我國(guó)流域水文氣象業(yè)務(wù)進(jìn)展回顧與展望

崔講學(xué) 王俊 田剛 楊文發(fā)

（1 湖北省氣象局，武漢 430074；2 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010；3 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074）

0 引言

水文氣象學(xué)是研究水圈與大氣圈界面上發(fā)生的物理現(xiàn)象、過(guò)程及其演變規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，是連接水文和氣象的交叉學(xué)科，主要研究水文循環(huán)、水量平衡變化密切相關(guān)的降水和蒸發(fā)的有關(guān)問(wèn)題，它既是應(yīng)用氣象學(xué)的一個(gè)分支，又是水文學(xué)的重要組成部分[1-5]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)水文氣象學(xué)的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用，早期多集中于防洪與灌溉，水文與氣象常常是密不可分的。獨(dú)立水文學(xué)是在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初期才逐漸形成的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，獨(dú)立氣象學(xué)的建立則是以1803年英國(guó)Luke Howard提出云分類(lèi)方法為標(biāo)志的。在陸地表面和大氣各自不同的領(lǐng)域里，水文學(xué)與氣象學(xué)開(kāi)始是分別研究水分循環(huán)系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)；而現(xiàn)代水文學(xué)和氣象學(xué)相結(jié)合，是20世紀(jì)30年代美國(guó)國(guó)家氣象局成立水文氣象處后開(kāi)始的，即尋求從氣象資料中推算最大可能降水和最大可能洪水，以滿(mǎn)足防洪建筑設(shè)計(jì)的需要[6]。隨著氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是1960年以后降水監(jiān)測(cè)水平有了很大提高，為降水短時(shí)預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)的結(jié)合創(chuàng)造了條件，水文氣象學(xué)得到了新的發(fā)展[7]。長(zhǎng)江水利委員會(huì)主任林一山于1954年倡導(dǎo)水文學(xué)與氣象學(xué)相結(jié)合開(kāi)展流域洪水預(yù)報(bào)方法，并首次于20世紀(jì)60年代初在全國(guó)首創(chuàng)水文氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。隨著長(zhǎng)江流域水文氣象業(yè)務(wù)實(shí)踐和防洪需要，1982年長(zhǎng)江水利委員會(huì)陳金榮等指出氣象預(yù)報(bào)同水文預(yù)報(bào)的結(jié)合，將為防洪和水庫(kù)調(diào)度等工作帶來(lái)巨大的優(yōu)越性和必要性，是水文預(yù)報(bào)發(fā)展的必然趨勢(shì)[8]。文中闡述的基本思想在水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)已有許多新的發(fā)展和進(jìn)步的今天仍然具有指導(dǎo)意義。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)信息、遙感、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、水文監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)等技術(shù)的不斷發(fā)展，基于遙感和數(shù)值預(yù)報(bào)天氣模式的降水預(yù)報(bào)技術(shù)與水文模型開(kāi)展多途徑的水文氣象耦合，從而實(shí)現(xiàn)不同預(yù)見(jiàn)期的水文水資源預(yù)報(bào)等正成為當(dāng)前水文氣象學(xué)在實(shí)踐業(yè)務(wù)中的重要應(yīng)用發(fā)展方向[9-14]。而云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的不斷應(yīng)用，也在為水文氣象學(xué)的發(fā)展注入新的內(nèi)涵[15-20]。

伴隨著水文氣象學(xué)的應(yīng)用發(fā)展歷程，其核心追求的一直是如何獲取精度高和預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)的流域洪水預(yù)報(bào)。而要達(dá)到此目的，需要拓展到研究大氣中水循環(huán)規(guī)律，分析預(yù)測(cè)大氣中未來(lái)要發(fā)生降水信息作為流域水文模型輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中流域面雨量作為水文預(yù)報(bào)主要的輸入因子，是水文氣象學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象，已成為各級(jí)政府和有關(guān)部門(mén)組織防汛抗洪、水庫(kù)調(diào)度以及山洪地質(zhì)災(zāi)害防治等決策的重要依據(jù)[21-27]。

