黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)的關(guān)鍵科學(xué)問題

雍 斌，張建云，王國慶

(1. 水災(zāi)害防御全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

黃河源區(qū)是黃河流域重要產(chǎn)流區(qū)，素有“黃河水塔”之稱[1]。源區(qū)集水面積12.2萬km2，僅占黃河流域總面積的15%，但多年平均徑流量為205.2億m3，占黃河總徑流量的38%，上游源區(qū)來水對(duì)整體資源性缺水的黃河流域來說至關(guān)重要[2]。源區(qū)出口站唐乃亥水文站是龍羊峽水庫的入庫站，而龍羊峽是黃河干流上最大的多年調(diào)節(jié)水庫。因此，黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)對(duì)龍羊峽、劉家峽等黃河上游梯級(jí)水庫群的洪水資源化調(diào)度，乃至整個(gè)黃河流域的水旱災(zāi)害防御都起著舉足輕重的作用。

目前，黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)主要包括短中期洪水預(yù)報(bào)與中長期徑流預(yù)測。未來1～7 d業(yè)務(wù)化的短中期預(yù)報(bào)主要采用站點(diǎn)觀測降水與模式預(yù)報(bào)降水的拼接，然后驅(qū)動(dòng)水文模型，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)[3]。以唐乃亥站為例，2019—2021年1～3 d的預(yù)報(bào)精度約為85%，4～7 d的預(yù)報(bào)精度僅為50%，預(yù)報(bào)精度不能完全滿足防洪調(diào)度需求(預(yù)報(bào)精度數(shù)據(jù)來自黃河水利委員會(huì)水文局汛期徑流預(yù)報(bào)記錄)。另一方面，中長期預(yù)測目前仍以旬、月尺度的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析為主，未來8～45 d的日徑流預(yù)測仍為空白(龍羊峽水庫在當(dāng)月中旬必須確定下一個(gè)月的調(diào)度方案，生產(chǎn)需求的預(yù)見期為45 d)。預(yù)見期短導(dǎo)致上游來水無法準(zhǔn)確預(yù)測，每年汛期棄水的經(jīng)濟(jì)損失巨大。以龍羊峽為例，2019年汛期棄水導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失超過了40億元(數(shù)據(jù)來自龍羊峽水電站未用于發(fā)電的汛期棄水記錄)；而且，經(jīng)大壩泄水道排泄的棄水會(huì)產(chǎn)生大量霧雨，嚴(yán)重侵蝕龍羊峽對(duì)面的虎山坡，易于形成山體滑坡，從而威脅大壩安全。因此，提高預(yù)報(bào)精度、延長預(yù)見期是黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，科學(xué)意義與工程價(jià)值重大。

1 高海拔缺資料地區(qū)的降水觀測與降水預(yù)報(bào)

降水是水文預(yù)報(bào)的重要驅(qū)動(dòng)要素，也是影響水文預(yù)報(bào)精度與預(yù)見期的關(guān)鍵因子[4]。尤其是在缺資料地區(qū)，降水對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響程度甚至超過了模型結(jié)構(gòu)。多年的黃河上游水文作業(yè)預(yù)報(bào)指出：降水是影響黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)精度最主要、最直接的因子。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的輸入降水主要包括觀測降水和預(yù)報(bào)降水，觀測降水的獲取方式通常包括雨量計(jì)、雷達(dá)和衛(wèi)星3種，而預(yù)報(bào)降水則來自各種短中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和中長期氣候預(yù)測模式。

1.1 觀測降水

黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，流域面積為12.2萬km2，隸屬典型的高寒山區(qū)地貌，巴顏喀拉山、阿尼瑪卿山、岷山等高大山脈分布其間，平均海拔約4 000 m(圖1)。由于山體阻隔，流域內(nèi)沒有安裝地基雷達(dá)(最近的多普勒氣象雷達(dá)部署在西寧，遠(yuǎn)離源區(qū))。因此，降水的地面觀測主要依賴雨量站。然而，復(fù)雜的高山地形和多變的高寒氣候，使得雨量計(jì)安裝與維護(hù)極為困難。國家氣象局在流域內(nèi)布設(shè)的雨量站僅有12個(gè)，黃河水利委員會(huì)水文局布設(shè)有52個(gè)雨量站(其中位于極高海拔區(qū)的邊塞加隆站尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，圖1)，平均約2 500 km21個(gè)雨量站，離水文預(yù)報(bào)需求的500多個(gè)差了近10倍。而且，已有站點(diǎn)大多分布在地勢平緩的河谷地帶，空間上不具代表性，難以捕捉局地降水的小尺度變異特性。因此，地面觀測降水獲取困難，嚴(yán)重制約了黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)精度。

圖1 黃河源區(qū)雨量站與水文站的空間分布(唐乃亥站以上流域)Fig.1 Map of rainfall gauges and hydrological stations in the headwater area of the Yellow River(upstream basin with the outlet of Tangnaihai station)

觀測降水是短中期水文預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，在作業(yè)預(yù)報(bào)中主要有3個(gè)作用：一是預(yù)熱水文模型，確定水文預(yù)報(bào)的前期狀態(tài)變量；二是直接驅(qū)動(dòng)水文模型，進(jìn)行洪水/徑流的短臨預(yù)報(bào)；三是在滾動(dòng)預(yù)報(bào)中動(dòng)態(tài)校正模式輸出的預(yù)報(bào)降水，進(jìn)一步提高徑流預(yù)報(bào)精度。黃河上游大量作業(yè)預(yù)報(bào)結(jié)果表明：源區(qū)預(yù)報(bào)的徑流量經(jīng)常被低估，其主要原因是觀測降水偏低。由于地面雨量站點(diǎn)稀疏，流域內(nèi)部分區(qū)域降水未被觀測到，從而導(dǎo)致汛期的預(yù)報(bào)徑流經(jīng)常低于觀測徑流。因此，如何獲取高精度、高分辨率的觀測降水成為黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

