基于氣象數(shù)值預(yù)報(bào)的高精度融雪徑流預(yù)報(bào)技術(shù)研究

王冉旋

摘 ? 要：水文預(yù)報(bào)對(duì)于水電企業(yè)來(lái)說(shuō)是做好水庫(kù)調(diào)度工作的關(guān)鍵，是進(jìn)行水調(diào)決策的重要依據(jù)，高精度的水文預(yù)報(bào)對(duì)于梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度顯得尤為重要。新疆YLKSH流域處于高寒地區(qū)，洪水分為消融型洪水和消融與暴雨疊加的混合型洪水，傳統(tǒng)的水文預(yù)報(bào)方法已經(jīng)不能滿足目前流域梯級(jí)電站智慧調(diào)度的要求，在此背景下開(kāi)展基于高精度氣象數(shù)值預(yù)報(bào)的融雪徑流預(yù)報(bào)技術(shù)的研究迫在眉睫，針對(duì)KSH流域特性和需求，擬定研究?jī)?nèi)容包括資料收集整理、技術(shù)方案研制、預(yù)報(bào)方案編制和預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制四大部分。

關(guān)鍵詞：氣象數(shù)值 ?高精度 ?融雪徑流 ?預(yù)報(bào)技術(shù)

中圖分類號(hào)：P333.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（b）-0021-02

1 ?資料收集整理

1.1 資料收集

融雪徑流預(yù)報(bào)除所有水文預(yù)報(bào)必需的水雨情資料外，還需要?dú)鉁?、降雨等氣象和積雪信息。KSH流域融雪徑流預(yù)報(bào)資料內(nèi)容收集、整理概況為四類。

（1）水雨情信息。

流域測(cè)站、傳播時(shí)間等的描述性信息，和與預(yù)報(bào)時(shí)段等時(shí)長(zhǎng)的降水、水位、流量信息。

（2）氣候、氣象信息。

與水雨情資料時(shí)間匹配的流域內(nèi)各站點(diǎn)氣溫資料，時(shí)段長(zhǎng)與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)段相同;與水雨情資料時(shí)間匹配的蒸發(fā)資料，時(shí)段長(zhǎng)可為日。

（3）積雪信息。

與水雨情資料時(shí)間匹配的流域內(nèi)積雪覆蓋面積、深度、密度信息，資料以日為時(shí)長(zhǎng)。積雪覆蓋面積通常為≤ 500m 的網(wǎng)格信息;深度、密度可為氣象觀測(cè)站點(diǎn)信息或更精細(xì)的網(wǎng)格信息。

（4）地形、地貌信息。

在流域水文模擬研究中充分考慮地形因素，可以從物理成因機(jī)制上更深入地研究水文規(guī)律。地貌、土壤信息對(duì)流域產(chǎn)流、土壤蓄水、蒸發(fā)等眾多水文過(guò)程有重要影響，地表覆蓋、土壤信息也是資料收集整理的重要信息。

1.2 資料整理

資料整理內(nèi)容為將上述資料規(guī)范化整理為同一時(shí)間序列內(nèi)，與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)同時(shí)段類型的數(shù)據(jù)資料，其中包括數(shù)據(jù)插補(bǔ)、時(shí)段處理、插值、錯(cuò)誤判別處理等工作。

