變化環(huán)境下城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對機(jī)制

姜仁貴，王思敏，解建倉，趙 勇，朱記偉，梁驥超

(1.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)最新發(fā)布的第六次評估報(bào)告指出：全球變暖趨勢明顯，強(qiáng)降雨等極端天氣發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加[1]。全球范圍內(nèi)城市洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率較大，風(fēng)險(xiǎn)增長，損失嚴(yán)重[2]。2021年7月份以來，全球范圍內(nèi)日本、德國、英國和印度等多個國家的城市發(fā)生強(qiáng)降雨天氣，造成嚴(yán)重人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1961—2020年我國極端強(qiáng)降水事件呈現(xiàn)增多趨勢，其中，1991—2020年相比1961—1990年氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值增加了58%[3]。應(yīng)急管理部公布的2020年全國十大自然災(zāi)害中4次與暴雨洪澇災(zāi)害直接相關(guān)，累計(jì)造成247人死亡，5 581.8萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2 255.6億元。我國城鎮(zhèn)化率從1949年的10.4%到2011年的50%，再到2020年第七次全國人口普查統(tǒng)計(jì)的63.89%。城鎮(zhèn)化發(fā)展使得城市“熱島效應(yīng)”和“雨島效應(yīng)”更為明顯，城市暴雨更為集中，對洪澇災(zāi)害起到放大效應(yīng)。城市暴雨的定時(shí)、定點(diǎn)、定量精準(zhǔn)預(yù)報(bào)難度大，高重疊度、極端性強(qiáng)的暴雨過程和復(fù)雜的下墊面條件導(dǎo)致很多城市“逢雨就澇”“城市看?！背蔀樾鲁B(tài)。2012年北京市“7·21”特大暴雨，2016年西安市“7·24”暴雨，2020年廣州市“5·25”特大暴雨，以及2021年發(fā)生的河南省鄭州市“7·20”、湖北省隨州市“8·11”等特大暴雨洪澇災(zāi)害，造成嚴(yán)重?fù)p失，影響城市經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

城市防洪減災(zāi)問題受到國家高度重視，習(xí)近平總書記提出了“兩個堅(jiān)持”“三個轉(zhuǎn)變”的新時(shí)期防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)理念。2011年1月29日公布的中央一號文件指出：到2020年，基本建成防洪抗旱減災(zāi)體系，重點(diǎn)城市和防洪保護(hù)區(qū)防洪能力明顯提高。國家自然科學(xué)基金委員會連續(xù)多年將城市洪澇列為“鼓勵和引導(dǎo)的研究領(lǐng)域”，科技部設(shè)立重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)開展城市洪澇致災(zāi)機(jī)理、預(yù)警預(yù)報(bào)與應(yīng)急響應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)研究。針對城市暴雨洪澇災(zāi)害問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞城市暴雨洪澇模擬[4-5]、特征與機(jī)理[6-7]、災(zāi)害管理[8-9]等方面開展研究，提出了一系列城市雨洪管理理念，包括：美國的低影響開發(fā)(low impact development，LID)和最佳管理措施(best management practice，BMP)，英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage system，SUDS)，新西蘭的低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā)(low impact urban design and development，LIUDD)和我國的海綿城市等[10-12]，為城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對提供理論參考。

城市暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生之頻繁、影響范圍之廣、災(zāi)損之高及其不確定性凸顯城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對的重要性和緊迫性，是當(dāng)前全球洪水管理中面臨的新挑戰(zhàn)。如何提供城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)防措施和應(yīng)對機(jī)制，為城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對決策服務(wù)，是個亟待解決的難題。筆者在2017年提出的城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)估、預(yù)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)案集合應(yīng)對模式[13-14]基礎(chǔ)上，遵循習(xí)近平總書記提出的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)理念，結(jié)合水利部李國英部長在2021年水旱災(zāi)害防御工作視頻會議上針對水旱災(zāi)害防御提出的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等4預(yù)措施進(jìn)行綜合集成應(yīng)用，提出一種集情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)、分級預(yù)警、應(yīng)急預(yù)案和防洪預(yù)演為一體的城市暴雨洪澇災(zāi)害“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制。該機(jī)制堅(jiān)持以防為主、防抗救相結(jié)合以及常態(tài)減災(zāi)和非常態(tài)救災(zāi)相統(tǒng)一的目標(biāo)，通過有序應(yīng)對，實(shí)現(xiàn)“從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防”以及“從減少災(zāi)害損失向減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)”的轉(zhuǎn)變，最大限度減少或避免洪澇災(zāi)害損失，保障城市經(jīng)濟(jì)社會的安全穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