除了地面站點(diǎn)，衛(wèi)星反演是從空中快速獲取大范圍降水信息的一種重要手段。在衛(wèi)星降水領(lǐng)域，近年來國際上主要圍繞熱帶降水觀測計(jì)劃(TRMM，1997—2014年)和全球降水觀測計(jì)劃(GPM，2014年—)開展，即依托覆蓋全球的降水衛(wèi)星族群，綜合運(yùn)用多平臺(tái)(地球同步軌道與近地軌道衛(wèi)星)、多傳感器(星載雷達(dá)、微波、紅外)、多模式(主動(dòng)和被動(dòng))、多通道的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)展基于多衛(wèi)星的聯(lián)合反演降水系統(tǒng)[5]。圍繞TRMM和GPM，國際降水工作組(IPWG)的科研人員已經(jīng)開展了大量研發(fā)工作，其中最具代表性的新一代多衛(wèi)星聯(lián)合反演降水系統(tǒng)包括IMERG、CMORPH和GSMaP等[6]。這些系統(tǒng)的基本原理是一致的，即采用精度最高的星載雷達(dá)去校正微波，再用精度較高、但時(shí)空覆蓋度低的微波去校正時(shí)空覆蓋度高、但精度低的紅外，然后實(shí)現(xiàn)紅外與微波的相互插補(bǔ)，再用地面站點(diǎn)進(jìn)行訂正融合，最終產(chǎn)生時(shí)空連續(xù)的高精度多源降水融合產(chǎn)品。其中，星載雷達(dá)是關(guān)鍵的變革性技術(shù)，該技術(shù)將測雨雷達(dá)小型化，并用衛(wèi)星搭載，可直接從空中獲取高精度降水信息。例如，GPM主衛(wèi)星搭載的星載雙頻降雨雷達(dá)(GPM-DPR)具有很強(qiáng)的云層穿透能力，可精準(zhǔn)探測降水的三維空間信息，并準(zhǔn)確判識(shí)降水的結(jié)構(gòu)和相態(tài)，為全球微波星和紅外星的降水反演提供了大范圍、高精度的空中標(biāo)定基準(zhǔn)，有效降低了多衛(wèi)星聯(lián)合反演降水的系統(tǒng)誤差[6]。

與國際相比，國內(nèi)的衛(wèi)星降水研究起步稍晚，近年來主要集中在風(fēng)云系列衛(wèi)星的降水反演[7-8]。2000年初，全國水文部門開始采用風(fēng)云2C熱紅外遙感反演的云頂亮溫來估算面降水量，而云頂亮溫與降水量之間缺少直接物理聯(lián)系，加之風(fēng)云2C本身數(shù)據(jù)精度與分辨率的限制，導(dǎo)致反演降水精度不高；2016年，中國成功發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星搭載了先進(jìn)的靜止軌道輻射成像儀和大氣垂直探測儀，風(fēng)云4A紅外數(shù)據(jù)(4 km4 km)比原先的風(fēng)云2C(10 km10 km)具有更高的空間分辨率，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量也得到顯著提升[7]；2023年，中國發(fā)射了風(fēng)云降水衛(wèi)星(FY-3RM)，這是中國首顆、也是全球第3顆降水監(jiān)測衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3RM搭載了國產(chǎn)的星載雙頻降雨雷達(dá)(DPR)和17通道微波成像儀(MWRI)，填補(bǔ)了中國星載主動(dòng)式氣象遙感載荷技術(shù)的空白，為國內(nèi)高精度衛(wèi)星降水觀測奠定了重要基礎(chǔ)，國產(chǎn)衛(wèi)星已展現(xiàn)出越來越廣闊的氣象水文應(yīng)用前景[9]。另一方面，部分學(xué)者也在積極探索國際衛(wèi)星反演與中國高密度地面觀測網(wǎng)的多源降水信息融合技術(shù)，例如Shen等[10]采用概率密度函數(shù)匹配與最優(yōu)插值的融合算法(PDF-OI)將美國CMORPH衛(wèi)星反演與中國3萬多個(gè)自動(dòng)雨量站的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行融合，研制了中國小時(shí)降水融合產(chǎn)品CMPA(1 h、0.1°×0.1°)，該產(chǎn)品已被國內(nèi)外氣象水文用戶廣泛使用。

綜上所述，構(gòu)建高精度、高時(shí)空分辨率的高原寒區(qū)實(shí)況雨量場，是黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)的關(guān)鍵科學(xué)難題。然而，現(xiàn)行的多源降水融合與同化系統(tǒng)大多面向全球尺度或區(qū)域尺度，流域尺度上還達(dá)不到水文預(yù)報(bào)需求的精度。尤其是在高海拔復(fù)雜氣候背景下的黃河源區(qū)，多源降水融合過程除了充分利用衛(wèi)星反演和地面觀測，還需綜合考慮地形、冰雪、季節(jié)特性、氣候分區(qū)等多種因素的影響。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)基于新一代星載雷達(dá)、微波和紅外數(shù)據(jù)的多衛(wèi)星聯(lián)合反演降水技術(shù)，增加雨量站點(diǎn)密度并改進(jìn)地面觀測手段(如地基雷達(dá))，發(fā)展考慮多要素的高寒區(qū)多源降水融合與同化算法，提高流域(或計(jì)算單元)面降水量的估算精度，是解決缺資料黃河源區(qū)觀測降水獲取困難的可行方式。

1.2 預(yù)報(bào)降水

除了觀測降水，預(yù)報(bào)降水是水文預(yù)報(bào)的另一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)，對(duì)提高水文預(yù)報(bào)精度和延長預(yù)見期都起著決定性作用。但是，由于降水本身具有顯著的非線性、隨機(jī)性和復(fù)雜性，使得降水預(yù)報(bào)成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。近年來，中國氣象局逐步將美國MM5、GFS、CFS，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和中國GRAPES等國內(nèi)外主流模式的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送給水文部門，有效提升了各大流域機(jī)構(gòu)的氣象水文預(yù)報(bào)水平。以黃河流域?yàn)槔?，目前已采用多種模式的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行汛期氣象水文會(huì)商分析，但實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中仍依賴單一模式的預(yù)報(bào)降水驅(qū)動(dòng)水文模型進(jìn)行未來1～7 d的水文預(yù)報(bào)。這種基于單一模式的水文預(yù)報(bào)精度不高、預(yù)見期短，且缺少不確定性信息。尤其是在高海拔復(fù)雜氣候條件下的黃河源區(qū)，單一模式無法準(zhǔn)確表達(dá)高原降水發(fā)生的氣候?qū)W成因，其預(yù)報(bào)降水的不確定性更大，從而嚴(yán)重影響了短中期洪水預(yù)報(bào)精度和中長期徑流預(yù)測能力。

