數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)洪水預(yù)報(bào)的啟示

芮孝芳

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

20世紀(jì)90年代，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率較低，一位基層水文站的工作人員每天根據(jù)廣播電臺(tái)播送的天氣預(yù)報(bào)作預(yù)報(bào)：如果廣播報(bào)明天是晴天，他就報(bào)明天是陰雨天；反之，如果廣播報(bào)明天是陰雨天，他就報(bào)明天是晴天。1年后發(fā)現(xiàn)廣播發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)與他發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均在50%左右。這個(gè)故事雖帶有幽默色彩，也可能比較片面，但基本上反映了當(dāng)時(shí)降水預(yù)報(bào)的狀況，當(dāng)時(shí)降水預(yù)報(bào)的精度不及洪水預(yù)報(bào)精度。近30年過去了，人們發(fā)現(xiàn)降水預(yù)報(bào)的精度有了明顯的提高，這主要得益于氣象觀測(cè)技術(shù)的提升和觀測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步精細(xì)，以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論和方法的日趨成熟。但洪水預(yù)報(bào)的進(jìn)步卻不甚明顯，例如，已經(jīng)盛行了近半個(gè)世紀(jì)的流域水文模型對(duì)洪水預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)就不如大氣模式對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)。水文預(yù)報(bào)再也不能“坐井觀天”了，應(yīng)先從水文預(yù)報(bào)中“跳”出來，從天氣預(yù)報(bào)的長(zhǎng)足進(jìn)步中吸取經(jīng)驗(yàn)，審視不足，然后再作改進(jìn)。

筆者嘗試通過對(duì)預(yù)報(bào)的科學(xué)依據(jù)、預(yù)報(bào)方法和預(yù)見期、初始場(chǎng)和邊值場(chǎng)、數(shù)據(jù)同化和數(shù)據(jù)融合等問題的論述，尋找洪水預(yù)報(bào)精度與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度的差距原因，試圖為洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展注入新動(dòng)力。

1 預(yù)報(bào)的科學(xué)依據(jù)

天氣變化是天氣形勢(shì)變化和氣象要素變化的總稱[1]。天氣形勢(shì)是指高壓、低壓、槽脊、鋒面、對(duì)流等天氣系統(tǒng)的生成、移動(dòng)、發(fā)展和消亡。氣象要素是指描述氣溫、濕度、風(fēng)、云、降水、霧霾等天氣現(xiàn)象的物理量。天氣形勢(shì)變化導(dǎo)致了氣象要素變化。根據(jù)一定范圍內(nèi)現(xiàn)時(shí)或過往的天氣形勢(shì)對(duì)一地的未來天氣形勢(shì)及氣象要素做出預(yù)先告知，或者根據(jù)與天氣形勢(shì)或氣象要素有成因關(guān)系的先兆因子對(duì)未來的天氣形勢(shì)或氣象要素做出預(yù)先告知，稱為天氣預(yù)報(bào)。天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)是氣象要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，降水預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)中最重要的預(yù)報(bào)之一。

水文變化雖然也可區(qū)分為水文情勢(shì)變化和水文要素變化[2],但由于水文要素一般只是定量描述水文情勢(shì)的物理量，不像天氣形勢(shì)與氣象要素那樣具有物理意義上的因果關(guān)系。因此，水文情勢(shì)變化、水文要素變化和水文變化一般是同義的。例如：水情就是指水位、流量等的變化，沙情就是指含沙量、輸沙率等的變化，墑情就是指土壤含水率的變化，冰情就是指冰厚、流凌等的變化，質(zhì)情(水質(zhì)狀況)就是指污染物濃度、水質(zhì)等級(jí)等的變化。氣象要素的變化，以及下墊面和人類活動(dòng)的作用是導(dǎo)致這些變化的原因。根據(jù)現(xiàn)時(shí)或前期出現(xiàn)的水文要素、氣象條件、下墊面狀況和人類活動(dòng)，對(duì)其未來做出預(yù)先告知，或者根據(jù)與水文要素有成因關(guān)系的先兆因子，對(duì)其作出預(yù)先告知，稱為水文預(yù)報(bào)。洪水預(yù)報(bào)無疑是水文預(yù)報(bào)中最重要的預(yù)報(bào)之一。