1 “五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制的構(gòu)成

城市暴雨洪澇災(zāi)害“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制旨在提供全過程的解決方案，其邏輯關(guān)系與關(guān)鍵支撐技術(shù)見圖1。該應(yīng)對機(jī)制遵循時(shí)間和空間尺度上逐步細(xì)化的原則，在時(shí)間尺度上從中長期的預(yù)估預(yù)測到短期的預(yù)報(bào)，再到近實(shí)時(shí)預(yù)警和實(shí)時(shí)的應(yīng)對預(yù)案，在空間尺度上從區(qū)域到城市再到易澇點(diǎn)。具體包括：基于氣候模式輸出結(jié)果和城市規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行長期的城市暴雨洪澇災(zāi)害情景預(yù)估；耦合氣象水文和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(numerical weather prediction，NWP)開展中短期城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)；基于多源信息融合與動態(tài)監(jiān)測對城市暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行分級預(yù)警，建立預(yù)警信息與人防、物防、技防相結(jié)合的城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案；基于數(shù)字孿生城市(digital twin city，DTC)對暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行防洪預(yù)演。

圖1 “五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制邏輯關(guān)系及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基于氣候模式的城市暴雨洪澇災(zāi)害情景預(yù)估

城市暴雨過程是洪澇災(zāi)害的主要致災(zāi)因子，采用全球氣候模式(global climate model，GCM)和區(qū)域氣候模式(regional climate model，RCM)相結(jié)合的方法可以模擬預(yù)估未來氣候變化情景下城市暴雨，然而，GCM時(shí)間和空間分辨率相對偏低?；谑澜鐨夂蜓芯坑?jì)劃(world climate research program，WCRP)發(fā)布的聯(lián)合區(qū)域降尺度(coordinated regional downscaling experiment，CORDEX)東亞區(qū)域高精度模擬降雨數(shù)據(jù)集[15]，選擇HadGEM3-RA、WRF、SUN-RCM、RegCM4和COSMO-CCLM等高精度RCM，采用再分析資料ERA-Interim、HadGEM2-AO和MPI-ESM-LR等GCM作為初始場和邊界場，驅(qū)動RCM對GCM進(jìn)行降尺度處理，提高城市暴雨與極端暴雨預(yù)估的可靠性。將上述城市中長期預(yù)估暴雨作為城市暴雨洪澇模擬模型的輸入，結(jié)合城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，就可對未來不同情景下城市暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)估。目前，氣候模式可預(yù)估未來百年尺度的降雨，一般城市規(guī)劃時(shí)間尺度為未來30年左右，因此，基于氣候模式可以對未來百年尺度的城市暴雨進(jìn)行預(yù)估，結(jié)合城市規(guī)劃數(shù)據(jù)能夠?qū)ξ磥?0年左右的城市暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)估。

1.2 耦合氣象水文的城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)

城市暴雨具有突發(fā)性、隨機(jī)性以及引發(fā)暴雨中小尺度天氣系統(tǒng)的復(fù)雜性等特點(diǎn)，以美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)、英國國家氣象局和中國氣象局等為代表建立的氣候模式在24 h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高(>80%)，然而城市暴雨的定時(shí)、定點(diǎn)、定量精準(zhǔn)預(yù)報(bào)仍是科學(xué)難題?；诘厍蛳到y(tǒng)模式(earth system model，ESM)開展月、季節(jié)和年尺度-年際尺度一體化氣候預(yù)測，整體性能夠達(dá)到國際同類氣候預(yù)測模式先進(jìn)水平，針對月尺度大氣環(huán)流和暴雨、季節(jié)性降雨以及西太平洋副熱帶高壓等環(huán)流特征指標(biāo)預(yù)測的準(zhǔn)確率相對較高。在城市中短期暴雨預(yù)測基礎(chǔ)上，采用新一代全球/區(qū)域高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式(global & regional assimilation prediction system，GRAPES)開展NWP，將城市暴雨預(yù)見期提高到10 d以內(nèi)，提高暴雨預(yù)報(bào)空間分辨率。我國研發(fā)的GRAPES采用四維變分技術(shù)對最新觀測資料進(jìn)行近實(shí)時(shí)、高質(zhì)量同化，實(shí)現(xiàn)每隔6 h更新未來10 d的短期和短臨降雨預(yù)報(bào)，并通過國家智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)云平臺實(shí)時(shí)傳輸至全國地方氣象部門，支持城市短期降雨預(yù)報(bào)和短臨預(yù)報(bào)預(yù)警。

