宋壘

【摘要】傳統(tǒng)的洪水預(yù)報以“落地雨”為預(yù)報基礎(chǔ)，預(yù)見期非常有限，這不僅增加了洪水預(yù)報的不確定性、削弱了預(yù)報的及時性，也降低了可獲得的效益。因此在確保洪水預(yù)報精度的前提下，延長洪水預(yù)見期已成為防洪減災(zāi)、興利調(diào)度措施中一個非常重要的研究課題。基于水文氣象耦合的洪水預(yù)報、洪水實(shí)時預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)等正成為當(dāng)前流域暴雨洪水預(yù)報技術(shù)研究和發(fā)展的方向。本文主要對氣象水文耦合的洪水預(yù)報進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】氣象水文耦合；洪水預(yù)報

1、前言

洪水是給人民群眾帶來生命財(cái)產(chǎn)損失最常見和危害最大的自然災(zāi)害之一，威脅國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展。洪水預(yù)報是為了預(yù)先獲得洪水發(fā)生發(fā)展過程，根據(jù)洪水形成機(jī)理與運(yùn)動規(guī)律，利用氣象、水文等信息，預(yù)報預(yù)測洪水發(fā)生與變化過程的技術(shù)方法，并作為一項(xiàng)重要的防洪非工程措施，是減少洪水損失的最重要手段和方法之一。

2、流域水文氣象耦合關(guān)鍵技術(shù)

2.1流域水文氣象耦合的降水降尺度技術(shù)

數(shù)值天氣預(yù)報模式與流域水文模型在時間空間分辨率存在的差異制約了天氣預(yù)報模式預(yù)報結(jié)果在水文預(yù)報中應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。立足于在水文預(yù)報中充分有效地利用天氣預(yù)報及氣象信息這一目的，建立定量降水估算、定量降水預(yù)報（QPE/QPF）與水文模型（HM）之間的結(jié)合，其首要任務(wù)就是解決降水信息場與水文模型時間和空間尺度上的匹配問題，縮小兩者的尺度差異，尋找水文氣象結(jié)合的契機(jī)。目前這方面的研究工作目前已開始得到了相關(guān)學(xué)者的重視。

為了有效地提高定量降水估算預(yù)報產(chǎn)品在水文預(yù)報中的應(yīng)用，武漢暴雨所等單位從“雷達(dá)資料同化+模式嵌套+高分辨的區(qū)域數(shù)值模式+動力釋用技術(shù)”的角度全面、系統(tǒng)地開展降尺度方法研究：在觀測降水上基于新一代多普勒雷達(dá)探測技術(shù)和雨量計(jì)實(shí)測資料，采用卡爾曼濾波、最優(yōu)插值、變分、統(tǒng)計(jì)權(quán)重等多種校正方法，研發(fā)了高分辨的定量降水估算校正新技術(shù)；在數(shù)值模式預(yù)報降水上通過資料同化、模式嵌套、動力釋用等技術(shù)縮小了天氣模式與水文模型網(wǎng)格尺度的差異，建立了華中區(qū)域精細(xì)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，發(fā)展了實(shí)時洪水預(yù)報中水文氣象耦合的降尺度技術(shù)。

2.2雷達(dá)定量降水估算（QPE）與洪水預(yù)報的耦合

確切地掌握降雨量的空間分布，是使用分布式水文模型的重要先決條件。雷達(dá)測雨可直接測得降雨的空間分布，提供流域或區(qū)域的面雨量，并具有實(shí)時跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。雷達(dá)估算降水有時空分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可以比較客觀地反映降水量相對大小的分布趨勢。

為了將雷達(dá)測雨資料用于洪水預(yù)報預(yù)警，國外學(xué)者首先展開了相關(guān)研究。如美國已經(jīng)建立了由多探測器降水估算技術(shù)和人機(jī)交互雨量訂正技術(shù)共同構(gòu)成的定量估算降水業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，并和水文預(yù)報模型結(jié)合，應(yīng)用在山洪指導(dǎo)系統(tǒng)（FFGS）和美國天氣局河流預(yù)報系統(tǒng)（NWSRFS）中。英國氣象局開發(fā)了雷達(dá)資料實(shí)時處理和多部雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)資料的實(shí)時質(zhì)量控制，結(jié)合雷達(dá)和衛(wèi)星資料，進(jìn)行了氣象和水文服務(wù)的短時定量降水預(yù)報，利用水文雷達(dá)系統(tǒng)（HYRAD）集成了雷達(dá)-雨量計(jì)估算面雨量和流域雷達(dá)降水預(yù)報的研究成果，用實(shí)時雷達(dá)和雨量計(jì)資料計(jì)算流域面雨量并進(jìn)行未來兩小時的流域面平均雨量預(yù)報，將計(jì)算和預(yù)報數(shù)據(jù)以時間序列的形式存入RFFS數(shù)據(jù)庫用于河流預(yù)報。RFFS與HYRAD共同組成了實(shí)時降水與河流預(yù)報系統(tǒng)，目前已經(jīng)在泰晤士流域等幾個洪水預(yù)報警報中心進(jìn)行日常業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.3模式預(yù)報降水（QPF）與洪水預(yù)報的耦合