與單一模式預(yù)報(bào)不同，集合預(yù)報(bào)可綜合多個(gè)模式的特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更高精度、更長預(yù)見期的氣象水文預(yù)報(bào)，并提供不確定性信息[11]。最早的業(yè)務(wù)化集合預(yù)報(bào)雛形始于20世紀(jì)90年代，美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和ECMWF首先發(fā)布了業(yè)務(wù)氣象集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品[12-13]。2000年后，集合預(yù)報(bào)進(jìn)入快速發(fā)展期，其中最具代表性的是世界氣象組織發(fā)起的全球觀測系統(tǒng)研究與可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)(THORPEX)，該項(xiàng)目建立了交互式全球超級(jí)集合預(yù)報(bào)資料庫TIGGE，涵蓋了全球10多個(gè)預(yù)報(bào)中心未來1～14 d的集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，為世界各國的氣象水文預(yù)報(bào)研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[14]。此外，傳統(tǒng)的氣象數(shù)值預(yù)報(bào)一般側(cè)重在1～14 d的短中期預(yù)報(bào)和1～12個(gè)月的中長期預(yù)報(bào)，往往忽視了3～10周的次季節(jié)預(yù)報(bào)，而這個(gè)時(shí)間尺度對(duì)中長期徑流預(yù)測與水資源優(yōu)化調(diào)度至關(guān)重要(例如，龍羊峽調(diào)度需求的預(yù)見期約為7周)。2013年，世界氣象組織發(fā)起了次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)研究項(xiàng)目(S2S)，該項(xiàng)目建立了包含全球11個(gè)氣候模式的次季節(jié)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)資料庫[15]，這些次季節(jié)氣候預(yù)報(bào)模式的發(fā)展與應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)短中期與中長期的無縫隙氣象水文預(yù)報(bào)提供了重要途徑[16]。

中國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研發(fā)工作稍晚于歐美，但近年來發(fā)展迅速。1996年，中國氣象局建立了中國第一代氣象集合預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并于1999年實(shí)現(xiàn)了氣象集合預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化試運(yùn)行[17]。2001年，中國氣象局開展了全球/區(qū)域通用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES(現(xiàn)在是CMA-GFS/MESO系統(tǒng))的研發(fā)工作[18]；2016年，CMA-GFS投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，并面向全國氣象和水文部門下發(fā)產(chǎn)品；2018年，CMA-GFS升級(jí)為四維變分同化天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，標(biāo)志著中國業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)邁入國際前列；2019年，中尺度天氣數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)CMA-MESO實(shí)現(xiàn)了全國3 km3 km高分辨率業(yè)務(wù)化運(yùn)行，成為中央氣象臺(tái)氣象水文預(yù)報(bào)會(huì)商的支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速循環(huán)同化風(fēng)云4A成像儀輻射率、衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)、衛(wèi)星 GNSSRO、雷達(dá)徑向風(fēng)、風(fēng)廓線雷達(dá)、地面雨量站等多源數(shù)據(jù)。2020年汛期實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)結(jié)果表明：最新的CMA-MESO系統(tǒng)對(duì)中國汛期降水的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，總體上超過了ECMWF模式的預(yù)報(bào)結(jié)果[19]。此外，在中長期降水預(yù)測方面，國家氣候中心于2003年開始推動(dòng)氣候預(yù)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自主創(chuàng)新，至今已演進(jìn)到第3代，最新的CMA-CPS系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)“次季節(jié)-季節(jié)-年際”的多尺度氣候預(yù)測一體化，其中降水、大氣環(huán)流等預(yù)測能力優(yōu)于美國和日本的現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)[20]，被科技部推選為國家“十三五”重大科技創(chuàng)新成果。國家級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式與氣候預(yù)測模式的快速發(fā)展，為水文部門構(gòu)建高分辨率預(yù)報(bào)雨量場提供了重要的氣象業(yè)務(wù)支撐，但氣象部門與水文部門之間的前沿技術(shù)交叉研究亟待加強(qiáng)，氣象預(yù)報(bào)與水文預(yù)報(bào)之間的關(guān)鍵技術(shù)壁壘亟待打通。

綜上所述，加強(qiáng)水文氣象的學(xué)科交叉與融合，開展定量降水預(yù)報(bào)的研究與應(yīng)用，進(jìn)一步延長預(yù)見期，將是中國水文預(yù)報(bào)未來發(fā)展的一個(gè)重要方向[4]。目前，國內(nèi)外先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式與氣候預(yù)測模式，已為實(shí)現(xiàn)短中期與中長期高精度定量降水預(yù)報(bào)提供了基礎(chǔ)條件，這也是提高黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)精度并延長預(yù)見期的關(guān)鍵所在。未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)中國自主研發(fā)的國家級(jí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和氣候預(yù)測模式在水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，著力發(fā)展無縫隙集合預(yù)報(bào)、WRF動(dòng)力降尺度、預(yù)報(bào)降水的實(shí)時(shí)校正與誤差溯源等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建多尺度氣象水文耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，從而有效提高不同尺度流域的洪水/徑流預(yù)報(bào)精度并延長預(yù)見期。