1 中國(guó)流域水文氣象業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 概況

中國(guó)的水文事業(yè)基本上是在1949年以后才得到了迅速發(fā)展，并與氣象相結(jié)合，密切地服務(wù)于水利工程建設(shè)和江河防汛。例如在葛洲壩工程建設(shè)期間，由長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室（現(xiàn)長(zhǎng)江水利委員會(huì)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)江委）和葛洲壩工程局協(xié)同國(guó)家氣象局氣象科學(xué)研究院（現(xiàn)中國(guó)氣象科學(xué)研究院）、湖北省氣象局等十余個(gè)單位開(kāi)展了一系列葛洲壩工程截流施工期中、長(zhǎng)期水文氣象科研協(xié)作研究[28]。20世紀(jì)50年代末，長(zhǎng)江委在國(guó)內(nèi)水利行業(yè)率先建立了氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，并于1972年正式組建了長(zhǎng)期水文氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)。80年代后期，由中國(guó)氣象學(xué)會(huì)與中國(guó)水利學(xué)會(huì)聯(lián)合，在這兩個(gè)學(xué)會(huì)系統(tǒng)中，開(kāi)始成立了中國(guó)水文氣象交叉學(xué)科的專(zhuān)門(mén)委員會(huì)[29]。為保障三峽工程大江截流期施工的順利進(jìn)行，長(zhǎng)江委水文局于1997年4月15日起開(kāi)展了三峽截流施工期長(zhǎng)、中、短期水文氣象預(yù)報(bào)工作[30]。自2006年開(kāi)始，中國(guó)氣象局先后在七大流域建立流域氣象中心，長(zhǎng)江流域氣象中心也于2009年組建，成立了長(zhǎng)江流域氣象服務(wù)協(xié)調(diào)委員會(huì)，整合了流域氣象部門(mén)資源，形成了整體面向地方政府、流域管理機(jī)構(gòu)和水利水文部門(mén)開(kāi)展氣象服務(wù)的格局。從水文部門(mén)的角度來(lái)看，希望降水預(yù)報(bào)盡量要準(zhǔn)、預(yù)見(jiàn)期要長(zhǎng)；而從氣象部門(mén)的角度來(lái)看，希望氣象預(yù)報(bào)能在洪水預(yù)報(bào)中起到作用，更好地服務(wù)于水資源綜合管理。水文氣象的關(guān)注重點(diǎn)離不開(kāi)降水估測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用、洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)產(chǎn)品、業(yè)務(wù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。而國(guó)內(nèi)水文氣象業(yè)務(wù)側(cè)重面雨量預(yù)報(bào)方面，20世紀(jì)90年代開(kāi)始主要是集中于按水系分區(qū)的面雨量預(yù)報(bào)，21世紀(jì)后已經(jīng)開(kāi)始向更精細(xì)化的任意流域分區(qū)面雨量預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變。

1.2 氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在流域業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

定量降水估測(cè)與定量降水預(yù)報(bào)是精細(xì)化流域面雨量服務(wù)工作的基礎(chǔ)，也是洪澇及其次生災(zāi)害的預(yù)報(bào)基礎(chǔ)[29]。降水的產(chǎn)生過(guò)程和物理機(jī)制非常復(fù)雜，它是由一系列同時(shí)出現(xiàn)的，從微尺度到天氣尺度的不同尺度的復(fù)雜物理過(guò)程共同作用的結(jié)果，針對(duì)不同的預(yù)報(bào)時(shí)效，流域降水估測(cè)和預(yù)報(bào)采取的技術(shù)是不盡相同的。

1.2.1 降水監(jiān)測(cè)及估算

定量降水估測(cè)（QPE ）一直是國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)與水文學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其方法可以分為實(shí)況插值方法、回歸分析法以及遙感方法[23-25]。實(shí)況插值方法是基于有限雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)，根據(jù)不同的插值理論基礎(chǔ)可分為空間幾何插值法、函數(shù)插值法以及地理統(tǒng)計(jì)法；空間幾何插值法包括算術(shù)平均法、泰森多邊形法、反距離權(quán)重法等；函數(shù)插值法包括樣條插值法和最優(yōu)插值法等；地理統(tǒng)計(jì)方法則以Kriging法最具代表性。回歸分析法就是選出影響降水分布變化的因子，根據(jù)這些因子與降水量的關(guān)系，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上得到降水量的分布函數(shù)。遙感方法主要是利用測(cè)雨雷達(dá)、衛(wèi)星等遙感信息進(jìn)行降水量估算的方法。

