新疆洪水預(yù)報預(yù)警中融雪徑流模型應(yīng)用進展

余其鷹，胡彩虹，白云崗，盧震林，曹 彪，劉富余，劉成帥

（1.鄭州大學(xué)黃河實驗室，河南 鄭州 450001；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

氣候變化背景下包括洪水在內(nèi)的極端天氣與氣候事件頻發(fā)已引起國際社會的廣泛關(guān)注［1］，洪水災(zāi)害是全球發(fā)生頻率最高、損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，平均每年洪水造成的經(jīng)濟損失超過7×1011USD［2］。在全球變暖背景下，未來全球極端暴雨和洪水事件發(fā)生的頻次增加，預(yù)估全球上百個主要沿海城市2010—2050 年累積洪災(zāi)損失將超過1×1012USD［3］。根據(jù)近60 a 典型洪水?dāng)?shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)中國洪水呈現(xiàn)出以下新特點和變化：多樣性更加突出、人類活動對洪水的影響更加顯著、高壩潰決的風(fēng)險更高以及山洪災(zāi)害的頻率和影響逐漸增加［4］。為此，2022年，水利部印發(fā)關(guān)于山洪災(zāi)害防御能力提升項目建設(shè)工作要求：提升山洪災(zāi)害監(jiān)測能力、提升省級監(jiān)測預(yù)警平臺“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能、提升山洪災(zāi)害預(yù)警信息共享能力。新疆是中國陸地上面積最大的干旱區(qū)，也是氣候變化最敏感區(qū)域之一，區(qū)域常年有大量的冰川、積雪和凍土覆蓋，受西風(fēng)環(huán)流、北冰洋高緯氣團以及印度洋暖濕氣流的交匯作用，溫度和濕度變化頻繁，旱澇交替，形成了特有的氣候特征，研究其獨特的山地-綠洲-荒漠洪水特征具有全球意義。

新疆是“絲綢之路經(jīng)濟核心地帶”，天山現(xiàn)代冰川有“固體水庫”［5］和“中亞水塔”［6］之稱。新疆幅員遼闊，影響洪水形成的地表結(jié)構(gòu)、氣候條件、土壤滲透能力等自然條件極為復(fù)雜，而且洪水的形成與流域自然地理特征和暴雨類型、暴雨路徑、降雨特性有關(guān)。近年來，受全球變暖影響，新疆降水量高于往年，北疆最大積雪深度呈不斷上升趨勢［7］，南疆塔克拉瑪干沙漠更是發(fā)生歷史上罕見的大洪水。例如，1998 年3 月，塔城地區(qū)、伊犁哈薩克自治州直屬縣市和天山北坡發(fā)生1949 年以來最嚴(yán)重的融雪洪水災(zāi)害，直接經(jīng)濟損失超1×108元［8］。2005 年3 月，伊犁哈薩克自治州直屬縣市10多萬人受災(zāi)，牲畜溺死3736頭，農(nóng)田被淹9600 hm2，直接經(jīng)濟損失超1×108元［9］。2021年7月中下旬，位于塔克拉瑪干沙漠輪臺縣中石化油田遭遇洪水襲擊，淹沒面積達300 km2，在其油區(qū)內(nèi)，多處河堤潰壩、電線桿傾斜，近50輛勘探車輛、30000套設(shè)備被淹。2022年5月29—30日，克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿合奇縣連續(xù)2 d降雨量相當(dāng)于往常5月降雨量的3倍，甚至出現(xiàn)了紫色區(qū)域，儼然已成為北方強降雨中心之一。

