宋壘
【摘要】傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)以“落地雨”為預(yù)報(bào)基礎(chǔ),預(yù)見(jiàn)期非常有限,這不僅增加了洪水預(yù)報(bào)的不確定性、削弱了預(yù)報(bào)的及時(shí)性,也降低了可獲得的效益。因此在確保洪水預(yù)報(bào)精度的前提下,延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期已成為防洪減災(zāi)、興利調(diào)度措施中一個(gè)非常重要的研究課題。基于水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)、洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)等正成為當(dāng)前流域暴雨洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研究和發(fā)展的方向。本文主要對(duì)氣象水文耦合的洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行分析探討。
【關(guān)鍵詞】氣象水文耦合;洪水預(yù)報(bào)
1、前言
洪水是給人民群眾帶來(lái)生命財(cái)產(chǎn)損失最常見(jiàn)和危害最大的自然災(zāi)害之一,威脅國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。洪水預(yù)報(bào)是為了預(yù)先獲得洪水發(fā)生發(fā)展過(guò)程,根據(jù)洪水形成機(jī)理與運(yùn)動(dòng)規(guī)律,利用氣象、水文等信息,預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)洪水發(fā)生與變化過(guò)程的技術(shù)方法,并作為一項(xiàng)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(yù)報(bào)模式與流域水文模型在時(shí)間空間分辨率存在的差異制約了天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)結(jié)果在水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。立足于在水文預(yù)報(bào)中充分有效地利用天氣預(yù)報(bào)及氣象信息這一目的,建立定量降水估算、定量降水預(yù)報(bào)(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(chǎng)與水文模型時(shí)間和空間尺度上的匹配問(wèn)題,縮小兩者的尺度差異,尋找水文氣象結(jié)合的契機(jī)。目前這方面的研究工作目前已開(kāi)始得到了相關(guān)學(xué)者的重視。
為了有效地提高定量降水估算預(yù)報(bào)產(chǎn)品在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,武漢暴雨所等單位從“雷達(dá)資料同化+模式嵌套+高分辨的區(qū)域數(shù)值模式+動(dòng)力釋用技術(shù)”的角度全面、系統(tǒng)地開(kāi)展降尺度方法研究:在觀測(cè)降水上基于新一代多普勒雷達(dá)探測(cè)技術(shù)和雨量計(jì)實(shí)測(cè)資料,采用卡爾曼濾波、最優(yōu)插值、變分、統(tǒng)計(jì)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(yù)報(bào)降水上通過(guò)資料同化、模式嵌套、動(dòng)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(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),發(fā)展了實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中水文氣象耦合的降尺度技術(shù)。
2.2雷達(dá)定量降水估算(QPE)與洪水預(yù)報(bào)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(dá)測(cè)雨可直接測(cè)得降雨的空間分布,提供流域或區(qū)域的面雨量,并具有實(shí)時(shí)跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。雷達(dá)估算降水有時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn),可以比較客觀地反映降水量相對(duì)大小的分布趨勢(shì)。
為了將雷達(dá)測(cè)雨資料用于洪水預(yù)報(bào)預(yù)警,國(guó)外學(xué)者首先展開(kāi)了相關(guān)研究。如美國(guó)已經(jīng)建立了由多探測(cè)器降水估算技術(shù)和人機(jī)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(yù)報(bào)模型結(jié)合,應(yīng)用在山洪指導(dǎo)系統(tǒng)(FFGS)和美國(guó)天氣局河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NWSRFS)中。英國(guó)氣象局開(kāi)發(fā)了雷達(dá)資料實(shí)時(shí)處理和多部雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)工作,實(shí)現(xiàn)資料的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制,結(jié)合雷達(dá)和衛(wèi)星資料,進(jìn)行了氣象和水文服務(wù)的短時(shí)定量降水預(yù)報(bào),利用水文雷達(dá)系統(tǒng)(HYRAD)集成了雷達(dá)-雨量計(jì)估算面雨量和流域雷達(dá)降水預(yù)報(bào)的研究成果,用實(shí)時(shí)雷達(dá)和雨量計(jì)資料計(jì)算流域面雨量并進(jìn)行未來(lái)兩小時(shí)的流域面平均雨量預(yù)報(bào),將計(jì)算和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以時(shí)間序列的形式存入RFFS數(shù)據(jù)庫(kù)用于河流預(yù)報(bào)。RFFS與HYRAD共同組成了實(shí)時(shí)降水與河流預(yù)報(bào)系統(tǒng),目前已經(jīng)在泰晤士流域等幾個(gè)洪水預(yù)報(bào)警報(bào)中心進(jìn)行日常業(yè)務(wù)應(yīng)用。