基于ESM的未來暴雨預(yù)測時(shí)間尺度上能夠?qū)崿F(xiàn)10～30 d延伸期至年的無縫鏈接，空間尺度上能夠達(dá)到區(qū)縣級。NWP降雨數(shù)據(jù)可以通過市氣象局從氣象預(yù)報(bào)云平臺客戶端動態(tài)獲取，考慮數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換存在時(shí)滯性，提供每日滾動更新2次，時(shí)間分辨率6 h，空間分辨率5 km，預(yù)報(bào)期為10 d的高精度城市網(wǎng)格預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)。將上述城市預(yù)測預(yù)報(bào)暴雨作為城市暴雨洪澇模擬模型的輸入，可對不同情景下城市暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

1.3 多源信息融合的城市暴雨洪澇災(zāi)害分級預(yù)警

根據(jù)城市暴雨洪澇預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果對暴雨洪澇進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)和快速應(yīng)對，然而，時(shí)效性仍需提高。多網(wǎng)聯(lián)合構(gòu)建天地空一體化的城市暴雨洪澇災(zāi)害監(jiān)測監(jiān)控體系，將城市水情自動測報(bào)系統(tǒng)、雨水情數(shù)據(jù)采集儀、易澇點(diǎn)水位傳感器、監(jiān)測監(jiān)控視頻系統(tǒng)和高分衛(wèi)星等監(jiān)測的海量多源近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)采集、快速傳輸、高效處理和動態(tài)存儲，耦合雨情、水情、工情及災(zāi)情等數(shù)據(jù)資源，采用數(shù)據(jù)集成、信息融合與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對歷史和動態(tài)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行深度挖掘。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對全網(wǎng)社會化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲等方法動態(tài)采集和分析城市暴雨洪澇社會化數(shù)據(jù)，挖掘與城市暴雨洪澇災(zāi)害相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)輿情、災(zāi)害救援、次生及衍生災(zāi)害等數(shù)據(jù)資源，揭示網(wǎng)絡(luò)輿情等社會化數(shù)據(jù)的傳播特性，根據(jù)其動態(tài)演化過程進(jìn)行預(yù)警。

將動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到城市暴雨洪澇模擬模型中，對模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步校正。將基于模型模擬和動態(tài)監(jiān)測的城市易澇點(diǎn)淹沒面積、深度、受災(zāi)范圍等預(yù)警信息按照閾值劃分為不同的等級，并通過移動代理短信服務(wù)、微信公眾號等多種方式推送給管理部門、業(yè)務(wù)人員和社會公眾，從而實(shí)現(xiàn)城市暴雨洪澇災(zāi)害的分級預(yù)警。

1.4 基于綜合集成的城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案

城市暴雨洪澇災(zāi)害因其不確定性具有突發(fā)事件特征，我國2003年頒發(fā)了《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》，提出了應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急管理體制、機(jī)制與法制的“一案三制”為核心的突發(fā)事件應(yīng)急管理體系。以城市防洪減災(zāi)為例，水利部、各省區(qū)市人民政府及相關(guān)管理部門制定了一系列應(yīng)急預(yù)案，例如:《國家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》《陜西省防汛應(yīng)急預(yù)案》《西安市防汛應(yīng)急預(yù)案》等。城市防汛應(yīng)急預(yù)案為城市防洪減災(zāi)提供了指導(dǎo)性文件，通過建立人防、物防、技防相結(jié)合的城市防汛應(yīng)急預(yù)案，提高暴雨洪澇汛情、險(xiǎn)情和災(zāi)情的快速獲取和應(yīng)對水平，最大程度減少因?yàn)?zāi)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失提供依據(jù)。