目前實(shí)況插值方法中的泰森多邊形法和算術(shù)平均法在實(shí)際中應(yīng)用較廣泛，國(guó)家氣象中心進(jìn)行全國(guó)七大江河流域面雨量計(jì)算采用的是泰森多邊形法[31]。由于受觀測(cè)站密度、位置和空間代表的影響，實(shí)況插值方法、回歸分析法在使用過(guò)程中受到了諸多局限。而雷達(dá)等遙感估算降水有時(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)，近年來(lái)已成為降水估算研究的熱點(diǎn)，萬(wàn)玉發(fā)、尹忠海、李建通、張亞萍等研究表明其可明顯提高降水估算精度[32-36]。目前中國(guó)建成了由193部新一代多普勒天氣雷達(dá)組成的雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了6分鐘一次的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和拼圖聯(lián)網(wǎng)，利用雷達(dá)測(cè)雨估算代替實(shí)況插值的計(jì)算面雨量進(jìn)入水文預(yù)報(bào)模型已經(jīng)成為了可能。

1.2.2 基于雷達(dá)外推和與數(shù)值模式相融合的短時(shí)定量降水預(yù)報(bào)（QPF）

目前12 h以?xún)?nèi)的流域水文氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)主要還是直接采取數(shù)值模式定量降水預(yù)報(bào)的方法，但由于數(shù)值預(yù)報(bào)模式起轉(zhuǎn)問(wèn)題，最初的數(shù)小時(shí)模式預(yù)報(bào)與實(shí)況有很大差距，WMO當(dāng)前發(fā)展短時(shí)預(yù)報(bào)的共識(shí)是將臨近預(yù)報(bào)技術(shù)與數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行融合[37-39]。

針對(duì)0～2 h的定量降水預(yù)報(bào)，最早出現(xiàn)的臨近預(yù)報(bào)是基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的雷暴識(shí)別追蹤和外推預(yù)報(bào)，其技術(shù)方法可分為交叉相關(guān)法和單體質(zhì)心法兩類(lèi)，其中考慮面上外推的交叉相關(guān)法更加符合水文氣象的關(guān)注特點(diǎn)。有資料表明，通過(guò)使用光流法來(lái)改進(jìn)交叉相關(guān)法進(jìn)行雷達(dá)估測(cè)降水外推預(yù)報(bào)，在0～2 h可以得到較好的預(yù)報(bào)效果；針對(duì)3～6 h的定量降水預(yù)報(bào)，由于存在外推預(yù)報(bào)質(zhì)量快速下降和數(shù)值預(yù)報(bào)模式起轉(zhuǎn)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外目前多結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星和自動(dòng)站等高時(shí)空分辨觀測(cè)資料建立快速更新循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)的方法[37,40-43]。另外，北京、廣東、上海等省（市）還開(kāi)展了雷達(dá)回波外推臨近預(yù)報(bào)和高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)相融合的業(yè)務(wù)試驗(yàn)[44-47]。研究表明，對(duì)5 mm以上的降水，上述方法較直接使用數(shù)值預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)改進(jìn)效果是相當(dāng)顯著的；而6～12 h的預(yù)報(bào)多直接使用快速循環(huán)同化數(shù)值預(yù)報(bào)的方法。