全球變暖背景下，冰川和積雪的融化規(guī)律發(fā)生了顯著變化，南疆地區(qū)融雪洪水期提前，發(fā)生洪水的頻次增加。強降雨過程也加速了積雪的消融過程，容易快速形成地表徑流，在地形差別大、積雪較多的山區(qū)快速形成雨雪混合災(zāi)難性洪水，洪水災(zāi)害防控面臨新的局面。全面回顧新疆洪水特性、厘清新疆融雪洪水研究進展和構(gòu)建融雪洪水物理過程技術(shù)的進一步發(fā)展至關(guān)重要?？偨Y(jié)分析現(xiàn)階段新疆洪水類型特點，分析新疆融雪洪水研究現(xiàn)狀，對進一步加強新疆洪水監(jiān)測預(yù)警提供支撐能力，對發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)的“第一道防線”起到積極作用。

1 新疆洪水類型及融雪洪水研究進展

1.1 新疆洪水類型

新疆地處高原、山地和盆地交錯地帶，其典型的三山夾兩盆的地理環(huán)境格局（圖1a），使得洪水成為了新疆最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一［10］。洪水形成的垂直地帶性可概括為：中低山帶主要為暴雨洪水［11］；中山帶主要為季節(jié)性積雪融水洪水［12］；高山帶在冰川發(fā)育地區(qū)屬于雪冰融水洪水和冰川堰塞潰壩型混合洪水，不同類型洪水特征、洪水垂直地帶如表1、圖1b 所示。各垂直地帶有獨特的洪水成因和類型，大多是幾種洪水類型相互交錯疊置結(jié)果，因此不同地帶在不同季節(jié)還會出現(xiàn)易發(fā)、多發(fā)的混合型洪水。

表1 不同類型典型洪水類型致災(zāi)情況Tab.1 Disaster caused by different typical flood types

圖1 新疆高程和洪水垂直地帶劃分Fig.1 Elevation and flood vertical zone division in Xinjiang

暴雨洪水是新疆形成山洪的主要洪水類型，發(fā)生在每年夏季［12］，占全疆洪水災(zāi)害總量的73%。統(tǒng)計資料顯示［15-16］，近10 a，暴雨洪水災(zāi)害呈加重趨勢［17-18］，平均每年因暴雨造成的自然災(zāi)害占氣象災(zāi)害的36%，造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人民財產(chǎn)損失越來越大。融雪洪水主要分為季節(jié)性融雪洪水和高山冰雪融水，前者主要集中在春季（3—5月），后者主要發(fā)生在夏季（6—9月），占新疆洪水類型總量的21%［19］?；旌闲秃樗砹诵陆樗疄?zāi)害的獨特性，具體而言，混合型洪水又分為多發(fā)于5—6月季節(jié)性積雪融水和暴雨混合型洪水、7—8月高山雪冰融水與降雪混合型洪水以及夏季高山帶雪冰洪水下泄至中、低山帶遇暴雨形成的高山雪冰融水與暴雨混合型洪水，變差系數(shù)在0.3～0.8之間［20］，具有突發(fā)性強、變化快、洪峰流量遠超夏季汛期最大流量等特點。為此，學(xué)者根據(jù)突發(fā)洪水事件提出多種預(yù)報模型，并且從水文、氣溫變化對融雪徑流進行預(yù)測分析，同時還對太陽黑子厚度和周期冷暖進行大尺度預(yù)測［21-22］，但混合型洪水時間預(yù)測、預(yù)報目前仍屬于難點。

氣候變化導(dǎo)致了全球氣溫升高和降水分布不均，發(fā)生極端降雨的頻率增加，強降雨攜帶泥沙和積雪融水導(dǎo)致洪水破壞力增強［23］，這些因素影響到以冰雪融水為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也加劇了西北干旱區(qū)水資源管理的不確定性。因此，亟需系統(tǒng)研究氣候變化對西北干旱區(qū)水資源的影響，并深入分析洪水發(fā)生的機制，以制定應(yīng)對未來氣候變化的措施，促進區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 基于VOSviewer新疆融雪洪水分析