傳統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案難以滿足快速應(yīng)急響應(yīng)要求，需要采用信息技術(shù)將城市防汛應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行數(shù)字化處理、流程化描述、可視化表達(dá)和知識化管理，將不同的災(zāi)害類別和應(yīng)急響應(yīng)等級按照主題化服務(wù)模式組織應(yīng)用，根據(jù)不同情景主題關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、模型和方法，建立可視化、組件化和松散耦合的情景應(yīng)急預(yù)案。同時(shí)，要基于綜合集成平臺開展會商研討，根據(jù)預(yù)測預(yù)報(bào)和分級預(yù)警結(jié)果啟動應(yīng)急響應(yīng)，優(yōu)化應(yīng)急處置方案，有序組織應(yīng)急處置、救援與善后工作，多部門應(yīng)急指揮聯(lián)動，確保城市防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)工作高效有序進(jìn)行。

1.5 基于數(shù)字孿生的城市暴雨洪澇災(zāi)害防洪預(yù)演

預(yù)演在城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對中可以理解為防洪預(yù)演、模擬預(yù)演、防洪調(diào)度或者應(yīng)急預(yù)案演練等，采用信息技術(shù)對不同預(yù)測預(yù)報(bào)情景下的城市防洪減災(zāi)過程以及水庫、水閘、擋水設(shè)施、蓄滯洪區(qū)等防洪工程調(diào)度進(jìn)行模擬預(yù)演，或者對不同預(yù)警等級下的應(yīng)急響應(yīng)及應(yīng)急處置等進(jìn)行演練，也可以用于城市暴雨洪澇災(zāi)害情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)、分級預(yù)警、應(yīng)急預(yù)案的綜合演練。通過預(yù)演能夠很好發(fā)現(xiàn)城市暴雨洪澇應(yīng)對中存在的潛在問題，科學(xué)模擬防洪工程調(diào)度的適用性，檢驗(yàn)應(yīng)急響應(yīng)及應(yīng)急處置措施的有效性，強(qiáng)化城市防洪減災(zāi)過程中救援人員、物資和機(jī)械協(xié)同保障能力。預(yù)演過程中指揮機(jī)構(gòu)、專家學(xué)者、技術(shù)人員和社會公眾等共同參與、協(xié)同應(yīng)對，高效利用指揮機(jī)構(gòu)的應(yīng)急管理水平，發(fā)揮專家學(xué)者的智庫作用，提高基層組織、社會公眾的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)意識和技術(shù)人員的綜合救援能力，優(yōu)化和改進(jìn)城市暴雨洪澇應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急機(jī)制，實(shí)現(xiàn)常態(tài)、突發(fā)和極端等不同狀態(tài)下城市防洪減災(zāi)應(yīng)急機(jī)制的有機(jī)銜接。

城市暴雨洪澇災(zāi)害成因與防洪減災(zāi)過程的復(fù)雜性使得在預(yù)演中難以對城市暴雨洪澇災(zāi)害產(chǎn)生、發(fā)展及其應(yīng)對的全過程進(jìn)行再現(xiàn)，基于DTC能夠在一定程度上解決上述問題?；跀?shù)字孿生的城市暴雨洪澇災(zāi)害防洪預(yù)演依托DTC和電子沙盤模型搭建城市平行系統(tǒng)，通過透徹感知、萬物互聯(lián)、深度整合實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的相互映射，在此基礎(chǔ)上集成洪澇模擬、情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)、預(yù)警數(shù)據(jù)與成果資料，融入人員、物資和機(jī)械等，虛實(shí)結(jié)合開展防洪演練。

2 “五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制的關(guān)鍵支撐技術(shù)