1.2.3 基于數(shù)值模式的中短期（1～10d）定量降水預(yù)報(bào)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)水文氣象業(yè)務(wù)開(kāi)展1～10 d的定量降水預(yù)報(bào)，主要是基于數(shù)值模式，其中，預(yù)見(jiàn)期24～48 h內(nèi)的預(yù)報(bào)還結(jié)合天氣學(xué)方法進(jìn)行融合訂正，48 h以外隨著預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)，則更主要依賴(lài)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，目前國(guó)際上比較先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式有歐洲中期預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的全球模式，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的Eta模式、WRF模式，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國(guó)大氣研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式MM5以及日本全球模式、亞洲區(qū)域模式、日本區(qū)域模式等模式系統(tǒng)[44-48]。中國(guó)的數(shù)值預(yù)報(bào)研究始于20世紀(jì)70年代，多以引進(jìn)吸收國(guó)外模式為主[49-53]。中國(guó)自行研發(fā)的模式則以GRAPES為代表[54-55]。目前NWP 整體水平與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距。但中國(guó)QPF預(yù)報(bào)水平逐年提升、空間分辨率越來(lái)越高，有限區(qū)域細(xì)網(wǎng)格業(yè)務(wù)化模式網(wǎng)格距已達(dá)5 km左右。隨著氣象預(yù)報(bào)服務(wù)向精細(xì)化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)流域氣象或水文部門(mén)大多已建立了7 d以?xún)?nèi)數(shù)值模式與人工訂正相融合的定量降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，長(zhǎng)江流域則將定量降水常態(tài)化預(yù)報(bào)時(shí)效擴(kuò)展到了10 d。

1.2.4 延伸期降水預(yù)報(bào)

延伸期預(yù)報(bào)（一般為10～30 d）作為現(xiàn)有中期預(yù)報(bào)的延伸，銜接了現(xiàn)有天氣預(yù)報(bào)（≤10 d）和氣候預(yù)測(cè)（≥30 d）之間的時(shí)間縫隙，開(kāi)始受到了越來(lái)越多的關(guān)注。延伸期預(yù)報(bào)困難的原因在于其預(yù)報(bào)時(shí)效超越了確定性預(yù)報(bào)的理論上限（2周左右），而預(yù)報(bào)對(duì)象的時(shí)間尺度又小于氣候預(yù)測(cè)的月、季時(shí)間尺度[56-58]。目前，大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）、MJO（Madden-Julian Oscillation）、CGT（Circum Global Teleconnection）、SCGT（Southern Circum Global）等低頻信號(hào)是 10～30 d 延伸期天氣的主要可預(yù)報(bào)性來(lái)源，在此基礎(chǔ)上借助動(dòng)力模式（包含集合數(shù)值模式、可預(yù)報(bào)分量提取、相似-動(dòng)力、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)等方法）、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和大數(shù)據(jù)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)延伸期天氣的預(yù)報(bào)[59-73]。

隨著研究和實(shí)踐的深入，延伸期的降水預(yù)報(bào)從最初的降水趨勢(shì)預(yù)報(bào)逐漸向降水過(guò)程預(yù)報(bào)、逐日雨量預(yù)報(bào)發(fā)展[58,73-74]。針對(duì)長(zhǎng)江流域延伸期的降水預(yù)報(bào)，長(zhǎng)江水利委員會(huì)通過(guò)與高校合作研究，開(kāi)展了延伸期面雨量過(guò)程預(yù)報(bào)（一般為10～20 d）試驗(yàn)，并直接納入長(zhǎng)江防汛會(huì)商平臺(tái)供決策參考[75]。長(zhǎng)江流域氣象中心基于NCEP_CFSv2模式降尺度方法，L-J分型預(yù)報(bào)方法和MJO組合相似預(yù)報(bào)方法，開(kāi)展了長(zhǎng)江流域站點(diǎn)降水過(guò)程及延伸期逐日雨量集合預(yù)報(bào)研究并已相繼投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.2.5 基于氣候模式的旱澇趨勢(shì)預(yù)測(cè)

利用氣候模式開(kāi)展氣候預(yù)測(cè)，是當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家的主流和國(guó)際上的發(fā)展方向，目前主要是在動(dòng)力氣候模式輸出產(chǎn)品的基礎(chǔ)上采取統(tǒng)計(jì)降尺度方法、多模式集成、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合及集合概率預(yù)報(bào)等方法實(shí)現(xiàn)氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)[58,78-86]。通過(guò)模式后處理，基于動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法建立的動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)降水預(yù)測(cè)系統(tǒng)（FODAS），及基于模式降尺度和集合預(yù)報(bào)建立的多模式解釋?xiě)?yīng)用集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（MODES），目前已是中國(guó)氣象局氣候預(yù)測(cè)客觀化預(yù)測(cè)方法的主要組成，成為汛期降水預(yù)測(cè)的重要參考[87-88]。