通過整理文獻年度發(fā)表量能反映該研究在一段時間內(nèi)的發(fā)展水平，基于Web of Science（WOS）的索引，檢索策略為“新疆融雪洪水”，共計226篇。由1987—2022年新疆融雪洪水發(fā)文量的變化趨勢（圖2）可知，2000年以前，新疆融雪洪水發(fā)文量較少，21世紀(jì)開始隨著遙感技術(shù)和觀測手段進步，文獻發(fā)表量呈上升趨勢；在2013 年后，對冰雪融水的研究熱度顯著上升，說明在全球升溫背景下，融雪洪水對新疆的破壞力加大。運用可視化VOSviewer軟件檢索關(guān)鍵詞，并對關(guān)鍵詞進行聚類分析［24］，得到網(wǎng)絡(luò)可視化和密度視圖結(jié)果（圖3a～b），圓圈越大說明該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)越多，同一顏色表示為相同聚類，不同顏色表示不同聚類。分析發(fā)現(xiàn)，與新疆融雪洪水有關(guān)的關(guān)鍵詞有氣候變化、冰川、降水、山區(qū)、徑流、模型參數(shù)、融化、土地利用、災(zāi)害等，說明融雪洪水主要與氣候變暖、冰川融化、山區(qū)降水和人類活動造成的土地利用方式改變有關(guān)，這些因子的變化研究，也是當(dāng)前融雪洪水的研究熱點。WOS納入分析的275 位作者中（圖3c～d），密度視圖的顏色深淺與合作緊密程度呈正相關(guān)，顏色越深代表作者的合作越緊密，其中沈永平（shen yonging）、王順德（wang shunde）、毛煒嶧（mao weiyi）所在的聚類顏色較深，且與李忠勤（li zhongqin）和王國亞（wang guoya）等聚類較為緊密，說明這幾個團隊合作較多，然而不同團隊間缺乏合作，如努爾蘭·哈再孜（nurlan hazazi）與其他團隊。

圖2 1987—2022年國內(nèi)融雪洪水發(fā)文量Fig.2 Number of snowmelt floods issued in China from 1987 to 2022

圖3 WOS中新疆融雪洪水關(guān)鍵詞聚類視圖及作者密度視圖Fig.3 Keyword cluster view and author density view of snowmelt flood of Xinjiang in WOS

1.3 融雪洪水階段性研究

新疆降水稀少，徑流主要補給來源為冰雪融水，而冰雪對氣候變化響應(yīng)迅速，導(dǎo)致融雪洪水預(yù)報預(yù)警、時空分布、洪水演進的不確定性加大，為此學(xué)者對新疆融雪洪水進行研究。國內(nèi)外學(xué)者對新疆融雪洪水研究起步較晚，1987 年，谷愛蓮［25］首次提出春洪預(yù)報模型與秋冬季降水、入冬期的早晚、最大凍土深度有關(guān)?？紤]積雪、溫度和降水等因子，可為洪水預(yù)測預(yù)報提供依據(jù)［26］。20世紀(jì)90年代學(xué)者僅對洪水特征、洪水形成氣候因素、洪水預(yù)測等做了分析［27-29］，一方面國內(nèi)外對融雪洪水研究較少，另一方面新疆融雪洪水還未引起足夠的重視。