針對變化環(huán)境下城市暴雨洪澇災(zāi)害關(guān)鍵問題，基于“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制開展暴雨洪澇災(zāi)害的事前情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)，事發(fā)初期和事中的動態(tài)監(jiān)測與分級預(yù)警，貫穿災(zāi)害演化全過程的應(yīng)急預(yù)案和防洪預(yù)演，為城市防洪減災(zāi)提供理論依據(jù)和決策支持。城市暴雨洪澇“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)主要包括：城市洪澇模擬、ESM、滾動氣候預(yù)測、NWP、三維電子沙盤、綜合集成平臺和DTC等。

2.1 城市洪澇模擬

城市暴雨洪澇模型是研究城市暴雨洪澇致災(zāi)機(jī)理、揭示暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)、評估城市防洪減災(zāi)效果的基礎(chǔ)[16]。目前，國內(nèi)外研發(fā)了一系列城市暴雨洪澇模型，被廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪澇模擬中：國外主要有美國環(huán)境保護(hù)署(Environmental Protection Agency，EPA)開發(fā)的暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)和丹麥水利研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發(fā)的MIKE系列模型等；國內(nèi)，中國水利水電科學(xué)研究院較早開發(fā)了城市洪澇仿真模型并在多個城市得到應(yīng)用，考慮到氣象水文以及城市特征的差異性，結(jié)合我國城市水文及水動力學(xué)特征研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的城市暴雨洪澇模擬模型，通過將情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)降雨作為模型輸入快速得到高精度模擬結(jié)果，為城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對提供強(qiáng)有力支撐。

2.2 地球系統(tǒng)模式

ESM根據(jù)地球不同圈層間的物理、化學(xué)、生物和動力過程建立數(shù)學(xué)方程組，采用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解，是分析歷史氣候和環(huán)境演化機(jī)理、預(yù)估未來氣候變化的重要工具。全球112個ESM參加了第六次國際耦合模式比較計(jì)劃(coupled model intercomparison project phase 6，CMIP6)[17]。我國參加CMIP6的ESM主要包括：國家氣候中心的BCC-ESM、北京師范大學(xué)的BNU-ESM、中國氣象科學(xué)研究院的CAMS-CSM、中國科學(xué)院大氣物理研究所的CasESM和FGOALS、清華大學(xué)的CIESM、自然資源部第一海洋研究所的FIO-RONM、南京信息工程大學(xué)的NUIST等，將在CMIP6中貢獻(xiàn)更多中國方案。隨著地球系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的進(jìn)一步完善和高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，未來ESM結(jié)果將更為可靠且分辨率更高，基于ESM可以預(yù)估未來情景下城市暴雨，同時(shí)可為短期氣候預(yù)測和NWP提供依據(jù)。

2.3 滾動氣候預(yù)測

氣候預(yù)測至今仍然是個世界難題，我國是開展短期氣候預(yù)測較早的國家之一[18]，國家氣候中心建立了支撐我國現(xiàn)代氣候預(yù)測業(yè)務(wù)的動力氣候模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)(dynamical climate model prediction system，DCMPS)和氣候預(yù)測業(yè)務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)對覆蓋10～30 d的延伸期、月、季度、年際以及年代際等不同時(shí)間尺度，全球、亞洲、東亞、中國、不同氣候區(qū)和省市縣等不同空間尺度，氣候要素、氣候現(xiàn)象、氣候事件以及氣候?yàn)?zāi)害等的預(yù)測[19]?；趧恿?統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)測方法以及氣候模式開展區(qū)域氣候預(yù)測可為城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)提供參考，尤其是考慮到氣候條件的復(fù)雜性、動態(tài)變化特征與不確定性，動態(tài)跟蹤氣候演化過程的滾動氣候預(yù)測將在城市暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮更大作用。