長(zhǎng)江流域氣象中心為開(kāi)展長(zhǎng)江流域汛期旱澇趨勢(shì)以及三峽水庫(kù)安全蓄水的各關(guān)鍵期（蓄水期、供水期、消落期、汛期）趨勢(shì)預(yù)測(cè)，目前使用的方法主要包括：基于數(shù)值模式及解釋?xiě)?yīng)用方法中的動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法，多模式解釋?xiě)?yīng)用方法（EOF分析迭代、BP典型相關(guān)、奇異值分解、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），及算術(shù)平均、權(quán)重、區(qū)域最優(yōu)等多種定量預(yù)測(cè)結(jié)果集成方法。而常規(guī)物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法中的氣候特征相似合成法、要素變化趨勢(shì)分析法、突變檢驗(yàn)方法（M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)）、相關(guān)分析、正交函數(shù)分解方法、聚類(lèi)分析方法、小波分析方法、最優(yōu)子集法等多種方法，也已先后應(yīng)用于長(zhǎng)江流域月-季節(jié)-關(guān)鍵期降水趨勢(shì)及流域面雨量預(yù)測(cè)研究[89-91]。另外，長(zhǎng)江水利委員會(huì)也引進(jìn)區(qū)域氣候模式RegCM4，針對(duì)長(zhǎng)江流域的月、季時(shí)間尺度的降雨量來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)應(yīng)用探討[92]。

1.3 洪水預(yù)報(bào)技術(shù)在流域業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

洪水預(yù)報(bào)就是根據(jù)掌握的信息（測(cè)驗(yàn)或分析預(yù)測(cè)的信息）對(duì)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)洪水要素的狀態(tài)做出定量或定性的預(yù)測(cè)，是水文科學(xué)的重要組成部分，也是一項(xiàng)重要的防洪減災(zāi)非工程措施[1,93]。在人類(lèi)長(zhǎng)期與洪水災(zāi)害斗爭(zhēng)的客觀需求及推動(dòng)下，洪水預(yù)報(bào)科學(xué)日漸受到普遍的重視和關(guān)注，并逐步發(fā)展起來(lái)。中國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，在實(shí)際工作中，特別是流域防洪減災(zāi)中，洪水預(yù)報(bào)是調(diào)度決策的重要依據(jù)，能幫助人類(lèi)有效地防御洪水、減少洪災(zāi)損失、更好地控制和利用水資源，而發(fā)布的洪水預(yù)報(bào)將在很短的時(shí)間內(nèi)得到檢驗(yàn)和驗(yàn)證。因此，洪水預(yù)報(bào)是一項(xiàng)理論性強(qiáng)、應(yīng)用要求高的工作。

20世紀(jì)30—40年代，隨著Sherman單位線（1932年）、Horton均值包氣帶產(chǎn)流理論（1935年）、馬斯京根（Muskingum）洪水演算方法（1938年）等理論的提出及不斷成熟，為洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；20世紀(jì)50—60年代，研究人員逐步重視對(duì)水文現(xiàn)象物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為經(jīng)驗(yàn)性洪水預(yù)報(bào)方法和各種水文預(yù)報(bào)模型提供了理論基礎(chǔ)，這個(gè)時(shí)期通過(guò)學(xué)習(xí)、吸收原蘇聯(lián)和美國(guó)的洪水預(yù)報(bào)方法，奠定了中國(guó)洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)；20世紀(jì)70—80年代，流域水文模型的研究快速發(fā)展并取得了豐碩的成果，美國(guó)薩克拉門(mén)托（Sacramento）河流預(yù)報(bào)中心模型、日本水箱（TANK）模型、意大利約束系統(tǒng)（CLS）模型和中國(guó)趙人俊教授等研制的新安江模型均是其中的杰出代表；20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、RS、GIS等技術(shù)在水文科學(xué)的應(yīng)用及數(shù)值降雨預(yù)報(bào)模式、陸面模式、分布式水文模型的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在洪水預(yù)報(bào)模型和方法的研究及應(yīng)用中取得了顯著的進(jìn)展[94-101]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著相關(guān)理論和技術(shù)的不斷進(jìn)步，洪水預(yù)報(bào)將步入立足于傳統(tǒng)方法與基于下墊面地理信息的分布式流域水文模擬相結(jié)合，水文學(xué)與水利學(xué)相結(jié)合，水文氣象預(yù)報(bào)耦合的洪水預(yù)報(bào)階段[102]。