地形信息需借助 GIS 相關(guān)軟件自動(dòng)計(jì)算各網(wǎng)格的水流方向、集水面積，生成水系單元等，并提取流域的邊界、等高線等信息。

土地利用類型信息需提取出各網(wǎng)格的土地覆蓋類型，如森林、草地、農(nóng)田等。

土壤類型信息需提取各網(wǎng)格的土壤類型信息，如薄層土、粗骨土、沙丘等。

2 ?技術(shù)方案研制

KSH流域水源主要是河源區(qū)融冰雪水，以及夏季降雨，河道呈現(xiàn)上游相對(duì)較陡、中游相對(duì)較緩、下游出口次之，整體自然落差大，水流湍急，匯流時(shí)間相對(duì)短促，各梯級(jí)電站間距小，依據(jù)KSH流域洪水特性、洪水傳播時(shí)間分析，可將流域劃分為3個(gè)預(yù)報(bào)斷面，平均預(yù)見(jiàn)期約為15、23、34 h，由此可見(jiàn)通常以日為時(shí)段的預(yù)報(bào)難以滿足上游電站的預(yù)報(bào)需求，因此在資料條件許可的情況下擬采用3h與日預(yù)報(bào)兩種方式，并將不同時(shí)段的預(yù)報(bào)相結(jié)合，層層設(shè)防，逐步校正，提高預(yù)報(bào)的精度。主要研究技術(shù)包括：

（1）數(shù)字流域信息提取處理技術(shù)。

依據(jù)地形信息提取流域的邊界、河長(zhǎng)、等高線等，同時(shí)依據(jù)地貌信息提取流域的植被、土壤等信息;所有數(shù)字流域信息需與水文預(yù)報(bào)單元進(jìn)行匹配，以滿足水文預(yù)報(bào)需求。

（2）積雪信息提取處理技術(shù)。

積雪覆蓋面積、深度是融雪徑流計(jì)算的重要基礎(chǔ)信息，信息的準(zhǔn)確度和時(shí)空分辨率是影響融雪預(yù)報(bào)精度的重要因素。氣象部門(mén)通常有當(dāng)?shù)剌^為精細(xì)的積雪覆蓋信息，美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)的 MODIS 數(shù)據(jù)可作為積雪信息的一種補(bǔ)充?；诳色@取的積雪覆蓋面積、深度、密度的時(shí)間、空間尺度進(jìn)行數(shù)字化處理，并與水文預(yù)報(bào)模型匹配銜接。

（3）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息提取處理技術(shù)。

通過(guò)氣象數(shù)值預(yù)報(bào)，與洪水預(yù)報(bào)模型耦合進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)，可以延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期，提高預(yù)報(bào)精度。

（4）融雪徑流模型技術(shù)。

目前通用的融雪徑流模型多為 SRM 模型和新安江改進(jìn)融雪型模型，模型結(jié)構(gòu)中無(wú)融雪深度、密度的計(jì)算處理，且當(dāng)前融雪徑流模型多以日為預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)。

（5）模型參數(shù)校正技術(shù)。

任何預(yù)報(bào)都是存在誤差的，在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中盡量減小誤差是預(yù)報(bào)的重要環(huán)節(jié)，它可以減小因預(yù)報(bào)模型誤差導(dǎo)致的誤差累積，從而保證預(yù)報(bào)精度。

3 ?預(yù)報(bào)方案編制

預(yù)報(bào)方案是指根據(jù)預(yù)報(bào)任務(wù)，及時(shí)收集降雨、蒸發(fā)、水位、溫度、流量、積雪及流域特性等有關(guān)資料，根據(jù)洪水的形成規(guī)律和特點(diǎn)，選擇適當(dāng)預(yù)報(bào)模型和根據(jù)站點(diǎn)，建立由當(dāng)前采集的水文信息推算未來(lái)洪水大小和出現(xiàn)時(shí)間的一整套計(jì)算方法。

預(yù)報(bào)方案編制是水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究的重要環(huán)節(jié)，好的預(yù)報(bào)方案應(yīng)充分考慮當(dāng)前流域特性，利用一切可以獲取的數(shù)據(jù)源為系統(tǒng)提供高精度、長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的預(yù)報(bào)方案，滿足現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)需求，并應(yīng)具備在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和資料積累的基礎(chǔ)上提高預(yù)報(bào)精度和增長(zhǎng)有效預(yù)見(jiàn)期的功能。預(yù)報(bào)方案編制從業(yè)務(wù)內(nèi)容上可將其劃分為資料整理復(fù)核、預(yù)報(bào)方案定制、預(yù)報(bào)方案評(píng)定檢驗(yàn)三個(gè)階段，包含業(yè)務(wù)工作的全部?jī)?nèi)容。