預(yù)報(bào)必須遵循預(yù)報(bào)對(duì)象所服從的科學(xué)規(guī)律，這些科學(xué)規(guī)律可以是普適性的物理定律，也可以是該領(lǐng)域的本構(gòu)關(guān)系。

天氣預(yù)報(bào)依據(jù)的科學(xué)規(guī)律主要是大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和大氣熱量及攜帶物質(zhì)的輸移、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化規(guī)律。大氣是連續(xù)介質(zhì)，因此利用連續(xù)性方程、動(dòng)力方程、熱力學(xué)方程、氣體狀態(tài)方程、水汽方程、擴(kuò)散方程等的耦合就能描寫天氣系統(tǒng)的氣壓變化、溫度變化、凝結(jié)和蒸發(fā)、降水形成、PM2.5濃度變化等。

水文預(yù)報(bào)依據(jù)的科學(xué)規(guī)律比較多元[2]。河流、湖泊、水庫(kù)中發(fā)生的水流屬于連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，可用St.Venant方程組來描寫其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。飽和土壤和非飽和土壤中的水流，屬于多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的水流，應(yīng)用滲流力學(xué)的連續(xù)性方程和飽和或非飽和Darcy定律來描寫其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。坡面上形成的凈雨滴向河道的匯集似乎既不屬于連續(xù)介質(zhì)水流，也不屬于多孔介質(zhì)水流，就單個(gè)凈雨滴而言，其運(yùn)動(dòng)受牛頓力學(xué)定律的支配，但無窮多個(gè)凈雨滴從坡面各處向河道匯集的“集體表現(xiàn)”就不服從牛頓力學(xué)定律了，這時(shí)或許應(yīng)借助于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論和方法來處理。如果凈雨滴在匯集過程中還有相互作用，那么問題的復(fù)雜性必將增加。

2 預(yù)報(bào)方法及預(yù)見期

一個(gè)有意義、有價(jià)值的預(yù)報(bào)必須滿足一定的預(yù)報(bào)精度，且具有一定的預(yù)見期。一個(gè)方法若沒有預(yù)見期就不能稱為預(yù)報(bào)方法；一個(gè)方法若預(yù)報(bào)精度不能滿足一定要求，即使預(yù)見期較長(zhǎng)也毫無價(jià)值，采信了這樣的預(yù)報(bào)就可能造成重大損失。

天氣預(yù)報(bào)已有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史。大氣科學(xué)家將曾經(jīng)使用過的天氣預(yù)報(bào)方法大體歸納成三類：一是天氣圖預(yù)報(bào)法，二是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法，三是統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法。天氣圖預(yù)報(bào)法是最早出現(xiàn)也是最基礎(chǔ)的天氣預(yù)報(bào)方法。該方法以根據(jù)氣象觀測(cè)資料繪制的天氣圖為基本預(yù)報(bào)工具，通過分析不同時(shí)刻大氣各層天氣圖所顯示的天氣系統(tǒng)，判斷其生成、移動(dòng)、發(fā)展、消亡以及相互之間的關(guān)系，然后做出天氣形勢(shì)和氣象要素預(yù)報(bào)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法是從1904年發(fā)展起來的物理基礎(chǔ)更堅(jiān)實(shí)的天氣預(yù)報(bào)方法。該方法以流體力學(xué)和動(dòng)力氣象學(xué)為理論基礎(chǔ)[3]，通過建立由連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、氣體狀態(tài)方程、熱力學(xué)方程、水汽方程、擴(kuò)散方程等與初始條件和邊界條件構(gòu)成的數(shù)學(xué)物理方程來定解問題，再利用數(shù)值法進(jìn)行求解。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法得到的是空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的氣象要素的時(shí)間變化。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法是以歷史氣象資料為基礎(chǔ)，建立預(yù)報(bào)要素與先兆影響因子之間的因果關(guān)系從而作天氣預(yù)報(bào)的方法。這種因果關(guān)系有函數(shù)關(guān)系和相關(guān)關(guān)系之分，在天氣預(yù)報(bào)中，由于影響預(yù)報(bào)要素的先兆因子幾乎無法完全掌握，因此所建立的都是統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法因此而得名。