2 寒區(qū)水文模型構(gòu)建與氣象水文耦合系統(tǒng)集成

2.1 黃河流域水文預(yù)報(bào)模型的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60—70年代，黃河流域早期洪水作業(yè)預(yù)報(bào)主要采用上下游相應(yīng)水位及降水徑流相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)精度很大程度上依賴于首席預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，黃河水利委員會(huì)水文局建立了“黃河三花間(三門峽—花園口區(qū)間)實(shí)時(shí)洪水聯(lián)機(jī)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)針對(duì)三花間不同子流域的水文地理特點(diǎn)，采用了多模型預(yù)報(bào)方案，選用的水文模型包括新安江模型、霍頓模型、坦克模型、包夫頓下滲模型及經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型等[21]。2000年以來，在國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期/二期工程等項(xiàng)目支持下，黃河水利委員會(huì)水文局研發(fā)了“黃河洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包含了一系列適用于黃河流域不同區(qū)域產(chǎn)匯流特性的水文模型庫，在黃河洪水預(yù)報(bào)的實(shí)際業(yè)務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用[22]。其中，在渭河中下游、三花區(qū)間、大汶河流域等濕潤半濕潤地區(qū)，主要采用以蓄滿產(chǎn)流為主的新安江模型；在黃土高原等干旱半干旱地區(qū)，主要采用霍頓模型、陸渾模型、雙超產(chǎn)流模型及河北雨洪模型等[23]。近年來，黃河水利委員會(huì)水文局與國內(nèi)高校聯(lián)合開展了黃河流域分布式水文模型預(yù)報(bào)實(shí)踐研究，其中具有代表性的是“黃河小花間(小浪底—花園口區(qū)間)分布式水文模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)同時(shí)采用分布式三水源新安江模型與分布式TOPKAPI模型，在小花間取得了較好的實(shí)際預(yù)報(bào)效果[24]。目前，黃河水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)需求，采用了多模型/多方案組合的方式，集成了黃河流域72個(gè)預(yù)報(bào)斷面的93套預(yù)報(bào)方案，為黃河流域防洪減災(zāi)與水資源調(diào)度提供洪水/徑流實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)。然而，由于高寒區(qū)獨(dú)特的下墊面特征和復(fù)雜的產(chǎn)匯流機(jī)制，源區(qū)水文模型構(gòu)建一直是黃河水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的短板。

2.2 寒區(qū)水文模型研究進(jìn)展與現(xiàn)狀

黃河源區(qū)隸屬中國西北典型的高寒山區(qū)，流域下墊面由于凍土的存在從性質(zhì)上改變了土壤水分運(yùn)移規(guī)律，造成產(chǎn)匯流的不穩(wěn)定，凍土水文的復(fù)雜性給流域徑流模擬與預(yù)報(bào)帶來很大困難。因此，構(gòu)建能客觀表征凍土條件下特殊產(chǎn)匯流機(jī)制且簡單實(shí)用的寒區(qū)水文模型，成為黃河源區(qū)乃至整個(gè)中國北方寒區(qū)水文作業(yè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵科學(xué)難題。

20世紀(jì)80—90年代，中國學(xué)者在寒區(qū)水文過程及其模型構(gòu)建方面開展了大量研究，并取得了一系列重要成果。如楊針娘等[25]系統(tǒng)闡述了中國典型寒區(qū)的冰川水文、凍土水文及雪水文過程，并根據(jù)水量平衡原理建立了中國早期的高山凍土區(qū)產(chǎn)流模型；鄭秀清等[26]詳細(xì)解析了水分在季節(jié)性非飽和凍融土壤中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了凍融土壤水分入滲預(yù)報(bào)方法與水分遷移數(shù)值模型；肖迪芳等[27]針對(duì)凍土條件下的降水—徑流關(guān)系和地下水分割方法，開展了一系列觀測試驗(yàn)與數(shù)值模擬工作。然而，由于復(fù)雜的凍土水分運(yùn)移規(guī)律與水熱耦合特性，加之凍土實(shí)測資料極其匱乏，生產(chǎn)實(shí)踐中可直接應(yīng)用于中國北方地區(qū)的寒區(qū)水文模型相對(duì)較少。近年來，隨著全球變化研究的深入與拓展，寒區(qū)水文模型研究得以快速發(fā)展，其主要研究進(jìn)展分3類闡述如下：

(1) 非凍土區(qū)水文模型的改進(jìn)。由于缺乏通用的寒區(qū)水文模型，最簡單便捷的方法就是根據(jù)目標(biāo)流域的氣候分區(qū)與水文特性，選擇較合適的非凍土區(qū)水文模型進(jìn)行改進(jìn)，這類模型包括新安江模型、SWAT、TOPMODEL、Sacramento和水箱模型等。如關(guān)志成等[28]針對(duì)中國東北寒區(qū)產(chǎn)匯流特點(diǎn)，將氣溫因子引入新安江模型，擴(kuò)展了新安江模型的積雪與融雪出水模擬、土壤水分運(yùn)移模擬、凍土凍結(jié)與融化過程模擬等功能，并將改進(jìn)后的模型應(yīng)用于牡丹江上游季節(jié)性凍土流域的水文預(yù)報(bào)實(shí)踐中；俞鑫穎等[29]基于DEM數(shù)據(jù)與GIS技術(shù)改進(jìn)新安江模型，并利用不同網(wǎng)格的熱量和水分狀態(tài)計(jì)算產(chǎn)匯流，構(gòu)建了分布式冰雪融水-雨水混合水文模型，在烏魯木齊河山區(qū)流域得到應(yīng)用；Fontaine等[30]通過改進(jìn)SWAT模型的融雪徑流模塊，有效提升了SWAT模型在高寒山區(qū)的徑流模擬精度。以上非凍土區(qū)水文模型及其改進(jìn)型的優(yōu)點(diǎn)是簡單實(shí)用，通過調(diào)參可獲得較好的模擬效果；但缺點(diǎn)是不能充分考慮凍土水文的物理過程，而且模型參數(shù)大多是靜態(tài)輸入，只適用于穩(wěn)態(tài)條件，不適用于動(dòng)態(tài)條件。因此，構(gòu)建能夠表達(dá)動(dòng)態(tài)的融冰融雪過程與凍土水分運(yùn)移過程的寒區(qū)專用水文模型是十分必要的。

