多尺度水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

余鐘波，楊傳國(guó)

（1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098）

水資源是21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略資源之一。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將水資源問(wèn)題列入重點(diǎn)領(lǐng)域的首要問(wèn)題，加快水利建設(shè)，加強(qiáng)水利防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)，是十八大以來(lái)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略任務(wù)的重要內(nèi)容。我國(guó)人均水資源量低，時(shí)間和空間分布不均，洪澇干旱災(zāi)害頻繁。國(guó)家水資源高效開發(fā)利用的迫切需求，對(duì)水文水資源學(xué)科及行業(yè)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，為學(xué)科發(fā)展和行業(yè)能力提升帶來(lái)了新的機(jī)遇，亟需提高水文水資源多尺度預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)警水平，實(shí)現(xiàn)水資源智能調(diào)度與精細(xì)化管理。

1 項(xiàng)目重大意義

在氣候變化與高強(qiáng)度人類活動(dòng)共同作用下，水循環(huán)時(shí)空規(guī)律發(fā)生了復(fù)雜變異，極端氣候和水文事件時(shí)空格局出現(xiàn)了新特點(diǎn)，水文節(jié)律非穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)，不確定性加劇。現(xiàn)有水文科學(xué)理論和方法，無(wú)論是物理還是統(tǒng)計(jì)的都難以對(duì)此進(jìn)行精細(xì)刻劃和揭示，提高不同尺度降水和水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)精度仍是水文科學(xué)界和工程界面臨的難題，正在發(fā)展的大數(shù)據(jù)、星地遙感技術(shù)、全景物理實(shí)驗(yàn)、人工智能和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，為流域水文循環(huán)的精確模擬提供了新途徑，創(chuàng)新變化環(huán)境下基于氣陸耦合的水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)理論，發(fā)展降低控制不確定性的多尺度預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)和方法十分迫切。

2 項(xiàng)目總體目標(biāo)

項(xiàng)目通過(guò)水文物理實(shí)驗(yàn)、高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下的產(chǎn)匯流規(guī)律、天地一體多源數(shù)據(jù)融合同化、氣陸雙向耦合的降水與水文水資源模型、不確定性溯源與降低技術(shù)等系統(tǒng)研究，預(yù)期創(chuàng)新多尺度氣陸耦合的水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)理論和方法，建立多源數(shù)據(jù)融合同化及短中長(zhǎng)降水可利用度評(píng)估規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)，提出不確定性降低控制技術(shù)，研發(fā)新一代水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)警通用模型軟件平臺(tái)，延長(zhǎng)預(yù)報(bào)預(yù)見期10%以上，提高預(yù)報(bào)精度5%以上，并在我國(guó)南北不同典型示范區(qū)應(yīng)用與驗(yàn)證，提升我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)能力和最嚴(yán)格水資源管理科學(xué)水平，為國(guó)家和地區(qū)水資源智能調(diào)度與精細(xì)化管理提供重要科技支撐。

3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

圍繞國(guó)家重大需求，根據(jù)項(xiàng)目總體目標(biāo)，設(shè)置了六大研究?jī)?nèi)容。

（1）在水文水資源規(guī)律解析方面，建立基于物理實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的多要素融合同化技術(shù)理論體系，揭示不同區(qū)域多尺度水文水資源演變規(guī)律。

（2）在降水預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方面，改進(jìn)陸面過(guò)程參數(shù)化方案，提高降雨預(yù)測(cè)精度，研究短期降水預(yù)報(bào)和中長(zhǎng)期降水預(yù)測(cè)產(chǎn)品集成方法，探究隨降水預(yù)見期延長(zhǎng)誤差增長(zhǎng)規(guī)律。

（3）在水文預(yù)報(bào)理論與模型方面，發(fā)展水利工程群/水保工程群/地下水超采下產(chǎn)匯流機(jī)理與地表—土壤—地下水交互的耦合技術(shù)，建立氣陸耦合雙向反饋模式，構(gòu)建基于氣陸耦合的水文水資源模型系統(tǒng)。

（4）在中長(zhǎng)期水資源預(yù)方面，研究非一致性條件下基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的中長(zhǎng)期水資源預(yù)測(cè)模型，發(fā)展基于氣陸耦合的中長(zhǎng)期水資源預(yù)測(cè)理論與方法。

（5）在不確定性降低控制方面，發(fā)展水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的不確定性描述方法，建立集輸入—模型—參數(shù)多源不確定要素精細(xì)描述的概率預(yù)報(bào)方法，創(chuàng)新不確定性降低和控制技術(shù)及預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性評(píng)估方法。

（6）在云平臺(tái)集成與應(yīng)用方面，基于云虛擬化、分布式計(jì)算和軟件即服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)、算法和模型三層次的云虛擬化業(yè)務(wù)協(xié)同共享體系，在我國(guó)南北不同氣候區(qū)四個(gè)典型流域?qū)崿F(xiàn)多時(shí)空尺度水文水資源預(yù)報(bào)預(yù)警的泛在化服務(wù)。

4 項(xiàng)目預(yù)期效益

在社會(huì)效益方面，項(xiàng)目成果將創(chuàng)新變化環(huán)境下水文水資源機(jī)理、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)與不確定性控制理論方法，相關(guān)模型、技術(shù)和方法被國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)管理部門采用，提高行業(yè)整體技術(shù)水平和系統(tǒng)創(chuàng)新能力；培養(yǎng)有國(guó)內(nèi)外影響力的水文氣象科研人員和行業(yè)技術(shù)骨干，為國(guó)家高層次人才培養(yǎng)做出重要貢獻(xiàn)。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，項(xiàng)目成果將在我國(guó)不同氣候區(qū)典型流域上開展平臺(tái)示范集成和業(yè)務(wù)應(yīng)用，提升行業(yè)機(jī)構(gòu)水文預(yù)報(bào)和水資源預(yù)測(cè)能力，在防汛抗旱、應(yīng)急搶險(xiǎn)、水資源調(diào)度配置中發(fā)揮作用，為國(guó)家防總和流域機(jī)構(gòu)應(yīng)急指揮提供技術(shù)支撐，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

圖1 技術(shù)路線圖