水文預(yù)報(bào)的出現(xiàn)比天氣預(yù)報(bào)晚?，F(xiàn)階段水文預(yù)報(bào)方法[4]主要有河段洪水預(yù)報(bào)方法、流域洪水預(yù)報(bào)方法、水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方法、枯水預(yù)報(bào)方法、墑情預(yù)報(bào)方法、冰情預(yù)報(bào)方法等，這些預(yù)報(bào)方法都是針對(duì)水文要素的方法。還有一類水文預(yù)報(bào)針對(duì)水文特征值，例如年徑流量預(yù)報(bào)、年最大流量預(yù)報(bào)、年最枯流量預(yù)報(bào)等。河段洪水預(yù)報(bào)依據(jù)河道洪水波運(yùn)動(dòng)規(guī)律，常用方法有相應(yīng)水位(流量)法、流量演算法、St.Venant方程組解法等。流域洪水預(yù)報(bào)依據(jù)流域降雨徑流形成原理，常用方法有降雨徑流相關(guān)圖-單位線法、降雨徑流相關(guān)圖-峰量關(guān)系法、流域水文模型法等。水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)依據(jù)水庫(kù)洪水波運(yùn)動(dòng)規(guī)律，常用方法有調(diào)洪演算法、St.Venant方程組解法等?？菟A(yù)報(bào)依據(jù)流域蓄水量的消退規(guī)律，常用方法有退水曲線法、相鄰時(shí)段徑流量相關(guān)法等。墑情預(yù)報(bào)依據(jù)土壤含量的增消機(jī)理，常用方法有水量平衡法、流域水文模型法等。冰情預(yù)報(bào)依據(jù)水體熱量收支關(guān)系，常用方法有熱量平衡法、水溫模型法等。對(duì)于水文特征值的預(yù)報(bào)，在當(dāng)前的科學(xué)水平下一般有兩種考慮：一是將水文特征值的年際變化視作平穩(wěn)時(shí)刻序列，主要采用自相關(guān)來構(gòu)建預(yù)報(bào)方法；二是分析影響水文特征值的先兆因子，通過建立多因子相關(guān)回歸關(guān)系構(gòu)建預(yù)報(bào)方法。

圖1 動(dòng)態(tài)變化外推預(yù)報(bào)問題

圖2 因果關(guān)系預(yù)報(bào)問題

水文預(yù)報(bào)方法與天氣預(yù)報(bào)方法似乎有所不同，但仔細(xì)剖析后可以發(fā)現(xiàn)，兩者在解決各自的預(yù)報(bào)問題時(shí)所采用的科學(xué)思維是相同的，都是將預(yù)報(bào)問題視作動(dòng)態(tài)變化外推問題，即視作初、邊值問題或前后狀態(tài)關(guān)系問題(圖1，圖中ft為預(yù)報(bào)對(duì)象的初始值；ft+τ為預(yù)報(bào)對(duì)象的預(yù)報(bào)值)，或者視作變量之間因果關(guān)系問題，即視作變量之間函數(shù)關(guān)系問題或相關(guān)關(guān)系問題(圖2，圖中it為先兆影響因子)。有些天氣過程和水文過程屬于動(dòng)力學(xué)過程，可以表達(dá)成空間和時(shí)間的函數(shù)，一旦得到了這個(gè)函數(shù)，就可以據(jù)此做出預(yù)報(bào)。獲得這個(gè)函數(shù)的方法不同，就產(chǎn)生了不同的預(yù)報(bào)方法。若該函數(shù)由觀測(cè)得到，則可用經(jīng)驗(yàn)外推建立預(yù)報(bào)方法，天氣圖法、相應(yīng)水位(流量)法等就屬于這類方法。若這個(gè)函數(shù)由描寫現(xiàn)象動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)物理方程定解問題求得，則可以根據(jù)初值和邊值外推建立預(yù)報(bào)方法，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)法、St.Venant方程組解法、調(diào)洪演算法、流域水文模型法等就屬于這類方法。有些天氣過程和水文過程雖無法明確為動(dòng)力學(xué)過程，但可以找出它們與有關(guān)先兆因子之間的因果關(guān)系，一旦建立了這種因果關(guān)系，就可以用作預(yù)報(bào)。所掌握的先兆因子是否全面，不僅決定了因果關(guān)系的性質(zhì)，而且體現(xiàn)了預(yù)報(bào)方法的區(qū)別。若能夠掌握所有的先兆影響因子，則得到的因果關(guān)系為函數(shù)關(guān)系；若只能掌握其中一些主要的先兆影響因子，則得到的因果關(guān)系為相關(guān)關(guān)系。在現(xiàn)行屬于因果關(guān)系的預(yù)報(bào)方法中，真正屬于函數(shù)關(guān)系的預(yù)報(bào)方法幾乎沒有。天氣預(yù)報(bào)中的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法和水文預(yù)報(bào)中的回歸相關(guān)預(yù)報(bào)法，都是建立在變量間存在相關(guān)性因果關(guān)系基礎(chǔ)上的預(yù)報(bào)方法，例如平穩(wěn)時(shí)間序列自回歸相關(guān)法、多因子回歸相關(guān)法、峰量關(guān)系法等。