21世紀(jì)初，學(xué)者對新疆典型融雪洪水形成過程進行了研究，以便尋求融雪洪水的一般規(guī)律［30］，如以天山為代表，采用數(shù)理統(tǒng)計等方法，分析天山北麓洪水形成機理，在此基礎(chǔ)上，采用頻率分析和相關(guān)分析等統(tǒng)計方法，建立融雪洪水預(yù)報模型［31］。隨著分布式計算機技術(shù)，面向?qū)ο蟮臉?gòu)建技術(shù)興起，WebGIS 成為發(fā)展的重要方向。董開發(fā)［32］從融雪洪水信息系統(tǒng)特點出發(fā)，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計，結(jié)合系統(tǒng)功能，提出了本系統(tǒng)數(shù)。基于Web服務(wù)的架構(gòu)，成功應(yīng)用于卡海水庫的防洪預(yù)報調(diào)度，實現(xiàn)了研究的預(yù)期目標(biāo)［33］。洪水預(yù)報預(yù)警能夠直接幫助政府和公眾更好地應(yīng)對洪水災(zāi)害，早期預(yù)報采用日平均流量的偏最小二乘回歸模型［34］，存在預(yù)報精度低、時效短、不可靠等缺點。為此，劉永強等［35］提出以數(shù)據(jù)倉庫、方法庫、模型庫以及知識庫一體化模式，實現(xiàn)基于“3S”的新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)。建立新疆融雪洪水預(yù)警DSS 技術(shù)，驅(qū)動分布式新疆融雪徑流模型［36］，為決策者提供準(zhǔn)確的預(yù)警信息［37］。此外，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于冰雪融水補給為主的河流來水過程模擬與預(yù)報，也為無調(diào)蓄設(shè)施灌區(qū)灌溉來水預(yù)報提供一種新的方法和途徑［38］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，MODIS數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合可以準(zhǔn)確描述積雪制圖和積雪消耗曲線，也可為模擬融雪徑流提供參考［39］。如基于積雪層能量平衡原理建立融雪模型，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和采用遙感數(shù)據(jù)對雪蓋進行實時監(jiān)測，避免在進行融雪量估算時候?qū)o雪區(qū)的錯誤估算［40］。利用遙感（RS）、GIS 技術(shù)和MODIS 影像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源［41］、結(jié)合“3S”技術(shù)和數(shù)字高程模型（DEM）技術(shù)，實現(xiàn)模型的分布式特性并具有嚴(yán)格的物理機制［42］。截止2013 年，隨著“3S”技術(shù)發(fā)展，學(xué)者采用了基于Web洪水管理系統(tǒng)、遙感和GIS融合的分布式融雪模型，同時還首次使用了SRM（Snow runoff model）模型，對研究融雪洪水成因、致災(zāi)機理有了新的突破。

缺乏系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)也給融雪洪水高精度模擬帶來了巨大挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段中國西北地區(qū)氣象站分布較少［43］，新疆更為稀疏。以中國地面降水格點數(shù)據(jù)、氣象站觀測數(shù)據(jù)和不同衛(wèi)星降水產(chǎn)品，驅(qū)動融雪徑流模型模擬融雪洪水徑流與實測徑流對比［44-45］，可以提高模型中融雪速率和徑流系數(shù)的精度，為提高具有融雪洪水特征無資料地區(qū)融雪洪水預(yù)報提供了支撐。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者采用高分辨率積雪遙感數(shù)據(jù)，如GF-1PMS（Panchromatic and multi-spectral）和WFV（Wide field of view）、HJ-1CCD（Charge-coupled device）和IRS（Infrared scanner）等國產(chǎn)高分光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和C 波段RADARSAT-2、ENVISATASAR 等合成孔徑雷達數(shù)據(jù)［46］，探索復(fù)雜山區(qū)地形的綜合矯正方法，分析流域積雪變化過程，對融雪徑流進行參數(shù)率定和校正、模型預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。2014至今，學(xué)者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)無法更加深刻表征洪水的融雪過程，引入了衛(wèi)星產(chǎn)品、雷達產(chǎn)品以及多源數(shù)據(jù)融合的氣象數(shù)據(jù)研究融雪洪水的演化過程。此外，還使用了國內(nèi)外具有物理意義的分布式融雪模型，學(xué)者從多方面研究新疆融雪洪水對防洪減災(zāi)具有科學(xué)指導(dǎo)意義。

盡管學(xué)者一直致力于研發(fā)融雪洪水預(yù)報預(yù)警模型和系統(tǒng)，但受高山區(qū)融雪監(jiān)測能力限制，升溫背景下對融雪洪水認識不足，水文氣象數(shù)據(jù)匱乏，以及融雪洪水復(fù)雜的水熱耦合過程，限制融雪洪水預(yù)報預(yù)警模型和系統(tǒng)發(fā)展與推廣，下文對融雪徑流模型及融雪洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)進行綜述。