2.3模式預(yù)報(bào)降水(QPF)與洪水預(yù)報(bào)的耦合
預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降水量直接影響著洪水預(yù)報(bào)的精度,預(yù)見(jiàn)期愈長(zhǎng),預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨對(duì)預(yù)報(bào)值影響愈大,為此預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨與洪水預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)理論與方法的飛躍發(fā)展,數(shù)值預(yù)報(bào)現(xiàn)正成為暴雨預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)和定量的科學(xué)手段,為水文模型預(yù)見(jiàn)期降水的預(yù)報(bào)提供了強(qiáng)有力的支撐。
目前定量降水預(yù)報(bào)(QPF)應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)模型是被水文氣象學(xué)界普遍認(rèn)同的發(fā)展方向之一,也是目前研究的熱點(diǎn)難點(diǎn)。開(kāi)展了定量降水預(yù)報(bào)及其集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品與水文預(yù)報(bào)耦合的預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明考慮預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨相對(duì)于未考慮預(yù)見(jiàn)期降雨對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果提高具有明顯的優(yōu)勢(shì),能延長(zhǎng)水文預(yù)見(jiàn)期,提高水文預(yù)報(bào)精度,約40%;將降水集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品引入水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域,拓展了水文不確定性預(yù)報(bào)的新方法,能將單一的確定性預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為可能發(fā)生范圍的預(yù)報(bào),獲取更多的水文預(yù)報(bào)信息,提高了水文預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性,能更好地滿足防洪減災(zāi)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)信息的需求。
3、結(jié)語(yǔ)
暴雨洪澇災(zāi)害一直是威脅人類(lèi)生存和發(fā)展的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。然而當(dāng)前客觀條件正在悄然發(fā)生一些變化,如新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建成、雷達(dá)衛(wèi)星估算降雨技術(shù)的發(fā)展腳步加快、定量降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展等,都給我國(guó)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)很強(qiáng)實(shí)的基礎(chǔ)和發(fā)展機(jī)遇,但是同時(shí)也面臨著問(wèn)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(jì)算機(jī)科學(xué)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(shí)空分辨率的地質(zhì)、地貌、植被、土壤類(lèi)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(cè)的集成,在理論上可探討與模型、觀測(cè)和誤差估計(jì)等有關(guān)的一系列基本科學(xué)問(wèn)題,在實(shí)踐上可為耦合模型提供高質(zhì)量的初始場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù);耦合模式運(yùn)行需強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件支持,而并行計(jì)算、優(yōu)化技術(shù)等的使用可顯著提高計(jì)算速度、增強(qiáng)數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性;此外,虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)開(kāi)展流域水情的實(shí)時(shí)監(jiān)控及進(jìn)行水資源的動(dòng)態(tài)管理和調(diào)度具有重要應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1]彭濤,張利平,沈鐵元,等.現(xiàn)代水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)研究進(jìn)展.人民黃河,2010,32(9):29-32.
[2]萬(wàn)玉發(fā),吳翠紅,金鴻祥.基于準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本概念雷達(dá)和雨量計(jì)的實(shí)時(shí)同步結(jié)合方法.氣象學(xué)報(bào),2008,66(1):262-273.