張學(xué)文[5]主張用信息科學(xué)的思維來詮釋預(yù)報(bào)方法，這是一種有益的嘗試。根據(jù)張學(xué)文[5]的理解，可以將初、邊值以及先兆的影響因子等視作預(yù)報(bào)的信息源，這些信息源經(jīng)過預(yù)報(bào)方法的變換、傳遞就變成所需預(yù)報(bào)的信息。也就是說，若立足于信息科學(xué)看預(yù)報(bào)，則預(yù)報(bào)就是一個(gè)信息變換和傳遞的問題。因此，無論天氣預(yù)報(bào)還是水文預(yù)報(bào)都必須十分重視信息源的完整、詳細(xì)、精確、可靠，以及信息處理理論和方法的正確。這就使人們明白了一個(gè)重要的道理：能夠獲得比信息源精度高的預(yù)報(bào)方法是不可能出現(xiàn)的，因?yàn)樾畔⒃谧儞Q、傳遞過程中只可能耗散，不可能增生。在流域水文模型的研究和應(yīng)用中，筆者常常發(fā)現(xiàn)：實(shí)際上能提供的資料即信息源不僅有不同程度的缺失，而且不夠精細(xì)，甚至質(zhì)量不高，但卻能得到令人滿意的模擬結(jié)果。這種有違信息科學(xué)原理的結(jié)論應(yīng)當(dāng)引起水文學(xué)家的關(guān)注。

關(guān)于預(yù)見期，由于可作為初、邊值問題的預(yù)報(bào)針對(duì)的是一個(gè)從形成到發(fā)展再到消亡的自然現(xiàn)象，前一個(gè)過程結(jié)束了，后一個(gè)過程跟隨而來，因此，根據(jù)其中一個(gè)過程形成之初的狀態(tài)預(yù)報(bào)其未來狀態(tài)，最長(zhǎng)的預(yù)見期只可能是該現(xiàn)象從形成到發(fā)展再到消亡經(jīng)歷的時(shí)間。如果再長(zhǎng)，那么將要出現(xiàn)的狀態(tài)就與前一個(gè)過程的初、邊值無物理意義上的聯(lián)系了。例如，若一個(gè)降水天氣系統(tǒng)從形成到發(fā)展再到消亡為一周時(shí)間，則根據(jù)這個(gè)降水系統(tǒng)形成時(shí)的初、邊值預(yù)測(cè)其未來，預(yù)見期最長(zhǎng)就是一周[1]。又如，若在一場(chǎng)具有一定時(shí)空分布的降雨落地后再作流域洪水預(yù)報(bào)，則這場(chǎng)降雨在當(dāng)時(shí)流域下墊面條件作用下形成的洪水歷經(jīng)了流域匯流時(shí)間后才能到達(dá)流域出口。因此，流域洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期最長(zhǎng)也只能是流域匯流時(shí)間[2,6]。而對(duì)于作為因果關(guān)系的預(yù)報(bào)問題，預(yù)見期顯然與先兆因子出現(xiàn)時(shí)間有關(guān)。但先兆影響因子出現(xiàn)時(shí)間提前越長(zhǎng)，這種相關(guān)關(guān)系將會(huì)越弱。因此，為使預(yù)報(bào)精度能滿足一定要求，所選擇的先兆因子的提前時(shí)間必然會(huì)受到限制，這個(gè)時(shí)間就應(yīng)該是作為因果關(guān)系預(yù)報(bào)問題的可能的最長(zhǎng)預(yù)見期。

3 初始場(chǎng)和邊值場(chǎng)

