氣象水文耦合的洪水預報探究

宋壘

【摘要】傳統(tǒng)的洪水預報以“落地雨”為預報基礎(chǔ)，預見期非常有限，這不僅增加了洪水預報的不確定性、削弱了預報的及時性，也降低了可獲得的效益。因此在確保洪水預報精度的前提下，延長洪水預見期已成為防洪減災(zāi)、興利調(diào)度措施中一個非常重要的研究課題?；谒臍庀篑詈系暮樗A報、洪水實時預報系統(tǒng)的研發(fā)等正成為當前流域暴雨洪水預報技術(shù)研究和發(fā)展的方向。本文主要對氣象水文耦合的洪水預報進行分析探討。

【關(guān)鍵詞】氣象水文耦合；洪水預報

1、前言

洪水是給人民群眾帶來生命財產(chǎn)損失最常見和危害最大的自然災(zāi)害之一，威脅國民經(jīng)濟與社會發(fā)展。洪水預報是為了預先獲得洪水發(fā)生發(fā)展過程，根據(jù)洪水形成機理與運動規(guī)律，利用氣象、水文等信息，預報預測洪水發(fā)生與變化過程的技術(shù)方法，并作為一項重要的防洪非工程措施，是減少洪水損失的最重要手段和方法之一。

2、流域水文氣象耦合關(guān)鍵技術(shù)

2.1流域水文氣象耦合的降水降尺度技術(shù)

數(shù)值天氣預報模式與流域水文模型在時間空間分辨率存在的差異制約了天氣預報模式預報結(jié)果在水文預報中應(yīng)用的進一步發(fā)展。立足于在水文預報中充分有效地利用天氣預報及氣象信息這一目的，建立定量降水估算、定量降水預報（QPE/QPF）與水文模型（HM）之間的結(jié)合，其首要任務(wù)就是解決降水信息場與水文模型時間和空間尺度上的匹配問題，縮小兩者的尺度差異，尋找水文氣象結(jié)合的契機。目前這方面的研究工作目前已開始得到了相關(guān)學者的重視。

為了有效地提高定量降水估算預報產(chǎn)品在水文預報中的應(yīng)用，武漢暴雨所等單位從“雷達資料同化+模式嵌套+高分辨的區(qū)域數(shù)值模式+動力釋用技術(shù)”的角度全面、系統(tǒng)地開展降尺度方法研究：在觀測降水上基于新一代多普勒雷達探測技術(shù)和雨量計實測資料，采用卡爾曼濾波、最優(yōu)插值、變分、統(tǒng)計權(quán)重等多種校正方法，研發(fā)了高分辨的定量降水估算校正新技術(shù)；在數(shù)值模式預報降水上通過資料同化、模式嵌套、動力釋用等技術(shù)縮小了天氣模式與水文模型網(wǎng)格尺度的差異，建立了華中區(qū)域精細化數(shù)值預報系統(tǒng)，發(fā)展了實時洪水預報中水文氣象耦合的降尺度技術(shù)。

2.2雷達定量降水估算（QPE）與洪水預報的耦合

確切地掌握降雨量的空間分布，是使用分布式水文模型的重要先決條件。雷達測雨可直接測得降雨的空間分布，提供流域或區(qū)域的面雨量，并具有實時跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。雷達估算降水有時空分辨率高的優(yōu)點，可以比較客觀地反映降水量相對大小的分布趨勢。

