建立了 VIC(Variable Infiltration Capacity)大尺度分布式陆面水文模
型,进行了水文模拟试验。结果表明，本文建立的开都河流域降水展布方法是可行的，可以适用于资料稀缺
地区的降水空间展布。
关键词：资料稀缺地区；TRMM 水文模拟；空间展布；VIC 模型
1 引言
降水是水循环中最基本的水文要素，传统水文方法通常是通过观测定站点雨量来获取流
域面雨量信息。如泰森多边形法和面积加权法等，都是用点雨量通过计算得出面雨量，因此
对雨量站点的密度要求较高。
然而西部大部分地区气候条件恶劣，经济落后，雨量站网密度稀少且观测资料质量较差。
如何在资料稀缺地区获得大范围的面降水资料从而进一步模拟水文过程，是众多水文研究者
一直关心的问题之一。随着计算机和地理信息系统科学的发展，对资料稀少地区的降水分析
和水文模拟，许多国内外学者已有了相关的研究[1-5]。
1997 年 11 月美国和日本联合发射升空的热带降水测量卫星(Tropical Rainfall
Measuring Mission,简称 TRMM)所携带的首颗星载降水测量雷达(Precipitation Radar,简
称 PR)为我们提供了全球 50°S～50°N 地区降水的时空分布及变化。TRMM 第一次实现了空
基测雨雷达对降水三维结构的探测，具有较高的水平分辨率和垂直分辨率，并能够依据雷达
回波的特性区分降水的性质[6]。因此,TRMM PR 对降水的探测能力优于以往的卫星被动遥感方
法。许多国内外学者利用 TRMM PR 的观测结果对降水的垂直结构及其变化开展了大量研究
[7-9]。
本文分析了 TRMM PR 降水资料的空间相关关系，以新疆开都河流域为例，基于流域内巴
音布鲁克气象站的实测资料对流域降水进行空间展布，在流域大山口水文站以上建立了大尺
度分布式 VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型，将降水空间展布结果作为模型
输入，经产汇流模拟输出流域出口断面流量过程并与实测相比较作为验证，为资料稀缺地区
的降水空间展布提供了一种新的途径。
2 研究区概况
开都河位于新疆天山南坡焉耆盆
地北缘，介于东经 80°58′～86°55
′和北纬 41°47′～43°21′之间，
发源于天山中部的萨阿尔明山。属于
塔里木河的九大水系源流之一，也是
新疆巴音郭楞蒙古自治州境内最大的
一条河流。河流上游自东向西经小尤
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40371023);“948”计划资助项目(200317);教育部博士点基金资助
项目
作者简介：金君良（1982－），男，浙江金华人，硕士研究生，主要从事水文水资源研究。
开都河流域
新 疆 图 1 开都河流域示意图
Fig 1 Position of Kaidu River Basin
1
尔都斯盆地，在巴音布鲁克折向东南经大尤尔都斯盆地至呼斯台西里，再穿过一段长峡谷至
大山口水文站后流出山口。
流域内高山，峡谷和盆地交错，地形复杂。流域海拔高差大，最高山峰高程 4589 米，
出山口为 1340 米，平均海拔 3100 米，大山口水文站以上集水面积共 19012km2。流域内降水
和气温等气象要素分布都极不均匀。山区降水丰富，属于冰雪融水和雨水混合补给为主的河
流。
3 气象资料空间展布方法
降水空间展布
如图 2 所示，TRMM PR 降水分布
空间分辨率为 °×°（图 2
中黑点所示），一个测站实测值代表
周围 °×°网格的面平均
雨量。流域站点稀少，研究使用的资
料情况如表 1。
本文以流域内巴音布鲁克站点
实测资料为基准推算流域网格同期
的降水量，展布过程分为以下几个步
骤：
（1）将 TRMM PR 的 1998～2005
年网格多年平均月降水量与同期巴
音布鲁克气象站的实测值作相关性
分析。
结果显示，流域内总共 21 个网
格，所有网格探测的降水量与巴音布
鲁克站实测值的相关系数都大于
，其中 76%的网格相关系数大于
。可以说明月尺度下流域内各网
格与巴音布鲁克的降水具有同频率性，巴音布鲁克气象站具有一定的代表性，可以尝试使用
巴音布鲁克气象站资料为基准展布整个流域的降水。
（2）统计流域内 TRMM PR 资料，将各网格的多年平均降水量与包含实测站点网格的多
年平均降水量之间建立相关关系，计算两者相对比值，作为定点定面点面折算系数。折算关
系乘以实测站点的降水量即为流域内第 i 网格的降水量的推算值。记为，