預(yù)報(bào)總是要從某一時(shí)間開始，對(duì)于可作為初、邊值問題的預(yù)報(bào)，這個(gè)開始時(shí)間的狀態(tài)就是待預(yù)報(bào)現(xiàn)象的初值，從初值開始，該現(xiàn)象將按一定規(guī)律變化，據(jù)此就可對(duì)其未來出現(xiàn)的狀態(tài)做出預(yù)報(bào)，這就是初值問題。自然現(xiàn)象總是發(fā)生在一定空間范圍內(nèi)的，在這個(gè)空間里現(xiàn)象將如何變化，與這個(gè)空間的邊界狀態(tài)有關(guān)，這就產(chǎn)生了邊值問題。因此，初值和邊值的精確確定就成為作為初、邊值問題預(yù)報(bào)的重要問題[7]。

表1 大氣模式(型)與流域水文模型主要特征的比較

天氣形勢(shì)和氣象要素變化總是發(fā)生在一定空間范圍內(nèi)且隨時(shí)間變化，觀察它的變化必須從某一時(shí)刻開始，在這個(gè)時(shí)刻，因天氣形勢(shì)和氣象要素總是呈現(xiàn)一定的空間分布，故初值必表現(xiàn)為一定的空間分布，稱為初始場(chǎng)，這個(gè)初始場(chǎng)的空間范圍應(yīng)當(dāng)有邊界，邊界上的狀態(tài)(邊值)改變即擾動(dòng)，也會(huì)影響這個(gè)空間范圍內(nèi)天氣形勢(shì)和氣象要素的變化。水文情勢(shì)和水文要素變化總是發(fā)生在各自水體中且隨時(shí)間變化，觀察它的變化同樣要從某一時(shí)刻開始。對(duì)于河段洪水預(yù)報(bào)，這個(gè)時(shí)刻的水位和流量均沿河長(zhǎng)變化，因此，初值表現(xiàn)為初始河段水面線或初始流量沿河長(zhǎng)分布，而邊值則是河段上、下斷面的水位或流量隨時(shí)間變化，以及從兩岸進(jìn)入或排出的流量過程。對(duì)于流域洪水預(yù)報(bào)，這個(gè)時(shí)刻的下墊面狀態(tài)，包括流域包氣帶含水量、土壤結(jié)構(gòu)、植物覆蓋、地形地貌、水文地質(zhì)、土地利用等，都是呈空間分布的，因此，初值也表現(xiàn)為空間分布，即為初始場(chǎng)。對(duì)于閉合流域，周邊與外界無水量交換；流域表面通過降水和蒸散發(fā)與大氣發(fā)生交換。包氣帶底部若為不透水基巖，則包氣帶與基巖不發(fā)生水量交換；若為地下水面，則包氣帶產(chǎn)生的地下水徑流將進(jìn)入地下含水層，這就是流域洪水預(yù)報(bào)方法的邊值場(chǎng)?？傊?，對(duì)于作為初、邊值問題的預(yù)報(bào)方法，初值呈空間分布，邊值是時(shí)間的函數(shù)。

氣象學(xué)家Lorenz[8]早在1963年就發(fā)現(xiàn)初始場(chǎng)對(duì)天氣預(yù)報(bào)精度的重要影響,他指出：在天氣預(yù)報(bào)中，初始場(chǎng)的微小變動(dòng)將可能引起預(yù)報(bào)結(jié)果的極大差異，這就好像“巴西一只蝴蝶扇了一下翅膀，在美國(guó)紐約將引起風(fēng)暴”。科學(xué)界將此稱為“蝴蝶效應(yīng)”。水文預(yù)報(bào)是否存在“蝴蝶效應(yīng)”，至今未見報(bào)道，筆者認(rèn)為，這是一個(gè)需要深入研究的問題，但在使用流域水文模型作洪水預(yù)報(bào)時(shí)，初始場(chǎng)問題將會(huì)導(dǎo)致異參同效問題[9-10],因?yàn)樗拇嬖趯⑹谷藗儗?duì)所率定出的模型參數(shù)的正確性難以作出判斷。