2 融雪徑流模型

融雪徑流模型是評估融雪徑流變化、提升水資源管理效率的重要手段。根據(jù)融雪徑流模型的消融算法，可以將融雪徑流模型分為統(tǒng)計型、概念型、物理型和數(shù)據(jù)驅(qū)動型。

2.1 統(tǒng)計型融雪模型

統(tǒng)計型融雪徑流模型使用統(tǒng)計方法或者黑箱模型建立有特定水文特征參數(shù)與徑流之間的關(guān)系，主要用于預(yù)測徑流，如Leisenring等［47］使用美國國家氣象局Snow-17模型預(yù)測加州太浩湖附近一個小流域的季節(jié)性雪水當(dāng)量。然而該模型主要針對典型流域并且需要足夠的觀測結(jié)果，模型才會有較高的模擬精度，因此很難推廣到其他流域，此外，融雪徑流產(chǎn)生機制尚不清楚。

2.2 概念型融雪模型

概念模型主要建立融雪與溫度之間的經(jīng)驗關(guān)系，通常是基于度日因子概念建立的。1887 年，為研究冰川變化首次提出了度日因子概念［48］，隨后學(xué)者對其進行多次改進，如今廣泛用于北歐［49］、阿爾卑斯山［50］、青藏高原［51］和新疆天山［52］的冰雪融化研究。如HBV（Hydrologiska byr?ns vattenbalansavdelning）模型、PRMS（Precipitation-runoff models）模型和SRM模型等，3種模型結(jié)構(gòu)見圖4。HBV模型是一種半分布式水文模型，它是專門針對北歐寒區(qū)流域的特點而開發(fā)的［53］，可在若干單元面積上分開運行，最后將單元面積的匯集量相加。PRMS模型是由美國地質(zhì)局開發(fā)的可用于評估降水、氣溫、土地利用變化過程的物理過程的系統(tǒng)，經(jīng)過改進，可嵌入冰川徑流模塊進行模擬。近年來，國際氣象組織推薦的SRM模型在國內(nèi)外有頗為豐碩的成果，國內(nèi)學(xué)者研究表明，SRM模型在西北典型干旱區(qū)河流流域具有良好的應(yīng)用前景，特別對春季融雪洪水預(yù)測取得了良好的效果，然而它無法模擬融雪的物理過程［54］?；诙热找蜃拥母拍钚腿谘搅髂Ｐ图僭O(shè)整個流域融雪消融均勻發(fā)生，在模擬空間分布存在很大的不確定性，此外，度日因子很難捕獲融雪率的日內(nèi)變化，因此，急需開發(fā)改進的空間分布模型和充分考慮時空差異概念模型。

圖4 SRM、HBV、PRMS模型結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of SRM,HBV and PRMS models