4 ?預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制

水文預(yù)報(bào)運(yùn)行軟件需要以實(shí)際需求為導(dǎo)向，滿足輸入、輸出的開(kāi)放性，設(shè)計(jì)為界面友好，操作靈活、方便，圖表簡(jiǎn)潔、美觀的實(shí)用型系統(tǒng)，力求滿足預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性、精度和預(yù)見(jiàn)期。

融雪徑流預(yù)報(bào)涉及到多種類型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，獲取的數(shù)據(jù)類型、格式多樣，因此除水文預(yù)報(bào)運(yùn)行軟件外還需研制開(kāi)發(fā)不同類型數(shù)據(jù)的自動(dòng)定時(shí)獲取處理軟件，如數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和積雪覆蓋數(shù)據(jù)自動(dòng)定時(shí)下載處理模塊、水文預(yù)報(bào)軟件可自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)遙測(cè)的水雨情、氣溫?cái)?shù)據(jù)等。

5 ?技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）精細(xì)時(shí)間尺度的融雪徑流預(yù)報(bào)。

從KSH流域洪水特性和預(yù)報(bào)斷面需求分析，因預(yù)見(jiàn)期限制，以日為時(shí)段的融雪徑流預(yù)報(bào)難以反映上游電站實(shí)際洪水過(guò)程，因此需要根據(jù)可獲取資料條件研發(fā)適宜流域預(yù)見(jiàn)期的更精細(xì)化的預(yù)報(bào)模型，如何在有限資料條件下開(kāi)展 3h和日預(yù)報(bào)是項(xiàng)目研究的一個(gè)難點(diǎn)。

（2）結(jié)合雪深的改進(jìn)型融雪徑流模型。

當(dāng)前的融雪徑流模型均基于氣溫和積雪覆蓋面積進(jìn)行融雪徑流計(jì)算，未考慮積雪深度，如何在原模型的基礎(chǔ)上完成改造，增加雪深對(duì)融雪徑流的作用，達(dá)到較好的預(yù)報(bào)效果是一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

（3）積雪信息時(shí)空尺度匹配和數(shù)據(jù)校正。

MODIS 獲取的積雪覆蓋信息有兩種時(shí)段：1日和8日。1日積雪產(chǎn)品中包含了大量受云覆蓋影響的圖像，因云的遮蔽，使積雪面積減小，8日積雪數(shù)據(jù)則相對(duì)準(zhǔn)確，通常采用 8 日數(shù)據(jù)，1日數(shù)據(jù)作為參考。但8日時(shí)間尺度與 3h、日的水文預(yù)報(bào)時(shí)間尺度差別較大，需著重研究如何利用各類地形、地貌、水文、氣象信息降低時(shí)間尺度，使得積雪信息與水文預(yù)報(bào)時(shí)間尺度匹配并校正以減小誤差。

（4）不同時(shí)段預(yù)報(bào)方案的結(jié)合。

位于KSH流域中游河段的JY水電站為不完全多年調(diào)節(jié)電站，中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)對(duì)于該電站的指導(dǎo)意義比較重要，在模型中增加中長(zhǎng)期氣象數(shù)值預(yù)報(bào)與水文預(yù)報(bào)的耦合，隨著氣象數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)精度將大幅提高。中長(zhǎng)期、日和3h 為三種預(yù)報(bào)方案，模型的參數(shù)、方案配置均不同，結(jié)果也必定存在差別，如何將三種方案結(jié)合是研究的重點(diǎn)。

（5）實(shí)時(shí)校正參數(shù)模型研制。

通過(guò)目前大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)，利用歷次預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)分析偏差原因，對(duì)預(yù)報(bào)模型的參數(shù)、狀態(tài)變量、輸入向量或預(yù)報(bào)值進(jìn)行某種修正，以達(dá)到實(shí)時(shí)自動(dòng)校正的目的。

6 ?結(jié)語(yǔ)

本文主要根據(jù)融雪徑流模型的研究現(xiàn)狀，結(jié)合KSH流域特性，在水文預(yù)報(bào)模型方面進(jìn)行的創(chuàng)新性的研究和探索，對(duì)于高寒地區(qū)的融雪徑流預(yù)報(bào)研究有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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