值得慶幸的是，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)雖然存在“蝴蝶效應(yīng)”，但也許不會(huì)存在異參同效問題，因?yàn)榇髿馐沁B續(xù)介質(zhì)，地球大氣圈的空氣性質(zhì)幾乎是均一的，控制大氣運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)和動(dòng)力氣象學(xué)都是比較成熟的學(xué)科，由此建立的用作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的大氣模式(型)，例如正壓原始方程模式、斜壓原始程模式等，既不是概念性模型，更不是“黑箱子”模型，而是物理意義清晰的模型，這些模式(型)中所包含的參數(shù)幾乎全球相同，不必通過實(shí)測(cè)氣象資料來率定。

為了深入理解上述所作分析，將大氣模式(型)和流域水文模型作一比較，如表1所示。

4 數(shù)據(jù)同化和數(shù)據(jù)融合

無論是天氣預(yù)報(bào)，還是水文預(yù)報(bào)，對(duì)于那些作為初、邊值問題的預(yù)報(bào)方法，一般都必須劃分時(shí)間步長(zhǎng)，一個(gè)步長(zhǎng)接著一個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，滾動(dòng)地給出預(yù)報(bào)值，直至一個(gè)過程的結(jié)束。因此，在進(jìn)行第一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算時(shí)初值或初始場(chǎng)必須由觀測(cè)資料給出，第二個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)之后的初值或初始場(chǎng)雖然可根據(jù)前一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果即預(yù)報(bào)值來代替，但為使所給初值或初始場(chǎng)能符合實(shí)際，保證預(yù)報(bào)值精度，一般應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)資料進(jìn)行修正。由此不難理解觀測(cè)資料對(duì)提高預(yù)報(bào)精度的重要性。

氣象學(xué)家認(rèn)為客觀存在的大氣狀態(tài)總是表現(xiàn)為氣象要素的空間分布是“和諧”的[11]。例如實(shí)際出現(xiàn)的氣壓場(chǎng)不會(huì)發(fā)生某一位置的氣壓值與鄰近氣壓值懸殊的情況。因此，氣象要素觀測(cè)值空間分布“和諧”應(yīng)是一個(gè)規(guī)律，任何背離正常的高頻或低頻氣象要素的存在都是與“和諧”不相符的。但由于觀測(cè)儀器、觀測(cè)方法等的不同，不同來源的氣象觀測(cè)資料具有不同的精度，這就可能產(chǎn)生一個(gè)事實(shí)上不“和諧”的問題。因此，氣象學(xué)家指出，在涉及初值或初始場(chǎng)的天氣預(yù)報(bào)方法中，給出的初值或初始場(chǎng)必須是“和諧”的。

在水文預(yù)報(bào)中，筆者認(rèn)為，不僅初值或初始場(chǎng)要“和諧”，邊值或邊值場(chǎng)也要“和諧”。例如：對(duì)于流域水文模型預(yù)報(bào)方法，流域包氣帶含水量的初始場(chǎng)與預(yù)報(bào)精度密切有關(guān)是不言而喻的，而作為邊值場(chǎng)的降雨空間分布與預(yù)報(bào)精度的關(guān)系更是十分緊密。但實(shí)際情況往往是，由不同儀器和方法觀測(cè)得到的流域包氣帶含水量的初始場(chǎng)并不“和諧”，得到的降雨空間分布也不“和諧”。這些不和諧問題，若得不到正確處理，流域水文模型預(yù)報(bào)方法即使模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)合理，也不可能獲得合理、可信的預(yù)報(bào)結(jié)果[12]。

為了處理上述不和諧問題，氣象學(xué)家率先在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中提出了數(shù)據(jù)同化的重要概念和方法[13]。天氣預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)中的數(shù)據(jù)同化是指將對(duì)同一現(xiàn)象由不同來源、不同方法、不同時(shí)空分辨率觀測(cè)得到的不同精度的數(shù)據(jù)引入用作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的大氣模式(型)或用作水文預(yù)報(bào)的流域水文模型，通過數(shù)學(xué)理論和方法，在模式或模型解與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果之間尋找最優(yōu)擬合，這樣的擬合結(jié)果可繼續(xù)為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)或流域水文預(yù)報(bào)提供初始場(chǎng)，一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)、一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)地不斷迭代下去，達(dá)到模式或模型的結(jié)果不斷向觀測(cè)值接近的目的。因此，在天氣預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)中，數(shù)據(jù)同化實(shí)際上是一個(gè)最優(yōu)控制問題，它是通過一定的算法來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)同化算法可分為順序數(shù)據(jù)同化算法和連續(xù)數(shù)據(jù)同化算法兩類。前者又稱為濾波算法，包括預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)處理過程；后者需要定義一個(gè)同化窗口，利用這個(gè)窗口內(nèi)的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)與模式或模型的狀態(tài)值進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)，通過迭代不斷調(diào)整模式或模型的初始場(chǎng)或邊界場(chǎng)，使模式或模型的結(jié)果能夠擬合觀測(cè)資料。