2.4 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

NWP在我國起步于20世紀(jì)50年代，目前已成為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要基礎(chǔ)[20]。國內(nèi)外研發(fā)了一系列NWP業(yè)務(wù)模式，主要包括：歐洲ECMWF模式、美國NCEP模式和中國氣象局的新一代GRAPES模式。GRAPES包括全球中期預(yù)報(bào)模式(GRAPES_GFS)、區(qū)域中尺度模式(GRAPES_Meso)以及基于GRAPES_Meso發(fā)展的中國區(qū)域內(nèi)GRAPES。前期應(yīng)用實(shí)踐表明,GRAPES在預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、可用預(yù)報(bào)時(shí)效和預(yù)報(bào)精度等方面較好，能夠?qū)崿F(xiàn)對未來10 d的短期和短臨降雨每間隔6 h的滾動預(yù)報(bào)，空間分辨率達(dá)到1～2 km，尤其是對暴雨等強(qiáng)對流天氣有較好預(yù)報(bào)效果，可為城市暴雨預(yù)報(bào)提供支撐?；贓SM、滾動氣候預(yù)測、NWP結(jié)合城市洪澇模擬結(jié)果為城市暴雨洪澇的情景預(yù)估、預(yù)測預(yù)報(bào)和分級預(yù)警提供支撐。

2.5 三維電子沙盤

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，綜合采用數(shù)字地球模型、多源信息融合、3S集成和組件化軟件開發(fā)等技術(shù)構(gòu)建電子沙盤模型，提供一個地形地貌地物逼真呈現(xiàn)、過程動態(tài)且可視可信、沉浸式人機(jī)交互的城市實(shí)景三維環(huán)境，為城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估、模擬仿真、分級預(yù)警和DTC搭建提供基礎(chǔ)支撐。通過數(shù)據(jù)集成與多源信息融合、電子沙盤開發(fā)、沙盤業(yè)務(wù)應(yīng)用以及人機(jī)交互界面為用戶提供服務(wù)[21]?；陔娮由潮P實(shí)現(xiàn)城市三維地形地貌地物以及城市水系、排水管網(wǎng)、監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施、防汛工程等空間地理信息的集成，不同情景下城市暴雨洪澇災(zāi)害模擬仿真，預(yù)估、預(yù)測、預(yù)報(bào)暴雨的空間可視化，城市暴雨洪澇災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測和分級預(yù)警，應(yīng)急預(yù)案可視化等。通過接口層和客戶層實(shí)現(xiàn)三維電子沙盤業(yè)務(wù)應(yīng)用的拓展與人機(jī)交互。

2.6 綜合集成平臺

1990年，錢學(xué)森等[22]在《自然雜志》刊文提出了“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”概念及其研究方法體系，創(chuàng)立了系統(tǒng)科學(xué)的新理論，通過搭建綜合集成研討廳(hall for workshop of meta-synthesis engineering，HWME)為綜合集成方法的實(shí)現(xiàn)與演練提供平臺支撐。遵循綜合集成思想，課題組依托云服務(wù)和大數(shù)據(jù)中心，按照面向服務(wù)架構(gòu)，采用綜合集成方法虛擬化各類數(shù)據(jù)、資源，通過資源整合、信息共享、松散耦合配置，整合多種信息技術(shù)研發(fā)了知識可視化綜合集成平臺[23]。該平臺前期已在城市暴雨洪澇災(zāi)害雨水情主題化服務(wù)、應(yīng)急預(yù)案過程化管理和災(zāi)害事件防洪預(yù)演等業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用，為城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對提供平臺支撐。通過將“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制中涉及的數(shù)據(jù)、模型、方法等進(jìn)行綜合集成應(yīng)用，基于綜合集成平臺將城市暴雨洪澇災(zāi)害演化的事前、事中和事后全過程進(jìn)行流程化描述、可視化表達(dá)和組件化開發(fā)，對城市暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行動態(tài)化、可視化管理，提升城市暴雨洪澇災(zāi)害的全過程應(yīng)對能力，為管理部門和社會公眾開展防洪減災(zāi)提供決策支持。

