趙麗霞，徐十鋒，龐雁東

（1.黃委河南水文水資源局，河南鄭州 450004；2.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州450004；3.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450004）

為提高洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期[1，2]，利用天氣預(yù)報(bào)降雨作為模型輸入，進(jìn)行降雨徑流預(yù)報(bào)是常用的方法。在洪水預(yù)報(bào)中，直接采用該模式可能會(huì)導(dǎo)致洪水預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大的偏差。集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（EPS）的出現(xiàn)有效提高了洪水預(yù)報(bào)精度。本文以伊洛河?xùn)|灣以上流域?yàn)檠芯繉ο螅园拇罄麃啠˙MRC）、加拿大（MSC)、中國（CMA)、歐洲（ECMWF)、英國（UKMO)、美國（NCEP)6個(gè)氣象中心的TIGGE降水?dāng)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)新安江模型，選取2010年7月15日至9月10日的復(fù)式洪水過程進(jìn)行研究。

1 集合洪水預(yù)報(bào)模型

1.1 TIGGE降水

集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)[3，4]（EPS）又稱為概率預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是提供大氣變量的完全概率預(yù)報(bào)。近年來，全球很多國家和地區(qū)正在使用或嘗試將EPS應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)中。TIGGE（THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)集合預(yù)報(bào)是世界氣象局組織的“觀測系統(tǒng)研究和預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的重要組成部分，其在全球范圍組織各氣象業(yè)務(wù)中心進(jìn)行集合預(yù)報(bào)的開發(fā)與合作，并計(jì)劃發(fā)展成為未來的“全球交互式預(yù)報(bào)系統(tǒng)”。文中以TIGGE（BMRC，MSC，CMA，ECMWF，UKMO，NCEP）預(yù)報(bào)降水驅(qū)動(dòng)新安江模型來實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)。

1.2 雨量資料的尺度轉(zhuǎn)換

TIGGE集合預(yù)報(bào)雨量數(shù)據(jù)為分布式的柵格數(shù)據(jù)，柵格大小為25 km×25 km。經(jīng)研究表明，對于洪水預(yù)報(bào)中降水的空間分布而言，水文模型中的空間分辨率并不是越小越好，而是與降水的時(shí)間和空間尺度有關(guān)。對于基于柵格的水文模型，柵格雨量的空間分辨率往往在1 km×1 km，有的甚至更小。將TIGGE集合預(yù)報(bào)雨量應(yīng)用于水文模型時(shí)，必須進(jìn)行雨量數(shù)據(jù)的降尺度處理。常用的雨量降尺度[5]方法：基于整個(gè)流域上的降雨總量平衡，將每個(gè)TIGGE集合預(yù)報(bào)雨量25 km×25 km的柵格數(shù)據(jù)都降尺度轉(zhuǎn)化為1 km×1 km，并進(jìn)行氣象柵格雨量的空間校正。計(jì)算公式：

式中：ci為子流域校正系數(shù)；Pi，j為第j組集合預(yù)報(bào)雨量在i個(gè)柵格或者單元子流域的面平均雨量；o為地面雨量計(jì)觀測雨量；e為集合預(yù)報(bào)雨量；-C為各流域校正系數(shù)的平均值；-Pi為第i個(gè)觀測雨量站控制面積內(nèi)的平均雨量；-P為流域面平均雨量。

對于概念性的新安江模型而言，其子流域大小一般為200～800 km2，按泰森多邊形法劃分的單元流域與TIGGE雨量柵格大小相近，故采用簡單方法進(jìn)行雨量合并，可以大大減小雨量尺度轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的誤差。當(dāng)觀測雨量站控制的泰森多邊形面積被包圍于同一個(gè)集合預(yù)報(bào)雨量柵格中時(shí)，集合預(yù)報(bào)柵格雨量值即為該子流域的面平均雨量；當(dāng)不能被包含于同一雨量柵格時(shí)，由每個(gè)觀測雨量控制面積內(nèi)的柵格雨量按面積權(quán)重計(jì)算得到該單元流域預(yù)報(bào)的面平均雨量[6]。計(jì)算公式：

式中：n為每個(gè)觀測雨量控制面積所包含的柵格數(shù)；A為觀測雨量站控制面積；Pi為觀測雨量控制面積內(nèi)第i個(gè)預(yù)報(bào)雨量柵格的雨量值；Ai為第i個(gè)預(yù)報(bào)雨量柵格位于控制面積A內(nèi)的面積。

1.3 全局優(yōu)化的新安江模型

新安江模型[7]是由河海大學(xué)教授趙人俊在1973年提出的，在國內(nèi)洪水預(yù)報(bào)和徑流模擬中得到了廣泛推廣和應(yīng)用。本文采用SCE-UA[8]優(yōu)化算法與遺傳早停止LM算法相結(jié)合的方法，對新安江模型的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定優(yōu)化，使模型的操作運(yùn)行更加方便、快捷。

2 流域概況

東灣以上流域地處河南省境內(nèi)，位于黃河流域伊洛河上游，控制面積為2 856 km2。該流域冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，多年平均降雨量為500～1 100 mm，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性氣候。流域地勢總體是西南高東北低，年降水量也隨地形高度增加而增大，且上游多以林地地形為主，降水量的分布極不均勻，導(dǎo)致山地為多雨區(qū)，河谷及附近丘陵為少雨區(qū)。流域內(nèi)降水年際變化較大，年最大降水量是年最小降水量的2倍左右，且年內(nèi)分配極為不均，每年7—9月的降水量占年降水總量的一半以上，該過程內(nèi)的洪水多由暴雨產(chǎn)生，具有陡漲陡落、洪峰高、歷時(shí)短等特點(diǎn)，對中下游的防洪安全具有較大的影響。