(2) 寒區(qū)專用水文模型。目前，國際上已經(jīng)研發(fā)了多種融冰融雪徑流模型，其中代表性模型包括斯坦福模型、PROMET、PRMS及SRM模型等。相對(duì)融冰融雪模型，綜合性寒區(qū)水文模型的研制更加困難，其中比較成功的是加拿大氣候與氣象委員會(huì)研發(fā)的CRHM模型[31]，該模型集成了多個(gè)寒區(qū)水文過程模塊，可定量表達(dá)輻射交換、風(fēng)吹雪、積雪升華、積雪融化、土壤凍融、凍土水分遷移和凍土坡面匯流等主要寒區(qū)水文過程，CRHM模型在中國北方部分寒區(qū)流域得到了模擬與驗(yàn)證[32]。此外，中國學(xué)者針對(duì)西北內(nèi)陸河與青藏高原也開展了寒區(qū)專用水文模型研究的探索與實(shí)踐，如康爾泗等[33]根據(jù)HBV模型原理，構(gòu)建了一個(gè)適用于西北干旱區(qū)內(nèi)陸河的概念性水文模型，將黑河山區(qū)流域劃分為高山冰雪凍土帶和山區(qū)植被帶，對(duì)鶯落峽上游的月出山徑流進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào)；陳仁升等[34]針對(duì)中國內(nèi)陸河高寒山區(qū)特點(diǎn)，構(gòu)建了分布式水熱耦合模型DWHC，該模型針對(duì)凍土水熱耦合問題，采用土壤水熱連續(xù)性方程將流域產(chǎn)流、入滲和蒸散發(fā)等過程集成起來，實(shí)現(xiàn)了凍土過程的分布式流域水文模擬；周祖昊等[35]、劉揚(yáng)李等[36]針對(duì)青藏高原氣候和地質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建了耦合“積雪-土壤-砂礫石層”連續(xù)體和“積雪-冰川”水熱過程模擬的青藏高原分布式水文模型WEP-QTP，并在尼洋河流域進(jìn)行了逐日和逐月徑流模擬。然而，現(xiàn)有寒區(qū)專用水文模型的缺點(diǎn)是通用性不強(qiáng)、適用范圍有限且模擬精度不高，離實(shí)際水文作業(yè)預(yù)報(bào)需求仍有較大差距。

(3) 寒區(qū)陸面過程模型。陸面過程模型主要是模擬發(fā)生在陸氣界面上的物理、化學(xué)和生物過程，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)陸-氣耦合過程模擬，寒區(qū)陸面過程模型的研究重點(diǎn)則是凍土-植被-大氣的水熱交換過程。目前，國際上主流的寒區(qū)陸面過程模型包括CoupModel、CLM、SHAW、EASS、HydroSiB2等模型及其改進(jìn)版本。例如，Jansson等[37]研發(fā)的CoupModel整合了輻射、蒸散發(fā)、截留、融雪、土壤水熱運(yùn)移及凍土的凍融過程等寒區(qū)陸面過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，CoupModel在北歐地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，但在中國北方寒區(qū)流域的應(yīng)用相對(duì)較少；Wang等[38]、Song等[39]采用焓的理論，解決了傳統(tǒng)臨界溫度法計(jì)算凍土中冰水相變中的不穩(wěn)定問題，構(gòu)建了寒區(qū)陸面過程模型HydroSiB2-SF，并在黑河上游、阿里地區(qū)、黃河源區(qū)等地依托野外觀測開展了模擬驗(yàn)證。已有研究表明，現(xiàn)行寒區(qū)陸面過程模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠精細(xì)描述垂向的凍土水熱交換過程和輻射過程，但這類模型通常是一維點(diǎn)尺度動(dòng)態(tài)模型，在表達(dá)二維下墊面不均勻性和水分側(cè)向運(yùn)移規(guī)律方面存在明顯缺陷，很難直接應(yīng)用于寒區(qū)流域的徑流模擬與水文預(yù)報(bào)。因此，實(shí)現(xiàn)一維寒區(qū)陸面過程模型與二維分布式水文模型的耦合、開發(fā)分布式寒區(qū)陸面水文過程模型，是開展寒區(qū)流域水文研究的迫切需要。

綜上所述，以上3類建模方式各具特色，為未來寒區(qū)水文預(yù)報(bào)模型發(fā)展提供了重要的理論與技術(shù)支撐，研制能準(zhǔn)確刻畫凍土過程且簡單高效的寒區(qū)專用水文模型是寒區(qū)水文預(yù)報(bào)研究的必然趨勢。然而，該領(lǐng)域一些關(guān)鍵科學(xué)難題尚未解決，有待進(jìn)一步開展深入研究，例如，寒區(qū)流域“降雨-蒸發(fā)-徑流”的三水轉(zhuǎn)換關(guān)系、不同植被類型覆蓋下的凍土水文變化特性，以及季節(jié)性凍土的蓄水調(diào)節(jié)作用與抑制蒸發(fā)作用的相互關(guān)系等。另外，現(xiàn)有模型大多是對(duì)寒區(qū)水文過程基本規(guī)律的表征，缺少對(duì)寒區(qū)水文熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)研究，包括水熱耦合內(nèi)在機(jī)理、水分“固-液-氣”的相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制、冰川融雪徑流的動(dòng)力學(xué)過程等，這方面研究將進(jìn)一步加深模型構(gòu)建者對(duì)寒區(qū)水文物理過程的科學(xué)認(rèn)知。

2.3 黃河源區(qū)水文模型構(gòu)建的關(guān)鍵科學(xué)問題

目前，黃河上游水文作業(yè)預(yù)報(bào)采用了多模型/多方案的對(duì)比預(yù)報(bào)方式，選用的水文模型包括新安江模型、垂向混合產(chǎn)流模型、霍頓模型及“吉邁-瑪曲-唐乃亥”經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方案等[24]。然而，黃河源區(qū)的洪水/徑流預(yù)報(bào)一直是黃河上游水文作業(yè)預(yù)報(bào)的短板，目前尚未研制出針對(duì)黃河源區(qū)獨(dú)特的下墊面特征和產(chǎn)匯流特性的寒區(qū)專用水文模型，已有研究也僅限于對(duì)非凍土區(qū)水文模型的改進(jìn)[40-41]，模型的模擬精度離實(shí)際水文作業(yè)預(yù)報(bào)需求仍存在較大差距。