筆者認(rèn)為，由于數(shù)據(jù)同化是通過一定的數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)利用不同來源、不同方法、不同時(shí)空分辨率、不同精度的數(shù)據(jù)，達(dá)到模式或模型的結(jié)果盡可能擬合觀測(cè)資料的目的。因此，欲使數(shù)據(jù)同化有好的效果，模式或模型必須盡可能沒有誤差。這對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的大氣模式是提高精度的舉措，但對(duì)于水文預(yù)報(bào)的流域水文模型卻難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榱饔蛩哪Ｐ捅旧砭陀薪Y(jié)構(gòu)誤差，又有異參同效問題的干擾[14]。在利用流域水文模型作洪水預(yù)報(bào)時(shí)僅致力于通過實(shí)時(shí)校正使模型結(jié)果與實(shí)測(cè)值“和諧”，而未涉及初始場(chǎng)和邊值場(chǎng)的數(shù)據(jù)同化問題，顯得不夠縝密。氣象學(xué)家將數(shù)據(jù)同化的重點(diǎn)放在初始場(chǎng)的確定上是值得借鑒的。對(duì)流域水文模型預(yù)報(bào)，不僅要對(duì)初始場(chǎng)，而且要對(duì)邊值場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化。

上述數(shù)據(jù)同化僅以模式或模型結(jié)果與觀測(cè)值達(dá)到接近為目的，還不能判定同化后的觀測(cè)資料一定就是現(xiàn)象時(shí)空分布的真實(shí)描寫。為此，應(yīng)當(dāng)引進(jìn)“數(shù)據(jù)融合”的概念。數(shù)據(jù)融合是由圖像融合的概念發(fā)展而來。用特定的算法將兩幅或多幅圖像綜合成一幅新圖像稱為圖像融合。將這一概念引入數(shù)據(jù)處理就成為數(shù)據(jù)融合。對(duì)來自不同種類信息源的數(shù)據(jù)，通過特定的手段、方法和工具集進(jìn)行處理，以提高質(zhì)量的技術(shù)，稱為數(shù)據(jù)融合。這體現(xiàn)了從浩瀚的數(shù)據(jù)源中去偽存真、去粗取精，找出精準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果的思想。

最初，氣象觀測(cè)資料主要靠氣象臺(tái)站定點(diǎn)觀測(cè)和放飛氣球進(jìn)行高空動(dòng)點(diǎn)觀測(cè)，這些觀測(cè)方式得到的觀測(cè)值的時(shí)空分布十分稀疏，而且占地球表面2/3的海洋上空幾乎無法進(jìn)行觀測(cè)。隨著航海、航空科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了利用飛機(jī)和艦船流動(dòng)地進(jìn)行高空和海洋氣象觀測(cè)的技術(shù)。利用雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感等技術(shù)獲得氣象觀測(cè)資料也越來越普遍。這樣就出現(xiàn)了同一時(shí)刻、不同位置的同一氣象要素的觀測(cè)值具有多種來源的情況，雖然它們的觀測(cè)原理和方法不同，觀測(cè)精度也不一致，但若將它們?nèi)诤掀饋?，也許能給出較為客觀、準(zhǔn)確的初始場(chǎng)。水文觀測(cè)資料也有數(shù)據(jù)融合問題，尤其是降雨觀測(cè)資料和流域包氣帶含水量觀測(cè)資料都可能是多來源的，若能通過數(shù)據(jù)融合，獲得更可靠的降雨空間分布和流域包氣帶含水量空間分布，則對(duì)提高洪水預(yù)報(bào)精度顯然有重要意義。

