多源多層土壤濕度實時同化及在實時洪水預(yù)報中的應(yīng)用

摘要： 準確獲取流域土壤濕度（MS）的初始值及過程狀態(tài)，對提高實時洪水預(yù)報精度具有重要意義和實用價值。從新安江模型參數(shù)的物理意義出發(fā)，基于站點墑情數(shù)據(jù)和CLDAS 土壤濕度數(shù)據(jù)構(gòu)建點面轉(zhuǎn)換模型（WKNN），將點面轉(zhuǎn)換后的實時面尺度MS 作為觀測數(shù)據(jù)，采用集合卡爾曼濾波法同化新安江模型預(yù)報的MS 過程，在五強溪區(qū)間流域進行實時洪水預(yù)報應(yīng)用。結(jié)果表明：WKNN 作為點面轉(zhuǎn)換工具，能夠捕捉到不同土層MS 的點面關(guān)系，具有較好的適用性；較不同化模式，多層MS 同化后的平均徑流深相對誤差下降了12.67%，平均確定性系數(shù)提高了41.82%；MS 的實時同化可以顯著降低汛初期洪水的預(yù)報誤差，提高洪水預(yù)報精度，且多層同化較單一層同化效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 土壤濕度；多源數(shù)據(jù)；概念性水文模型；多層同化；實時洪水預(yù)報

中圖分類號： P933 文獻標志碼： A 文章編號： 1001-6791（ 2024） 05-0773-11

流域水文模型是水文預(yù)報的重要工具[1-3]，模型模擬的土壤濕度（MS）屬于中間狀態(tài)變量，與實際土壤濕度存在一定偏差，這種差異可能隨著時段的連續(xù)演算而持續(xù)存在，難以進行驗證[4-5]，極大程度地影響了洪水預(yù)報精度。尤其是場次洪水的實時預(yù)報，流域內(nèi)降雨開始時的土壤濕度及土壤濕度的動態(tài)變化十分重要。在無雨期，蒸發(fā)消耗土壤濕度，導(dǎo)致流域土壤濕度狀態(tài)逐時段發(fā)生變化，進而影響降雨開始時的土壤濕度；在雨期，根據(jù)水量平衡原理，土壤濕度隨蒸發(fā)和產(chǎn)流的進行而逐時段變化，是影響洪水預(yù)報精度的重要因素。

為了降低誤差影響，學者們提出可借助實測流量或土壤濕度數(shù)據(jù)對模型模擬的MS 進行校正[6-7]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和墑情站網(wǎng)的不斷完善，土壤濕度數(shù)據(jù)變得容易獲取[8-10]，基于土壤濕度觀測數(shù)據(jù)同化模型MS 因其物理機制明確、受模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)影響小的特點，逐漸成為當前學界的研究熱點。長時期土壤濕度的獲取主要通過衛(wèi)星遙感、陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和固定墑情站觀測3 種方式[9， 11-13]。其中，衛(wèi)星遙感和陸面同化系統(tǒng)均能提供全天候、全球覆蓋的土壤濕度產(chǎn)品，然而衛(wèi)星遙感觀測厚度較薄，僅能對土壤表層0～5 cm進行有效觀測[14]，且與陸面同化產(chǎn)品都存在滯時久、時間分辨率粗的缺陷，限制了其在實時洪水預(yù)報中的應(yīng)用。固定墑情站可對土壤濕度進行實時、多層、高頻率監(jiān)測，但其空間分布欠均勻，且數(shù)量有限，難以獲取較為準確的土壤濕度空間分布等面狀信息。已有的土壤濕度與水文模型同化研究，多采用遙感土壤濕度產(chǎn)品與水文模型同化，存在3 點不足[13， 15-17]：①僅同化表層土壤水分（0～5 cm）；②大都是采用日尺度等較長時間尺度的水文模型，缺乏對次洪模型同化的討論；③僅模擬歷史流量過程，沒有應(yīng)用至實時洪水預(yù)報中。這些工作顯示了同化土壤濕度改進徑流預(yù)報的能力，但由于遙感產(chǎn)品的局限性，其改進并不明顯，尤其是無法應(yīng)用于小時尺度場次洪水的實時洪水預(yù)報。地面站點墑情數(shù)據(jù)具有可多層、實時監(jiān)測的特性，可以彌補衛(wèi)星遙感和陸面同化系統(tǒng)的局限。

本文基于地面站點實時墑情數(shù)據(jù)、陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤濕度產(chǎn)品以及水文氣象數(shù)據(jù)，提出多層土壤濕度計算方法和點面轉(zhuǎn)換模型，構(gòu)建符合新安江模型參數(shù)物理意義的多層同化方案，并將其應(yīng)用至場次洪水的實時預(yù)報中，以期提高實時洪水預(yù)報精度，為水庫調(diào)度提供及時有效的支撐。