黃河源區(qū)包括了冰川、積雪、湖沼、高寒草甸及低矮灌木林等不同類型下墊面，其間又廣泛分布著凍土，流域產(chǎn)匯流過程十分復(fù)雜，具有獨(dú)特的高寒山區(qū)混合產(chǎn)流特性。目前，黃河源區(qū)的凍土類型以季節(jié)性凍土為主，多年凍土僅分布在西北部源頭區(qū)及小范圍高山地帶。近66 a的徑流模數(shù)計(jì)算表明：占黃河源區(qū)總面積22%的門瑪區(qū)間 (源區(qū)中游門唐站至瑪曲站之間的子流域，見圖1)產(chǎn)生了44%的徑流量，是源區(qū)的主要產(chǎn)流區(qū)，該區(qū)間下墊面以高寒草甸和季節(jié)性凍土為主。門瑪區(qū)間高寒草甸的厚度約為5～30 cm，草甸下部主要是由土壤和大孔隙砂礫石層構(gòu)成的季節(jié)性凍土。隨著全球變暖，季節(jié)性凍土中土壤水分運(yùn)移機(jī)制及其由冰到水的相態(tài)轉(zhuǎn)化過程將發(fā)生改變。因此，揭示變化環(huán)境下“高寒草甸+季節(jié)性凍土”的動(dòng)態(tài)產(chǎn)流機(jī)制、定量刻畫季節(jié)性凍土的凍融與融凍過程的水熱交換機(jī)理是當(dāng)前黃河源區(qū)水文模型構(gòu)建的關(guān)鍵難題，對(duì)改進(jìn)源區(qū)徑流預(yù)報(bào)具有重要指導(dǎo)意義。

除了產(chǎn)流，匯流是水文模型的另一個(gè)重要模塊，匯流計(jì)算主要包括坡面匯流與河道匯流2個(gè)部分。目前，黃河洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的坡面匯流方法主要有三水源滯后演算法、納什瞬時(shí)單位線法、等流時(shí)線法及變參數(shù)非線性匯流算法等；河道匯流方法主要有馬斯京根法和漫灘洪水蓄率中線法等[21-24]。在實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中，可根據(jù)不同區(qū)域的水文特性與河道特點(diǎn)，選取與之匹配的算法組合進(jìn)行匯流計(jì)算。黃河源區(qū)下墊面條件復(fù)雜，河流以彎曲型為主，彎道數(shù)量多，河道比降和流速差異較大，源區(qū)上、中、下游的匯流特點(diǎn)各不相同。因此，研制適用于黃河源區(qū)下墊面特性的專用匯流模型是源區(qū)水文模型構(gòu)建的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。此外，近年來隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，黃河源區(qū)的高速公路網(wǎng)建設(shè)已初具規(guī)模，高速公路對(duì)自然流域匯流過程的影響值得關(guān)注。2018—2021年，本文團(tuán)隊(duì)通過多次野外勘察發(fā)現(xiàn)：黃河源區(qū)新建的高速公路靠近上坡的單側(cè)出現(xiàn)了大量串珠狀湖沼，特別是在缺少涵洞的路段，高速公路對(duì)坡面匯流的阻斷更為顯著，在一定程度上已經(jīng)改變了自然流域匯流的時(shí)空分布特性。因此，高速公路對(duì)流域匯流過程的阻隔效應(yīng)及其對(duì)徑流預(yù)報(bào)的影響，將是黃河源區(qū)水文模型構(gòu)建中需要考慮的新問題。

綜上所述，構(gòu)建適用于變化環(huán)境下高寒區(qū)復(fù)雜下墊面產(chǎn)匯流機(jī)制的專用水文模型對(duì)提高黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)精度至關(guān)重要，其中季節(jié)性凍土的水熱交換機(jī)理與產(chǎn)流形成機(jī)制是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。尤其是黃河源區(qū)的主要產(chǎn)流區(qū)門瑪區(qū)間典型“高寒草甸+季節(jié)性凍土”的特殊產(chǎn)流機(jī)制有待深入研究，準(zhǔn)確刻畫高寒草甸覆蓋下季節(jié)性凍土不同土壤狀態(tài)(凍融-完全融化-融凍-完全凍結(jié))的水熱交換過程與水分運(yùn)移規(guī)律，對(duì)改進(jìn)春季凍融期和秋季融凍期的徑流預(yù)報(bào)具有重要指導(dǎo)意義。未來黃河源區(qū)水文模型發(fā)展需要開展大量野外觀測試驗(yàn)，揭示高寒區(qū)不同下墊面的產(chǎn)匯流特性，同時(shí)還需充分利用新一代衛(wèi)星遙感反演、水熱流同步耦合、焓理論等新技術(shù)和新方法，以進(jìn)一步提高模型在缺資料源區(qū)流域的水文模擬與預(yù)報(bào)能力。

2.4 黃河源區(qū)氣象水文耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成

在氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成方面，近年來國內(nèi)外學(xué)者將天氣預(yù)報(bào)模式與水文模型相耦合，開展了大量集成研究[42-43]，但研究成果直接應(yīng)用于實(shí)際水文作業(yè)預(yù)報(bào)的相對(duì)較少。針對(duì)黃河源區(qū)的氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成，黃河水利委員會(huì)水文局通過中國-荷蘭政府間合作項(xiàng)目(2004—2008年)初步建立了“基于衛(wèi)星的黃河流域水監(jiān)測和河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用2套風(fēng)云2C靜止衛(wèi)星的熱紅外反演與地面站點(diǎn)的融合降水，驅(qū)動(dòng)基于格網(wǎng)的分布式水文模型進(jìn)行黃河源區(qū)徑流預(yù)報(bào)，但預(yù)報(bào)精度離實(shí)際需求仍存在一定差距。目前，水利部已在黃河流域建立了比較完備的三級(jí)水情傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等，并實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸，為集成系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)提供了重要平臺(tái)。

另一方面，尺度問題一直是困擾當(dāng)前黃河源區(qū)氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成的技術(shù)瓶頸。時(shí)間尺度方面，預(yù)報(bào)系統(tǒng)需要同時(shí)完成短中期小時(shí)次洪和中長期日(旬、月)徑流等多個(gè)尺度的滾動(dòng)預(yù)報(bào)，應(yīng)用于不同時(shí)間尺度水文預(yù)報(bào)的模型參數(shù)各不相同；空間尺度方面，基于不同尺度的水文計(jì)算單元，預(yù)報(bào)系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)全流域的大尺度預(yù)報(bào)，又要實(shí)現(xiàn)嵌套流域與重點(diǎn)子流域(如門瑪區(qū)間的黑河、白河等)的中小尺度預(yù)報(bào)。此外，由于天地多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的時(shí)空不一致性，系統(tǒng)集成中還需采用動(dòng)力降尺度、統(tǒng)計(jì)降尺度等方法進(jìn)行時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換，以有效降低尺度誤差。因此，預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成必須同時(shí)具備時(shí)空尺度自適應(yīng)和模型參數(shù)自適應(yīng)的多尺度氣象水文耦合預(yù)報(bào)能力。