2.3 物理型融雪模型

物理模型是基于積雪的能量平衡來計算融雪量，具有嚴(yán)格的物理意義。當(dāng)今廣泛使用的物理分布式融雪徑流模型具有較高的時間和空間分辨率，在計算復(fù)雜地形和植被覆蓋中具有很大的優(yōu)勢。20世紀(jì)50年代，美國首次提出使用積雪和環(huán)境之間的能量交換計算融雪徑流，Richard等［55］將能量平衡方程應(yīng)用到積雪消融過程中，隨后提出了具有完整點尺度的雪能量和質(zhì)量平衡方程。70年代起，由于計算機技術(shù)發(fā)展推動分布式物理模型的發(fā)展，學(xué)者開發(fā)了第一個具有代表性的物理水文模型——歐洲水文模型SHE（System hydrological European）［56］，該模型將流域劃分為多個小空間單元，并分別計算每個網(wǎng)格內(nèi)的水文過程和水文響應(yīng)。20 世紀(jì)90 年代，學(xué)者還開發(fā)了一些分布式融雪模型，并且模型中還有加入了融雪模塊，如DHSVM（Distributed hydrology soil vegetation model）、VIC（Variable infiltration capacity）、SWAT（Soil and water assessment tool）［57］等模型，此類模型都考慮了積雪融化的空間垂直分布。其中SWAT模型是一個具有較強物理機制可用于長序列模擬的流域水文模型，模型同時提供多種方法對流域?qū)崿F(xiàn)離散化，分別進行水文單元的產(chǎn)流計算，計算流域出口處流量過程。基于能量平衡模型，學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了兩層或多層融雪徑流模型，如SNTHERM（Snow thermal model）模型［58］和Snowpack模型［59］，它們可以預(yù)測積雪的沉降、分層、地表能量交換和質(zhì)量平衡，而且還可預(yù)測雪崩的發(fā)生。物理分布式模型具有嚴(yán)格的物理意義，但物理分布式模型很難確定部分空間參數(shù)，隨著大數(shù)據(jù)和高性能計算機發(fā)展，許多參數(shù)可以通過遙感技術(shù)獲取，分布式融雪徑流模型發(fā)展也成為融雪徑流模型徑流預(yù)測研究的關(guān)鍵方法。

2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動型融雪模型

數(shù)據(jù)驅(qū)動模型是當(dāng)今海量數(shù)據(jù)和計算機能力快速增長的產(chǎn)物，其主要側(cè)重于提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，通常使用機器學(xué)習(xí)的方法處理具有更高維度和更多變量的復(fù)雜問題。Vafakhah等［60］使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模擬了伊朗塔里干厄爾布爾士的融雪徑流；Thapa［61］開發(fā)了一個基于深度學(xué)習(xí)長短時間記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)模型，用于模擬喜馬拉雅盆地融雪驅(qū)動流量模型，該模型使用遙感積雪產(chǎn)品為輸入，并和支持向量回歸（SVR）模型進行了比較。此外，機器學(xué)習(xí)還可應(yīng)用于計算缺失的觀測數(shù)據(jù)［62］，生產(chǎn)高精度降雨觀測數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星估計積雪量［63］。但作為一種黑箱模型，數(shù)據(jù)驅(qū)動對建模過程描述不足，也很難對不同模型進行有意義的比較，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的應(yīng)用無法大面積推廣，所以數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)當(dāng)成為物理模型的合作者，而不是競爭者，應(yīng)將兩者結(jié)合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法確定物理模型的參數(shù)，兩者互補。

以上模型都停留在數(shù)據(jù)本身的相關(guān)性上，缺乏對融雪洪水的實際物理過程表征（降雪-冰川-凍土-壤中流），相關(guān)研究表明，在全球變化背景下，北半球春季、降雨季節(jié)將會提前［64］，更容易發(fā)生融雪洪水事件，而且向新疆海拔高、坡度陡、積雪量大和更容易形成洪水地區(qū)發(fā)展。因此，仍然需要明晰融雪洪水過程物理機制和消融過程，提高預(yù)報預(yù)警精度。

3 融雪洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)

在防洪減災(zāi)工作中，洪水預(yù)報預(yù)警是洪水防御工作中的耳目和參謀，可以幫助用水管理部門和公眾更好地應(yīng)對洪水災(zāi)害的影響。自從2002 年中歐發(fā)生特大洪水以來，歐洲聯(lián)合研究中心和氣象部門在提高防洪能力和應(yīng)對洪水事件方面取得了顯著成效［65］，2003年開展了“歐洲洪水預(yù)警系統(tǒng)”研究項目，同時借助氣象部門51 種概率天氣預(yù)報，根據(jù)目前的系統(tǒng)已經(jīng)可以提前預(yù)報未來3～10 d的洪水［66］；美國是全球防御洪澇災(zāi)害技術(shù)手段較為先進的國家之一，最新的成果包括國家水模型系統(tǒng)和山洪預(yù)警指南系統(tǒng)，這些系統(tǒng)于2016 年投入運行，國家水模型系統(tǒng)可以提供未來最長30 d的水文預(yù)報，其空間分辨率高達1 km；俄羅斯水文和環(huán)境監(jiān)測部門通過多新聞媒體、政府部門共同構(gòu)建了洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)［67］；韓國基于智能化軟件，建立了洪水預(yù)警系統(tǒng)等［68］。