2.7 數(shù)字孿生城市

DTC是新一代信息技術(shù)在城市的綜合集成應(yīng)用，通過集成城市物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型和城市信息模型平臺，構(gòu)建城市時(shí)空大數(shù)據(jù)和未來趨勢推演的綜合信息載體，具備精準(zhǔn)映射、模擬仿真、虛實(shí)融合等特征，可重復(fù)性且可視化效果好、模擬結(jié)果可控，適用于城市暴雨洪澇災(zāi)害防洪預(yù)演[24]?；诔鞘形锫?lián)網(wǎng)平臺和傳感器全息感知物理城市，在三維電子沙盤上建立與物理城市精準(zhǔn)映射的DTC，將動態(tài)搜集的城市全要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)、語義化建模、場景圖層和實(shí)體模型的可視化渲染，對城市動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)、空間分析、模擬仿真結(jié)果按照多層次細(xì)節(jié)模型進(jìn)行應(yīng)用?；贒TC良好的模擬仿真和推演能力實(shí)現(xiàn)城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估、災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案模擬演練、易澇點(diǎn)的自動發(fā)現(xiàn)與精準(zhǔn)定位、人員和交通軌跡追溯、防洪工程優(yōu)化調(diào)度和防洪物資優(yōu)化調(diào)配等業(yè)務(wù)，同時(shí)通過桌面端、移動端等多終端展示方式，滿足不同應(yīng)對場景應(yīng)用需求。

3 討論和結(jié)論

氣候變化和城鎮(zhèn)化發(fā)展對城市暴雨洪澇災(zāi)害防治提出了更高的要求，針對“百年一遇”“千年一遇”較大不確定性的暴雨洪澇災(zāi)害，通過開展城市暴雨洪澇災(zāi)害情景預(yù)估、中短期的暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)、近實(shí)時(shí)的暴雨洪澇災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測和分級預(yù)警、貫穿暴雨洪澇災(zāi)害演化全過程的應(yīng)急預(yù)案和防洪預(yù)演，改傳統(tǒng)的事后分析和被動應(yīng)對為事前預(yù)估、預(yù)測和預(yù)報(bào)，事發(fā)初期的預(yù)警以及城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案和防洪預(yù)演，以“五預(yù)”應(yīng)對萬變，切實(shí)做好“預(yù)”和“防”的工作，在災(zāi)害面前有備無患。

城市暴雨洪澇災(zāi)害“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制需要諸多理論、模型、技術(shù)和方法支撐，其中，城市洪澇模擬模型是深入研究城市暴雨洪澇特征與致災(zāi)機(jī)理的基礎(chǔ)，基于ESM可以得到未來百年尺度城市預(yù)估降雨，滾動氣候預(yù)測可以對月、季節(jié)以及年尺度氣候異常和暴雨實(shí)現(xiàn)預(yù)測，NWP可提供周、旬尺度預(yù)報(bào)降雨以及暴雨等強(qiáng)對流天氣的短臨預(yù)報(bào)，三維電子沙盤和綜合集成平臺則可為城市多源信息融合、暴雨洪澇災(zāi)害的分級預(yù)警、應(yīng)急管理、防洪預(yù)演等提供應(yīng)用支撐平臺，DTC通過沉浸式的災(zāi)害事件孿生和人機(jī)交互提供逼真的防洪預(yù)演環(huán)境。諸如ESM、NWP和DTC等關(guān)鍵技術(shù)仍存在瓶頸，通過解決上述卡脖子問題可為城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對提供強(qiáng)有力的技術(shù)與平臺支撐，推動相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步。

海綿城市、城市地下綜合管廊以及城市易澇點(diǎn)的綜合整治等工程措施可以在一定程度上提升城市防洪減災(zāi)能力，“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制通過降雨預(yù)估為城市規(guī)劃、城市排水與防洪排澇設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)，通過中短期的氣候預(yù)測、短期和短臨天氣預(yù)報(bào)、近實(shí)時(shí)的預(yù)警為提前做好防洪減災(zāi)措施提供參考，通過擬定應(yīng)急預(yù)案、開展防洪預(yù)演、啟動應(yīng)急響應(yīng)、制定應(yīng)對方案等為有序應(yīng)對暴雨洪澇災(zāi)害提供技術(shù)指導(dǎo)。與此同時(shí)，我們認(rèn)識到城市暴雨洪澇災(zāi)害應(yīng)對是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其是目前針對城市尺度暴雨預(yù)估預(yù)測、暴雨精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、城市實(shí)景三維孿生等仍然是科學(xué)和技術(shù)難題。“五預(yù)”應(yīng)對機(jī)制的提出為系統(tǒng)解決城市暴雨洪澇災(zāi)害問題提供了一個新的思路，需要多學(xué)科交叉理論和技術(shù)的深入研究以及實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。