)( 0,, xxxx ipopi ⋅= ( i =1,2,…,n) （1）
其中 pox , 为气象站点实测降水量， pix , 为网格待求的降水量， 0xxi 记为折算系数λ 。
至此，如何获取折算系数λ 是关键。折算系数应反映流域内待求网格与实测气象站点之
间的空间相关关系。统计学上，一个地区气候要素的特征通常用多年平均值来反映。本文试
图通过多年平均值和多年月平均值两个统计指标来分别计算折算系数。
(a)根据网格多年平均值计算折算系数：
0xxii =λ ( i =1,2,…,n) （2）
ix 表示第 i 网格 TRMM PR 多年平均降水， 0x 表示包含实测站点的网格 TRMM PR 多年平
站点名称 资料年限
巴音布鲁克
1981～1987 年日降水量、气温
1998 年～2005 年月降水量
TRMM PR 1998 年～2005 年月降水量
大山口 1981～1987 年日平均流量
图 2 站点分布情况
Fig2 Location of Gauge
表 1 站点资料信息
Table 1 Data Information of the Gauge
2
均降水， iλ 为表示第 i 网格折算系数。
(b)选取网格 TRMM PR 每一年的第 j 月份统计多年平均，根据多年月平均计算折算系数
的公式为：
jjiji xx ,0,,
'
=λ ( i =1,2,…,n; j =1,2,…,12) （3）
其中 jix , 表示第 i 网格，第 j 月 TRMM PR 的多年月平均降水量， jx ,0 表示包含实测站点
的网格的第 j 月 TRMM PR 的多年月平均降水量， ji ,'λ 为第 i 网格的第 j 月的折算系数。
如图 2 所示,以开都河流域 4321 号网格为例，以包含实测站点巴音布鲁克气象站所在的
网格（网格 ID 号为 4320）为基准，分别用多年平均和多年月平均两种方法计算各网格的折
算系数,结果如表 2 所示：
表 2 年平均和月平均两种计算方法比较（4321 号网格为例）
Table 2 Compare Results of Two Methods Calculate Grid averaged Rainfall
时间 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
年平均
折算系数
月平均
气温空间展布
气温的展布根据气温与海拔的关系采用下式计算：
( ) 1001×−×=∆ hhT stγ
其中γ 为温度海拔梯度( ( )mC 100 1−•° )；hst 为气象站高度(m )；h 为网格平均高程(m )。
根据上式推求出流域内网格同期的最高、最低气温。山地气温随高度变化有一定的时间
差异，本研究采用谢自楚和谢维尔斯基的分析结果，按月取不同的温度海拔梯度[10]。在模型
中作为一个重要的参数，范围在 ～ 之间。
4 结果验证
选用模型介绍
本文选用 VIC 大尺度分布式陆面水文模型来验证。VIC 模型是由 Washington 大学、
California 大学 Berkeley 分校及 Princeton 大学共同研制开发的大尺度分布式水文模型。
现已发展到 VIC-3L 模型，它将土壤分成 3 层，土层厚度作为可以调试的参数。模型采用了
可变下渗能力的思想，主要考虑了大气－植被－土壤之间的物理交换过程，以此来反映土壤、
植被、大气间的水热状态变化。模型考虑了积雪、融雪及土壤冻融等过程，在一个计算网格
内考虑了裸地及不同的植被覆盖类型。模拟融雪时，在同一个网格内可以根据高程分成不同
的雪带来计算。在北美以及中国许多地方都已经有了成功的应用[11-14]。
本研究使用 VIC 模型 版本，进行水量平衡计算。模型运行时间步长为 24 小时。输
入大气强迫资料（包括日降水量，日最高气温和日最低气温），模型逐个计算出流域每一个
网格上的蒸散发和产流，经汇流输出出口断面的流量过程。汇流采用 Dag Lohmann 等发展的
汇流模型[15]。
模型参数
VIC 模型运行需要两类参数，一类是与植被相关的参数，一类是与土壤相关的参数。本
3
文的植被参数根据 Maryland 大学研制的全球 1km 土地植被覆盖数据中提取[16]；土壤参数基
于 Reynolds 等[17]人研制的 10km 土壤数据库设定。
模拟结果
根据本文提出的气象资料空间展布方法，分析了开都河流域 TRMM PR 降水资料的空间相
关关系,基于巴音布鲁克气象站空间展布流域气象资料，建立了 VIC 大尺度陆面水文模型。
并对模型六个水文参数率定，模拟输出 1981 年 1 月～1987 年 12 月平均径流量过程(图 3)。