新疆地區(qū)融雪洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)方面，2000年，學(xué)者提出運用GIS技術(shù)［69］，構(gòu)建多功能為一體的流域供水管理決策支持系統(tǒng)解決融雪洪水預(yù)報預(yù)警問題。隨后，又對系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高決策者的決策效率，以期降低洪水災(zāi)害的損失［70］。2009年，閆彥等［71］結(jié)合北疆地區(qū)春季融雪洪水的特點，引入自然、經(jīng)濟、人口、防洪設(shè)施貢獻四大類因子，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟和社會現(xiàn)狀，進行量化處理后，構(gòu)建出度量融雪洪水災(zāi)害大小的預(yù)警指數(shù)模型。該預(yù)警模型的建立對于有效減少春季洪水的損失，保護當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全具有重要意義。基于“3S”技術(shù)以及高分辨率DEM數(shù)據(jù)，考慮融雪洪水量級及時空分布和融雪可能造成的損失，以此作為春季融雪洪水預(yù)警依據(jù)，提前進行融雪洪災(zāi)預(yù)警［37］。Fang 等［72］和Liu 等［73］采用實測數(shù)據(jù)，基于改進的新疆融雪型洪水預(yù)報算法構(gòu)建了天山北坡呼圖壁縣軍塘湖流域的積雪洪水災(zāi)害框架。王大環(huán)等［74］運用熵權(quán)確定影響因素的權(quán)重，并利用模糊C 均值聚類模式識別分類方法，通過對其產(chǎn)流類型進行分類來迅速區(qū)分不同的洪水類型，從而提高洪水預(yù)報的精度。陳伏龍等［75］等用“分解-合成”、貝葉斯理論對序列一致性修正前后的參數(shù)不確定性進行分析，從而提高融雪洪水預(yù)報期間的可靠性。

綜上，新疆地區(qū)融雪洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)的研究和應(yīng)用技術(shù)包括“3S”技術(shù)、自然、經(jīng)濟、人口、防洪設(shè)施貢獻四大類因子的量化處理、積雪洪水災(zāi)害框架、熵權(quán)確定影響因素的權(quán)重等。通過這些技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測和預(yù)警新疆地區(qū)的融雪洪水，提高對洪水的防范和應(yīng)對能力，保護當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全。

4 問題與展望

4.1 模型問題及展望

通過對比不同融雪模型的精準(zhǔn)度發(fā)現(xiàn)，融雪模型中還需要注意風(fēng)吹雪、凍土表層雪和雪面雨3 個關(guān)鍵問題。風(fēng)吹雪能造成融雪過程在時空分布上的差異，雪的升華和遷移，在中國西部地區(qū)，風(fēng)吹雪導(dǎo)致24%的雪量升華［76］，這將降低融雪模型的準(zhǔn)確性。一些學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了一些風(fēng)吹雪模型，如使用氣象和土地利用數(shù)據(jù)估計雪顆粒的旋轉(zhuǎn)、懸浮和升華速度PBSM（Prairie blowing snow model）模型［77］、三維擴展模擬所需風(fēng)場、表層浮雪擴散方程和旋轉(zhuǎn)輸運方程描述雪漂移過程等［78］。目前，大多數(shù)融雪模型都沒有考慮風(fēng)吹雪的因素，因此將風(fēng)吹雪模型與融雪徑流模型耦合是進一步研究的科學(xué)問題。