最后，在實(shí)際水文作業(yè)預(yù)報(bào)中還需綜合考慮可能影響預(yù)報(bào)結(jié)果的各類信息和各種因素。例如，在短中期洪水預(yù)報(bào)中需要分析高原大氣的環(huán)流特征、主要降水的落區(qū)以及洪水沖刷改變河道觀測斷面等氣象水文信息；在中長期徑流預(yù)測中還需兼顧全球變暖背景下冰川積雪和湖泊面積變化、下墊面植被覆蓋變化以及凍土退化等引起的流域水文特性改變等影響因素。另外，由于羊曲水電站修建的需求，源區(qū)出口站唐乃亥水文站已經(jīng)開始實(shí)施向下游方向的搬遷工程，唐乃亥站整體搬遷將涉及新老站點(diǎn)水文觀測數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)與銜接等問題，流域產(chǎn)匯流面積也會(huì)隨之發(fā)生改變。以上這些均是源區(qū)實(shí)際水文作業(yè)預(yù)報(bào)中需要綜合考慮的客觀因素。

3 高原降水發(fā)生的氣象成因與形成機(jī)制

3.1 降水特點(diǎn)及水汽來源

科學(xué)認(rèn)知源區(qū)降水發(fā)生的氣象成因與形成機(jī)制，可為進(jìn)一步提升黃河源區(qū)氣象水文預(yù)報(bào)水平提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。黃河源區(qū)每年汛期的洪峰主要出現(xiàn)在7月上旬(伏汛)和9月中下旬(秋汛)，8月是低平期，顯示出獨(dú)特的“雙峰”現(xiàn)象(部分年份也存在伏汛單峰或秋汛單峰情形)，洪水歷時(shí)長、退水比較緩慢。高原大氣環(huán)流和高海拔地形共同影響了黃河源區(qū)降水的時(shí)空分布特征，從而形成了這種洪水特性。

黃河源區(qū)降水的時(shí)空分布極為不均。時(shí)間上，源區(qū)年內(nèi)降水主要集中在5—9月的汛期，占年降水量的84.9%，其余非汛期7個(gè)月的降水量僅占15.1%，雨季、旱季分明；空間上，降水量由西北向東南逐步遞增，西北部的黃河源頭年降水量<300 mm，屬于干旱/半干旱區(qū)，而東南部的門瑪區(qū)間年降水量>600 mm，屬于半濕潤區(qū)，其中久治站多年平均降水量達(dá)739 mm[44]。黃河源區(qū)的主要水汽來源是印度洋，經(jīng)孟加拉灣直接北上或從孟加拉灣繞過中南半島北部北上，偏南季風(fēng)攜帶充沛水汽經(jīng)過門瑪區(qū)間，致使該區(qū)域雨水豐沛，成為黃河源區(qū)的主要產(chǎn)流區(qū)[45]。

黃河源區(qū)主要包括強(qiáng)降水(日降水量≥25 mm)與連陰雨(連續(xù)陰雨日≥5 d，日照時(shí)數(shù)≤2 h)2種典型降水類型，區(qū)域性強(qiáng)降水與連陰雨主要集中在水汽充沛的門瑪區(qū)間。強(qiáng)降水大多出現(xiàn)在7—8月，雖然持續(xù)時(shí)間短，但突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，容易形成局地洪水；連陰雨平均每年出現(xiàn)1.8次(門瑪區(qū)間2～3次)，雖然強(qiáng)度小，但持續(xù)時(shí)間長，形成的洪水一般具有歷時(shí)較長、退水緩慢的特點(diǎn)[46]。

3.2 強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)

在強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)影響機(jī)制方面，國內(nèi)外已開展大量研究[47-48]，部分學(xué)者還針對(duì)中國不同地區(qū)建立了江淮梅雨鋒暴雨、華南暴雨和東北華北暴雨等不同強(qiáng)降水類型的天氣學(xué)概念模型[49-50]。然而，目前針對(duì)黃河源區(qū)的強(qiáng)降水形成機(jī)理研究相對(duì)較少，已有研究也僅針對(duì)個(gè)例、局部地區(qū)或者單一天氣系統(tǒng)進(jìn)行分析。例如，諶蕓等[51]對(duì)2003年7月29—30日青藏高原東北部的區(qū)域性強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷，研究發(fā)現(xiàn)，西風(fēng)槽和高原低渦是造成此次強(qiáng)降水過程的主要影響天氣系統(tǒng)；李江萍等[45]對(duì)瑪曲地區(qū)夏季強(qiáng)降水進(jìn)行環(huán)流分型，結(jié)果表明，暴雨發(fā)生的環(huán)流型以高原低槽型為主，大雨發(fā)生的環(huán)流型以切變型為主；郁淑華等[52]研究發(fā)現(xiàn)，切變線是導(dǎo)致高原強(qiáng)降水的重要天氣系統(tǒng)，持續(xù)24 h的高原豎切變線可導(dǎo)致高原暴雨，而高原橫切變線則需要持續(xù)48 h才能產(chǎn)生暴雨；溫麗葉等[44]對(duì)黃河源區(qū)25場區(qū)域性強(qiáng)降水過程進(jìn)行高度場分析，發(fā)現(xiàn)源區(qū)強(qiáng)降水的環(huán)流型主要有高原槽東移型、高原低渦-切變線型及副高西北側(cè)西南氣流型等3種類型，以典型的高原槽東移型為例，其天氣系統(tǒng)多表現(xiàn)為高原低槽東移，東西向切變線位于河源區(qū)，同時(shí)南面的印緬低槽活躍，槽前暖濕空氣與北方低壓槽攜帶的冷空氣交匯，造成強(qiáng)降水發(fā)生。