1.4 水文氣象耦合技術(shù)在流域業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式與流域水文模型在時(shí)空分辨率上存在的差異，制約了天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。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，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始從“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)展數(shù)值天氣模式與流域水文模型的尺度匹配方法研究：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)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)縮小天氣模式與水文模型網(wǎng)格尺度的差異，發(fā)展實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中水文氣象耦合的降尺度技術(shù)，為流域水文氣象耦合預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)[103-105]。

1.4.1 雷達(dá)定量降水估算與洪水預(yù)報(bào)的耦合

為了將雷達(dá)測(cè)雨資料用于洪水預(yù)報(bào)預(yù)警，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼展開(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)國(guó)家氣象局河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NWSRFS）中。英國(guó)氣象局開(kāi)發(fā)的水文雷達(dá)系統(tǒng)（HYRAD）和河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)（RFFS）共同組成了實(shí)時(shí)降水與河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)，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)以及水文預(yù)報(bào)的研究成果，目前RFFS與HYRAD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[8]。國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者也開(kāi)始了定量降水估算和洪水預(yù)報(bào)耦合技術(shù)的研究探討，研究表明應(yīng)用天氣雷達(dá)估算降雨技術(shù)來(lái)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)，能有效提高水文模型的模擬精度[9-14]。

1.4.2 模式預(yù)報(bào)降水與洪水預(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)已成為暴雨預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)和定量的關(guān)鍵手段，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)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)。對(duì)于預(yù)見(jiàn)期降雨與洪水預(yù)報(bào)耦合的研究，水利部、中國(guó)氣象局、武漢大學(xué)等以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已開(kāi)展過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和研究，結(jié)果表明：相對(duì)于未考慮預(yù)見(jiàn)期降雨，考慮預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果提高具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能有效延長(zhǎng)水文預(yù)見(jiàn)期，提高水文預(yù)報(bào)精度；將降水集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品引入水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域，則進(jìn)一步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(mǎn)足防洪減災(zāi)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)信息的需求[22,26-27,105-109]。

1.5 水文氣象服務(wù)

目前中國(guó)境內(nèi)的水文氣象服務(wù)主要包括兩類(lèi)：一是面向流域管理機(jī)構(gòu)和地方政府的決策服務(wù)，重點(diǎn)圍繞大江大河防汛抗旱、山洪地質(zhì)災(zāi)害中小河流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；二是面向水利水電工程的水資源優(yōu)化調(diào)度專(zhuān)業(yè)服務(wù)。