月径流过程由日径流过程累积得到。
与实际观测值比较，结果显示，根据年平均计算修正系数的方法径流量的相对误差为
，Nash 效率系数为 ；而根据多年月平均计算修正系数的方法总径流量的相对误差
为 ，Nash 效率系数达到 。考虑到流域资料稀缺，降水展布过程只利用了一个气象
站的资料来计算整个大流域内的空间分布，因此可以认为此月过程模拟具有一定的精度。
分析结果可以看出，根据年平均值计算的折算系数在一年之中是固定不变的，一年内所
有时段都依据实测值采用了相同的放大或缩小比例，没有体现出年内的季节分配，相应的计
算结果表现出枯水期模拟的径流量偏少，出流滞后，且径流总量误差也较大。根据月平均值
计算折算系数的方法，不同的月份采用了不同的折算系数，计算结果不仅仅依赖于巴音布鲁
克的实测值同步放大或缩小，且根据各网格与典型网格多年月平均的相关差值来订正降水
量，包含了网格气象要素多年气候和地理均值的差异特性，表现出年内不同月份有不同分配
比例，模拟的总径流量相对误差减小，确定性系数提高，结果更为合理。可以采用多年月平
均值计算折算系数的方法空间展布降水。
0
50
100
150
200
250
300
350
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987
按月平均取折算系数结果
实测值
按年平均取折算系数结果
5 结论
本文提出了利用 TRMM 星载雷达测雨资料和少量站点实测资料推算无资料地区的降水空
间展布方法。根据多年月平均值计算折算系数以应用于降水空间展布，经 VIC 模型验证表明，
本文建立的开都河流域降水展布方法是可行的，VIC 模型在开都河流域的月过程模拟具有一
定的精度，可以初步应用于资料稀缺地区的水文模拟及水资源评估。
同时结果显示了一些年份，如1983年和1987年丰水期的径流模拟值比实测值偏小较多，
这可能由于展布过程只引用了流域内一个气象站的实测值计算整个流域，资料的代表性不足
所致。如果能获取更多实测站点资料为基准以进行降水空间展布，效果可能会有所改进，这
需要以后进一步的研究。
流量(m3/s)
图 3 开都河流域大山口站月径流过程
Fig 3 The Monthly Runoff of the DaShankou station of Kaidu River Basin
时间（年）
4
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New method of Interpolating Precipitation in Basins with Data Scarce
LU Gui-hua, JIN Jun-liang, Wu Zhi-yong
(Research Institute of Water problem , Hohai Univ., Nanjing 210098)
Abstract: Hydrologic simulations at non data or data scarce basins are now hotspot and difficulty in Hydrologic
researches. This paper introduces a spatial interpolation method of precipitation according to use relationship of
TRMM PR data and few observations in data scarce area. It interpolates precipitation and temperature of Kaidu
river basin as an example, and macro-scale land hydrologic VIC model is established to testify. The results show
that this method is feasible in interpolation precipitation of Kaidu river basin. It is able to estimate spatial
precipitation in data scarce area.
Key words: data scarce; TRMM; hydrologic simulation; spatial interpolation; VIC model
5