綜上所述，影響黃河源區(qū)強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)是多樣的(主要包括高原槽、高原低渦、切變線及南亞高壓等)，而且這些天氣系統(tǒng)之間的相互作用過程是復(fù)雜的。然而，目前研究主要集中在強(qiáng)降水的環(huán)流分型和單一天氣系統(tǒng)分析，源區(qū)強(qiáng)降水的多影響天氣系統(tǒng)相互作用機(jī)理研究亟待進(jìn)一步加強(qiáng)，其科學(xué)認(rèn)知將有助于深入理解高海拔區(qū)復(fù)雜氣候背景下強(qiáng)降水的形成機(jī)制與時(shí)空演變規(guī)律。未來需深入開展持續(xù)強(qiáng)影響天氣系統(tǒng)的物理特性條件分析、高低空天氣系統(tǒng)交叉配置等理論與方法研究，構(gòu)建強(qiáng)降水天氣學(xué)概念模型，這對(duì)于改進(jìn)區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和提高預(yù)報(bào)降水精度具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

3.3 連陰雨的天氣系統(tǒng)

在連陰雨的天氣系統(tǒng)影響機(jī)制方面，已有研究主要集中在四川、云南和貴州的華西秋雨[53-54]，針對(duì)黃河源區(qū)的連陰雨研究相對(duì)較少。其中，具有代表性的工作包括：狄瀟泓等[55]對(duì)2007年西北地區(qū)一次罕見的秋季連陰雨事件進(jìn)行天氣系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，西風(fēng)帶低槽活動(dòng)和副熱帶高壓位置的異常變化，使得北方冷空氣和南方暖濕氣流持續(xù)交匯于西北地區(qū)，是導(dǎo)致本次連陰雨過程的主要原因；王建兵等[56]對(duì)甘南高原(緊鄰黃河源區(qū)東南部)的秋季連陰雨進(jìn)行環(huán)流分析，研究發(fā)現(xiàn)，甘南連陰雨的環(huán)流形勢主要分為副高邊緣型和緯向環(huán)流型，其中以副高邊緣型為主，占總次數(shù)的71.4%；張榮剛等[57]對(duì)黃河源區(qū)2017年秋季一場典型連陰雨過程進(jìn)行分析，指出南亞高壓和副高異常偏強(qiáng)是本次連陰雨中最顯著的大氣環(huán)流異常特征，200 hPa的西風(fēng)急流和500 hPa的低壓槽穩(wěn)定維持是本次連陰雨的主要形成機(jī)制；溫麗葉等[44]對(duì)黃河源區(qū)1959—2017年期間典型連陰雨的天氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，源區(qū)6—8月連陰雨主要受新疆低壓槽、高原槽、印緬低壓和高原切變線等天氣系統(tǒng)共同影響，而9月連陰雨主要受副高影響。

總體而言，黃河源區(qū)連陰雨持續(xù)時(shí)間長、空間差異大，連陰雨過程可持續(xù)5～24 d不等，對(duì)總徑流量貢獻(xiàn)最大的月份分別是7月、9月和6月，科學(xué)認(rèn)知連陰雨的天氣系統(tǒng)影響機(jī)制將有助于深入理解源區(qū)洪水特性、提升源區(qū)次季節(jié)徑流預(yù)報(bào)精度。當(dāng)前研究已經(jīng)涉及到黃河源區(qū)連陰雨的環(huán)流分型及其不同高度場解析，但其背后的氣象成因與形成機(jī)制比較復(fù)雜，連陰雨的多影響天氣系統(tǒng)相互作用機(jī)理及其對(duì)中長期徑流預(yù)測的影響研究有待深入開展。未來需進(jìn)一步厘清黃河源區(qū)連陰雨發(fā)生的前期環(huán)流信號(hào)，解析引發(fā)區(qū)域性連陰雨的多影響天氣系統(tǒng)及其配置模式，為連陰雨預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的著眼點(diǎn)。

4 結(jié) 語

由于高海拔惡劣的水文地理?xiàng)l件，黃河源區(qū)降水的地面觀測匱乏，嚴(yán)重制約了源區(qū)水文預(yù)報(bào)精度。加之缺少可靠的寒區(qū)專用水文模型，現(xiàn)有模型無法準(zhǔn)確刻畫源區(qū)流域獨(dú)特的下墊面特征和產(chǎn)匯流特性，當(dāng)前黃河源區(qū)水文作業(yè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度與預(yù)見期不能完全滿足黃河上游防洪調(diào)度需求。

目前，黃河源區(qū)水文預(yù)報(bào)面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：高海拔缺資料地區(qū)的降水觀測與降水預(yù)報(bào)、高寒區(qū)季節(jié)性凍土的水熱交換機(jī)理與產(chǎn)流形成機(jī)制、具備時(shí)空尺度自適應(yīng)和模型參數(shù)自適應(yīng)的多尺度氣象水文耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成、高原復(fù)雜氣候背景下降水的氣象成因與形成機(jī)制等，這些問題也是中國北方高寒區(qū)流域水文預(yù)報(bào)研究的共性難題。未來發(fā)展應(yīng)大力加強(qiáng)遙感科學(xué)、大氣科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與水文科學(xué)的深度交叉融合，著力打通氣象部門與水文部門之間的前沿技術(shù)壁壘，研究重點(diǎn)應(yīng)聚焦在新一代多源降水信息融合與同化、高寒區(qū)特殊產(chǎn)匯流模型構(gòu)建、無縫隙氣象水文集合預(yù)報(bào)、強(qiáng)降水與連陰雨的多影響天氣系統(tǒng)解析等關(guān)鍵技術(shù)，以提高黃河源區(qū)洪水/徑流預(yù)報(bào)精度并延長預(yù)見期，從而促進(jìn)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化的源頭創(chuàng)新，為黃河流域水安全與水資源高效利用提供基礎(chǔ)支撐。

致謝：衷心感謝黃河水利委員會(huì)水文局信息中心王春青、陶新以及水文預(yù)報(bào)員們?cè)跀?shù)據(jù)整理和野外勘察等方面提供的幫助，感謝中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心張紅亮對(duì)本文預(yù)報(bào)降水部分的修改，感謝中國科學(xué)院青藏高原研究所王磊對(duì)本文寒區(qū)水文模型部分的修改。