大江大河的防汛抗旱，在各地流域氣象中心成立之前，氣象部門(mén)尚未建立規(guī)范性的業(yè)務(wù)服務(wù)產(chǎn)品和相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通常是在與水利部門(mén)會(huì)商時(shí)提供的臨時(shí)性服務(wù)，與其他決策服務(wù)沒(méi)有不同。近年來(lái)，隨著流域業(yè)務(wù)的逐步規(guī)范，氣象部門(mén)開(kāi)始向流域管理機(jī)構(gòu)和地方政府常態(tài)提供流域天氣公報(bào)、流域重要?dú)庀髨?bào)告、流域雨情快報(bào)、流域氣候影響評(píng)價(jià)等服務(wù)產(chǎn)品，并逐步建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)平臺(tái)。以長(zhǎng)江流域氣象中心為例，目前可提供長(zhǎng)江流域21000多個(gè)國(guó)家以及區(qū)域氣象站觀測(cè)資料的共享和58部多普勒雷達(dá)的聯(lián)合拼圖，其提供的數(shù)值模式與人工訂正融合的降水格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品空間分辨率達(dá)到10 km，48 h內(nèi)時(shí)間分辨率達(dá)到3 h，預(yù)報(bào)時(shí)效達(dá)到10 d。并在中國(guó)氣象局的組織下，開(kāi)發(fā)了集監(jiān)測(cè)報(bào)警、預(yù)報(bào)訂正、制作發(fā)布、檢驗(yàn)評(píng)估為一體，能提供水雨情監(jiān)測(cè)、定量降水估算、流域氣候監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、上游洪水評(píng)估等多類(lèi)業(yè)務(wù)產(chǎn)品制作與共享的長(zhǎng)江流域氣象服務(wù)綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)，現(xiàn)已在全國(guó)各流域氣象中心推廣應(yīng)用[110-111]。而實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用多集中于水利部門(mén)，日本、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等從20世紀(jì)50年代起，相繼在本國(guó)的河流研制出具有自動(dòng)化洪水預(yù)報(bào)、自動(dòng)警報(bào)功能的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。目前中國(guó)開(kāi)發(fā)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)以水利部水文局開(kāi)發(fā)的“中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CNFFS）”和長(zhǎng)江委水文局開(kāi)發(fā)的“WIS水文預(yù)報(bào)平臺(tái)（WISHFS）”為代表，其中中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)為依托，以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，能方便地構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案，具有標(biāo)準(zhǔn)的、通用的預(yù)報(bào)模型方法庫(kù)，可任意選擇多模型、多方法制定預(yù)報(bào)方案，具有人工和自動(dòng)優(yōu)選結(jié)合的模型率定功能，具有定時(shí)預(yù)報(bào)和人機(jī)交互預(yù)報(bào)功能，可干預(yù)任何信息源和預(yù)報(bào)過(guò)程，具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等，已在25個(gè)流域機(jī)構(gòu)和省（市、區(qū)）的水文部門(mén)推廣應(yīng)用[95]。國(guó)家氣象中心、長(zhǎng)江流域氣象中心等國(guó)內(nèi)氣象部門(mén)，也開(kāi)展了水文預(yù)報(bào)模型和水文氣象耦合的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)，長(zhǎng)江流域水文氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等已開(kāi)始試驗(yàn)性運(yùn)行，這些系統(tǒng)多基于定量降雨估算（QPE）、定量降雨預(yù)報(bào)（QPF）、集合降水預(yù)報(bào)技術(shù)，并結(jié)合流域雷達(dá)定量降水估算、流域精細(xì)化面雨量預(yù)報(bào)、中尺度暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)、流域洪澇預(yù)估模型來(lái)建設(shè)[112]。

山洪地質(zhì)災(zāi)害、中小河流洪水和城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，在中國(guó)氣象局的組織下，自2011年起進(jìn)行試驗(yàn)探索，到目前已經(jīng)建立了較為完善的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)方法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)普查、監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、產(chǎn)品檢驗(yàn)、效益評(píng)估進(jìn)行了規(guī)范，明確了省市縣業(yè)務(wù)分工和業(yè)務(wù)流程，規(guī)范了風(fēng)險(xiǎn)服務(wù)產(chǎn)品，建立了以SWAN為代表的一體化平臺(tái)[113-114]。

水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)，重點(diǎn)針對(duì)流域防洪度汛、發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、船閘安全通航、工程安全生產(chǎn)，支持工程效益的最大化發(fā)揮。需要提供流域年度旱澇趨勢(shì)預(yù)測(cè)、流域關(guān)鍵期定量降水預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、流域中短期精細(xì)化降水預(yù)報(bào)等信息，為年度、關(guān)鍵期調(diào)度方案和運(yùn)行計(jì)劃編制、調(diào)整以及實(shí)時(shí)工程調(diào)度優(yōu)化利用洪水資源提供支持；提供實(shí)時(shí)氣象信息保障，支持流域水資源調(diào)度合理運(yùn)用氣象預(yù)報(bào)；提供水利水電工程壩區(qū)及周邊災(zāi)害性天氣預(yù)警，支持工程調(diào)度、發(fā)電、通航等安全生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)比較成熟的流域服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)有長(zhǎng)江流域氣象中心為三峽梯調(diào)通信中心氣象臺(tái)提供的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其為具備氣象預(yù)報(bào)能力的單位應(yīng)用氣象數(shù)據(jù)開(kāi)展水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供了范例[110-111]。而興山古洞口水電站氣象水文信息遙測(cè)及水庫(kù)防洪調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)，涵蓋小流域范圍的水文氣象監(jiān)測(cè)、降水預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)各個(gè)環(huán)節(jié)，則為小水電應(yīng)用水文氣象技術(shù)科學(xué)優(yōu)化調(diào)度提供了全套解決方案[115]。