數(shù)據(jù)融合有數(shù)據(jù)層融合、決策層融合和特征層融合之分。數(shù)據(jù)層融合就是直接對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在用不同方法對(duì)同一要素觀測(cè)獲得多源數(shù)據(jù)后，先對(duì)其中之一完成預(yù)處理、特征提取、識(shí)別或判斷等，建立對(duì)觀測(cè)要素的初步結(jié)論，再通過關(guān)聯(lián)處理獲得聯(lián)合推斷結(jié)果，稱為決策層融合。特征層融合則是屬于數(shù)據(jù)層融合和決策層融合之間的中間層次的融合，這類數(shù)據(jù)融合是先對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，然后再對(duì)這些特征進(jìn)行綜合分析和處理。這里所指的特征是一些表征所觀測(cè)要素的邊緣、方向、速度等的指標(biāo)值。與數(shù)據(jù)同化一樣，現(xiàn)階段所謂數(shù)據(jù)融合也是通過一定的算法來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)同化偏向作為數(shù)學(xué)問題來處理，而數(shù)據(jù)融合則偏向作為物理問題來處理。但它們目前實(shí)際采用的算法幾乎相同。筆者認(rèn)為，數(shù)據(jù)同化和數(shù)據(jù)融合是一個(gè)問題的兩種不同的解決思路，兩者的目的都是期望盡可能克服由于信息缺失、信息量不足和信息質(zhì)量參差不齊給預(yù)報(bào)帶來的不利影響。為達(dá)此目的，數(shù)據(jù)同化采用的思路是通過對(duì)多源資料的分析整合，使得用這樣的初始場(chǎng)和邊值場(chǎng)能獲得盡可能與實(shí)測(cè)值相同的模擬結(jié)果，而數(shù)據(jù)融合采取的思路是通過對(duì)多源資料的去偽存真，棄粗取精，使輸入模式或模型的初始場(chǎng)和邊值場(chǎng)盡可能是真實(shí)的、精確的。

5 結(jié) 語

降水預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)中最重要的預(yù)報(bào)之一，洪水預(yù)報(bào)無疑是水文預(yù)報(bào)中最為重要的預(yù)報(bào)。暴雨是導(dǎo)致洪水的根本性原因，洪水預(yù)報(bào)必然是降水預(yù)報(bào)的延續(xù)。唯有將洪水預(yù)報(bào)與降水預(yù)報(bào)銜接起來，才能有效地增長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期。在降水預(yù)報(bào)方法中，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法近30年來有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而用流域水文模型作洪水預(yù)報(bào)，其不盡人意之處比用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法作降水預(yù)報(bào)明顯得多：

其一，對(duì)作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法理論基礎(chǔ)的大氣模式(型)的構(gòu)建，氣象學(xué)家重視其物理性和精確性，而流域水文模型的研制卻存在依據(jù)的物理機(jī)制比較粗糙的問題，目前較為流行的流域水文模型幾乎都是概念性的。這種概念性和“黑箱子”流域水文模型也許能滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，但作為洪水預(yù)報(bào)方法就有明顯的不足。

其二，氣象學(xué)家認(rèn)識(shí)到，用天氣模式(型)作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，必須十分重視初始場(chǎng)的精度，只有這樣才能有效地避免“蝴蝶效應(yīng)”的干擾。水文學(xué)家對(duì)用流域水文模型作洪水預(yù)報(bào)也依賴初始場(chǎng)的認(rèn)識(shí)不夠；對(duì)邊界場(chǎng)影響洪水預(yù)報(bào)精度雖有一定認(rèn)識(shí)，但改進(jìn)的措施不力。

其三，大氣模式(型)中包含的參數(shù)幾乎都可以用物理方法確定，確定模式參數(shù)是求解正問題，一般不會(huì)出現(xiàn)異參同效問題，而流域水文模型中包含的參數(shù)大多必須依賴實(shí)測(cè)降雨、徑流資料率定，確定參數(shù)是求解反問題，異參同效現(xiàn)象明顯，是一個(gè)棘手問題。

其四，氣象觀測(cè)技術(shù)的提升迅速，信息源豐富，這就為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)采用數(shù)據(jù)同化、數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以提高初始場(chǎng)的精度，進(jìn)而提高預(yù)報(bào)精度提供了有利條件。相比之下，水文觀測(cè)技術(shù)明顯落后，信息源也偏少，有一些必需的信息至今仍是空白，從而限制了以上技術(shù)在提高洪水預(yù)報(bào)精度中的作用。

“他山之石，可以攻玉”。筆者認(rèn)為，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功經(jīng)驗(yàn)是值得洪水預(yù)報(bào)學(xué)習(xí)、借鑒的。