在土壤凍結(jié)和融化過程中，溫度和土壤水分是2 個重要因素，兩者的共同變化表征著凍土中的水熱變化，從而影響地表附近的水熱平衡［79］。凍土的埋深決定了徑流對降水的響應(yīng)速度，在凍土和積雪之間水熱耦合已經(jīng)有了一些成功的模型，如使用VIC 模型分析了密西西比河流域的融雪過程，發(fā)現(xiàn)融雪徑流隨著永久凍土的覆蓋增加［80］。永久凍土對土壤的導(dǎo)熱性有很大影響，對于不同時間尺度、不同土壤性質(zhì)的融雪徑流影響仍然是一個難題，因此有必要在融雪模型中添加凍土模塊以提高模型的準(zhǔn)確度。

雪面雨洪水是世界上普遍存在的現(xiàn)象，其主要是在積雪消融季節(jié)中有低山區(qū)降雨和高山區(qū)積雪混合形成一種特殊的比融雪洪水更強烈的混合洪水［81］。相關(guān)研究表明，北半球春季降水提前，雪面雨事件增多，且向高海拔、積雪多、坡度陡、易于形成洪水的地區(qū)發(fā)展。在美國西部內(nèi)陸山脈、阿巴拉契亞山脈地區(qū)超過70%以上的極端洪水是由雪面雨造成的，英國也出現(xiàn)了雪面雨洪水，甚至雪面雨還會加劇北極地區(qū)積雪消融過程。如何界定雪面雨事件、雪面雨侵蝕積雪動力過程及其誘發(fā)的洪水機制、雪面雨事件的水文預(yù)報和雪面雨引起的混合徑流產(chǎn)生機制仍不清楚，需進一步研究，未來利用多源遙感、同位素等數(shù)據(jù)可能是提高雨雪冰混合洪水模擬精度的重要手段。

4.2 技術(shù)問題及展望

（1）河道洪水演進過程及技術(shù)開發(fā)

在全球變暖背景下，新疆融雪洪水增多并將引發(fā)更多的極端洪水。在新疆南疆地區(qū)河道含沙量大，河道演進較快，是沙漠洪水的觸發(fā)器，但相關(guān)研究極為匱乏。通過研究河道內(nèi)灘區(qū)河道演進，揭示洪水對河沙運移機制，既是該領(lǐng)域研究的熱點，也是當(dāng)前南疆荒漠地區(qū)“綠色走廊”維護的重要需求。

（2）氣候變化及人類活動對積雪融化產(chǎn)生影響

在全球變暖背景下，融雪洪水災(zāi)害風(fēng)險上升，積雪融化期提前，并且改變了冰川和凍土的產(chǎn)匯流過程。在未來氣候變化背景下，人類活動引起的下墊面變化、炭黑、氣溶膠、侵蝕融雪將最終改變?nèi)谘┫谶^程，增加了融雪洪水相態(tài)的不確定性，因此亟需開展相應(yīng)的影響機制和物理模型。

（3）混合型洪水災(zāi)害模擬技術(shù)

極端降水、積雪融水和冰川融水混合洪水?dāng)y帶泥沙和石塊導(dǎo)致洪水破壞力疊加增強，研究此類洪水是當(dāng)前國際難點問題，為提高融雪洪水模擬精度，亟需定量描述該類型洪水觸發(fā)條件，形成機制和致災(zāi)過程。

隨著當(dāng)前微波、遙感技術(shù)和自動化監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，洪水監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警技術(shù)得到顯著提升，但在新疆洪水災(zāi)害依然是最大的自然災(zāi)害防御短板。此外，受氣候影響，對新疆混合型突發(fā)洪水演進過程認識不足，融雪洪水預(yù)報預(yù)警精度低于氣象部門預(yù)警精度。因此，亟需開展新疆典型流域復(fù)雜系統(tǒng)洪水演進與水利工程群的協(xié)同關(guān)系研究，洪水演化過程中的不確定性及數(shù)據(jù)同化技術(shù)研究，全面提升新疆地區(qū)洪水監(jiān)測、模擬、預(yù)測、預(yù)警、應(yīng)對突發(fā)洪水的綜合能力，助力“一帶一路”建設(shè)。