為了將雷達測雨資料用于洪水預報預警，國外學者首先展開了相關(guān)研究。如美國已經(jīng)建立了由多探測器降水估算技術(shù)和人機交互雨量訂正技術(shù)共同構(gòu)成的定量估算降水業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，并和水文預報模型結(jié)合，應(yīng)用在山洪指導系統(tǒng)（FFGS）和美國天氣局河流預報系統(tǒng)（NWSRFS）中。英國氣象局開發(fā)了雷達資料實時處理和多部雷達聯(lián)網(wǎng)工作，實現(xiàn)資料的實時質(zhì)量控制，結(jié)合雷達和衛(wèi)星資料，進行了氣象和水文服務(wù)的短時定量降水預報，利用水文雷達系統(tǒng)（HYRAD）集成了雷達-雨量計估算面雨量和流域雷達降水預報的研究成果，用實時雷達和雨量計資料計算流域面雨量并進行未來兩小時的流域面平均雨量預報，將計算和預報數(shù)據(jù)以時間序列的形式存入RFFS數(shù)據(jù)庫用于河流預報。RFFS與HYRAD共同組成了實時降水與河流預報系統(tǒng)，目前已經(jīng)在泰晤士流域等幾個洪水預報警報中心進行日常業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.3模式預報降水（QPF）與洪水預報的耦合

預見期內(nèi)的降水量直接影響著洪水預報的精度，預見期愈長，預見期內(nèi)的降雨對預報值影響愈大，為此預見期內(nèi)的降雨與洪水預報耦合技術(shù)也逐步受到了廣大水文和氣象科技工作者的關(guān)注。目前隨著數(shù)值預報理論與方法的飛躍發(fā)展，數(shù)值預報現(xiàn)正成為暴雨預報實現(xiàn)定點、定時和定量的科學手段，為水文模型預見期降水的預報提供了強有力的支撐。

目前定量降水預報（QPF）應(yīng)用于水文預報模型是被水文氣象學界普遍認同的發(fā)展方向之一，也是目前研究的熱點難點。開展了定量降水預報及其集合預報產(chǎn)品與水文預報耦合的預報試驗，結(jié)果表明考慮預見期內(nèi)的降雨相對于未考慮預見期降雨對洪水預報結(jié)果提高具有明顯的優(yōu)勢，能延長水文預見期，提高水文預報精度，約40%；將降水集合預報產(chǎn)品引入水文預報領(lǐng)域，拓展了水文不確定性預報的新方法，能將單一的確定性預報轉(zhuǎn)化為可能發(fā)生范圍的預報，獲取更多的水文預報信息，提高了水文預報結(jié)果的可靠性，能更好地滿足防洪減災(zāi)對風險信息的需求。

3、結(jié)語

暴雨洪澇災(zāi)害一直是威脅人類生存和發(fā)展的最嚴重的自然災(zāi)害之一。然而當前客觀條件正在悄然發(fā)生一些變化，如新一代天氣雷達網(wǎng)的建成、雷達衛(wèi)星估算降雨技術(shù)的發(fā)展腳步加快、定量降雨預報準確率的不斷提高、水文模型構(gòu)建技術(shù)的不斷創(chuàng)新、地理信息技術(shù)的逐漸成熟、網(wǎng)絡(luò)通信與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展等，都給我國洪水預警預報技術(shù)發(fā)展提供了一個很強實的基礎(chǔ)和發(fā)展機遇，但是同時也面臨著問題與挑戰(zhàn)。

大氣水文模式的發(fā)展和相互耦合與衛(wèi)星遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)字高程模型（DEM）、計算機科學和優(yōu)化技術(shù)等的快速發(fā)展密不可分。利用RS可提供大范圍的、較高時空分辨率的地質(zhì)、地貌、植被、土壤類型、土地利用等下墊面信息，GIS是大氣水文耦合模式利用和管理各種空間分布數(shù)據(jù)的必要工具；四維數(shù)據(jù)同化法體現(xiàn)了模型與觀測的集成，在理論上可探討與模型、觀測和誤差估計等有關(guān)的一系列基本科學問題，在實踐上可為耦合模型提供高質(zhì)量的初始場和驅(qū)動數(shù)據(jù)庫；耦合模式運行需強大的計算機硬件支持，而并行計算、優(yōu)化技術(shù)等的使用可顯著提高計算速度、增強數(shù)值計算的穩(wěn)定性；此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展可能創(chuàng)建真正意義上的水文虛擬空間，將此技術(shù)與大氣水文耦合模式結(jié)合，對開展流域水情的實時監(jiān)控及進行水資源的動態(tài)管理和調(diào)度具有重要應(yīng)用價值。

參考文獻：

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