預(yù)見期內(nèi)的降水量直接影響著洪水預(yù)報的精度，預(yù)見期愈長，預(yù)見期內(nèi)的降雨對預(yù)報值影響愈大，為此預(yù)見期內(nèi)的降雨與洪水預(yù)報耦合技術(shù)也逐步受到了廣大水文和氣象科技工作者的關(guān)注。目前隨著數(shù)值預(yù)報理論與方法的飛躍發(fā)展，數(shù)值預(yù)報現(xiàn)正成為暴雨預(yù)報實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時和定量的科學(xué)手段，為水文模型預(yù)見期降水的預(yù)報提供了強(qiáng)有力的支撐。

目前定量降水預(yù)報（QPF）應(yīng)用于水文預(yù)報模型是被水文氣象學(xué)界普遍認(rèn)同的發(fā)展方向之一，也是目前研究的熱點(diǎn)難點(diǎn)。開展了定量降水預(yù)報及其集合預(yù)報產(chǎn)品與水文預(yù)報耦合的預(yù)報試驗(yàn)，結(jié)果表明考慮預(yù)見期內(nèi)的降雨相對于未考慮預(yù)見期降雨對洪水預(yù)報結(jié)果提高具有明顯的優(yōu)勢，能延長水文預(yù)見期，提高水文預(yù)報精度，約40%；將降水集合預(yù)報產(chǎn)品引入水文預(yù)報領(lǐng)域，拓展了水文不確定性預(yù)報的新方法，能將單一的確定性預(yù)報轉(zhuǎn)化為可能發(fā)生范圍的預(yù)報，獲取更多的水文預(yù)報信息，提高了水文預(yù)報結(jié)果的可靠性，能更好地滿足防洪減災(zāi)對風(fēng)險信息的需求。

3、結(jié)語

暴雨洪澇災(zāi)害一直是威脅人類生存和發(fā)展的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。然而當(dāng)前客觀條件正在悄然發(fā)生一些變化，如新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建成、雷達(dá)衛(wèi)星估算降雨技術(shù)的發(fā)展腳步加快、定量降雨預(yù)報準(zhǔn)確率的不斷提高、水文模型構(gòu)建技術(shù)的不斷創(chuàng)新、地理信息技術(shù)的逐漸成熟、網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展等，都給我國洪水預(yù)警預(yù)報技術(shù)發(fā)展提供了一個很強(qiáng)實(shí)的基礎(chǔ)和發(fā)展機(jī)遇，但是同時也面臨著問題與挑戰(zhàn)。

大氣水文模式的發(fā)展和相互耦合與衛(wèi)星遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)字高程模型（DEM）、計(jì)算機(jī)科學(xué)和優(yōu)化技術(shù)等的快速發(fā)展密不可分。利用RS可提供大范圍的、較高時空分辨率的地質(zhì)、地貌、植被、土壤類型、土地利用等下墊面信息，GIS是大氣水文耦合模式利用和管理各種空間分布數(shù)據(jù)的必要工具；四維數(shù)據(jù)同化法體現(xiàn)了模型與觀測的集成，在理論上可探討與模型、觀測和誤差估計(jì)等有關(guān)的一系列基本科學(xué)問題，在實(shí)踐上可為耦合模型提供高質(zhì)量的初始場和驅(qū)動數(shù)據(jù)庫；耦合模式運(yùn)行需強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件支持，而并行計(jì)算、優(yōu)化技術(shù)等的使用可顯著提高計(jì)算速度、增強(qiáng)數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性；此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展可能創(chuàng)建真正意義上的水文虛擬空間，將此技術(shù)與大氣水文耦合模式結(jié)合，對開展流域水情的實(shí)時監(jiān)控及進(jìn)行水資源的動態(tài)管理和調(diào)度具有重要應(yīng)用價值。

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