2 未來(lái)流域水文氣象業(yè)務(wù)發(fā)展展望

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提升，面向流域的水文氣象學(xué)科發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域需求在不斷擴(kuò)展延伸，要求以當(dāng)前防汛抗旱和水庫(kù)調(diào)度為主的流域氣象服務(wù)向更加準(zhǔn)確和精細(xì)方向發(fā)展[116]，要求水資源優(yōu)化調(diào)度回應(yīng)多部門(mén)、多行業(yè)對(duì)防汛、發(fā)電、通航、生態(tài)等的不同關(guān)切，而移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器智能學(xué)習(xí)、虛擬可視化等信息新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，也要求水資源的開(kāi)發(fā)利用要應(yīng)用信息化技術(shù)進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新、信息共享、行業(yè)融合，為水資源的優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。2017年，國(guó)家已針對(duì)長(zhǎng)江流域各方需求出臺(tái)了梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度專(zhuān)項(xiàng)工作實(shí)施方案，水資源調(diào)度初步形成了多方兼顧、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、聯(lián)合創(chuàng)新的發(fā)展態(tài)勢(shì)[117]。因此，未來(lái)流域水文氣象應(yīng)用服務(wù)的發(fā)展，應(yīng)著重在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究：

1）應(yīng)用新技術(shù)開(kāi)展行業(yè)數(shù)據(jù)的匯集共享

充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，通過(guò)國(guó)家政府規(guī)劃建設(shè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一開(kāi)放平臺(tái)，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)強(qiáng)化行業(yè)之間、部門(mén)之間的信息互聯(lián)互通，將流域內(nèi)不同層級(jí)、不同行政區(qū)域涉及的監(jiān)測(cè)信息資源、產(chǎn)品信息資源共同分享及利用，實(shí)現(xiàn)氣象、水情水文氣象數(shù)據(jù)和與優(yōu)化調(diào)度相關(guān)的航運(yùn)、電力等行業(yè)數(shù)據(jù)的信息共享共用。

2）加強(qiáng)氣象預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)集成耦合的技術(shù)研究

以提高預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期為目標(biāo)，發(fā)展水文氣象核心技術(shù)。綜合應(yīng)用短時(shí)臨近預(yù)警技術(shù)、格點(diǎn)預(yù)報(bào)技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模式、集合預(yù)報(bào)的最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)外推、數(shù)值預(yù)報(bào)與人工訂正的有效融合，建立以面向任意分區(qū)、格點(diǎn)預(yù)報(bào)為主的流域精細(xì)化定量降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)；進(jìn)一步研發(fā)用于實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)的分布式、概念性水文模型，耦合 QPE/QPF技術(shù)和確定性水文模型，建立水文氣象耦合模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)，開(kāi)展水文概率預(yù)報(bào)研究；強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，嘗試應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)完善或重構(gòu)水文氣象預(yù)報(bào)模型、指標(biāo)閾值等預(yù)報(bào)理論，通過(guò)圖像識(shí)別、聚類(lèi)分析等大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)預(yù)報(bào)理論進(jìn)行數(shù)字化處理，并利用機(jī)器自學(xué)習(xí)技術(shù)的反饋優(yōu)化形成全新智能預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3）構(gòu)建水旱災(zāi)害的智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警及雨洪資源應(yīng)用氣象輔助決策平臺(tái)，推進(jìn)水利、氣象等多部門(mén)的業(yè)務(wù)融合，結(jié)合防汛、發(fā)電、通航、生態(tài)等需求，深入挖掘行業(yè)共享數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力，圍繞防汛抗旱、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)，分類(lèi)建立水旱災(zāi)害應(yīng)對(duì)和雨洪資源調(diào)度應(yīng)用氣象輔助決策平臺(tái)，為出行行程、生產(chǎn)調(diào)度和防災(zāi)減災(zāi)資源調(diào)配提供智能可選、影響預(yù)估的氣象輔助決策建議。