流域內(nèi)有陶灣、欒川、廟子、白獅、白土、潭頭、合峪、東灣共8個(gè)雨量站，采用國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的1 km×1 km的數(shù)據(jù)，用ArcGis軟件對研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行流域提取、河網(wǎng)生成，用泰森多邊形法將流域劃分為8塊單元面積，采用下游黑石關(guān)站的同時(shí)間系列實(shí)測蒸發(fā)資料。所劃分的子流域及其代表雨量站見表1。

表1 東灣子流域面積權(quán)重

3 實(shí)例分析

選取東灣以上流域2010年7月15日至9月10日的洪水過程進(jìn)行試驗(yàn)研究。該次洪水為復(fù)峰洪水，實(shí)測洪峰流量為3 780 m3/s，出現(xiàn)的時(shí)間是7月24日14時(shí)。

3.1 全局優(yōu)化的新安江模擬預(yù)報(bào)

利用新安江模型對東灣以上流域的洪水過程進(jìn)行模擬，采用全局優(yōu)化的方式進(jìn)行參數(shù)率定，參數(shù)率定結(jié)果見表2，新安江模型模擬的結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，該復(fù)式洪水模擬預(yù)報(bào)的精度很高，具有研究價(jià)值和意義。

圖1 東灣實(shí)測降雨模擬流量過程

3.2 集合預(yù)報(bào)可行性分析

為了驗(yàn)證TIGGE集合預(yù)報(bào)雨量用于降雨-徑流預(yù)報(bào)的可行性，以EGRR的集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為例，對2010年7月20日20時(shí)至7月24日20時(shí)的地面雨量計(jì)觀測雨量分為考慮預(yù)見期集合和不考慮預(yù)見期集合分別進(jìn)行降雨-徑流預(yù)報(bào)，同時(shí)選擇EGRR集合預(yù)報(bào)中具有代表性的集合成員進(jìn)行模擬。根據(jù)實(shí)測資料，7月20日20時(shí)至7月24日20時(shí)的觀測面平均雨量為80.6 mm，圖2中的流量過程線分別為EGRR集合成員對該時(shí)段內(nèi)雨量的漏報(bào)（21.4 mm）、謊報(bào)（175.4 mm）、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)（95.2 mm）及不考慮預(yù)見期內(nèi)降水所得到的預(yù)報(bào)流量過程線。

表2 新安江次洪模型參數(shù)值表

圖2 基于EGRR3個(gè)預(yù)報(bào)成員的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果

從圖2可以看出，對于此次洪水而言，EGRR的3個(gè)集合成員都能反映未來天氣變化的趨勢，相比不考慮預(yù)見期降雨的洪水預(yù)報(bào)精度有所提高。降雨的漏報(bào)會(huì)導(dǎo)致防洪上的疏忽，造成較大的洪災(zāi)損失，對降雨的謊報(bào)使得預(yù)報(bào)的洪水遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測的洪水，從防洪角度來說，可能造成某種程度的人力物力資源的浪費(fèi)。而集合預(yù)報(bào)能夠更好地考慮到模型的不確定性、邊界條件的變化及數(shù)據(jù)同化，得到降雨較為完全的概率預(yù)報(bào)結(jié)果。

3.3 集合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TIGGE集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在每日的8時(shí)和20時(shí)各發(fā)布一次時(shí)間步長△t=6 h的未來240 h集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。利用6個(gè)天氣中心的集合預(yù)報(bào)雨量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?xùn)|灣以上流域新安江模型，對東灣以上流域2010年7月15日8時(shí)至9月5日8時(shí)的洪水過程進(jìn)行連續(xù)模擬演算。

由連續(xù)模擬結(jié)果可以看出，隨著ECMF集合預(yù)報(bào)降雨精度的逐漸提高，基于ECMF集合預(yù)報(bào)模式的洪水預(yù)報(bào)過程越來越貼近實(shí)測流量過程。ECMF集合預(yù)報(bào)成員在7月15日8時(shí)的預(yù)報(bào)中已經(jīng)探測到洪峰的微弱信號(hào)，從16日8時(shí)開始，對洪峰的跟蹤信號(hào)已經(jīng)具備了一定的精度，21日20時(shí)集合預(yù)報(bào)成員顯示出了相當(dāng)一致的較密集降雨事件的信號(hào)。預(yù)報(bào)成員從長預(yù)見期預(yù)報(bào)到短期預(yù)報(bào)演進(jìn)時(shí)一致性地不斷改進(jìn)，表明了集合預(yù)報(bào)的可行性，其越來越接近實(shí)際的降水事件。通過ECMF集合預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的洪水預(yù)見期可以延長到3~9 d，這將大大提高洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見期，為防洪減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。同樣的結(jié)論可以從BABJ，CWAO和EGRR集合預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果中得到，而AMMC和KWBC預(yù)報(bào)中心對此次降雨的探測結(jié)果較差，集合預(yù)報(bào)的雨量明顯偏小。2010年7月17日8時(shí)TIGGE發(fā)布的未來10 d東灣以上流域面平均雨量集合預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值見表3。

表3 2010年7月17日8時(shí)TIGGE發(fā)布的平均面雨量結(jié)果mm

從單次集合預(yù)報(bào)結(jié)果來看，集合預(yù)報(bào)在預(yù)見期240 h內(nèi)的預(yù)報(bào)精度很高。由表3可以得出：預(yù)見期為120 h的集合預(yù)報(bào)平均值與地面雨量計(jì)觀測值最接近，預(yù)報(bào)效果較好，參考價(jià)值較高。因?yàn)楦鱾€(gè)天氣預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)精度各不相同，因此，可以考慮將所有預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)結(jié)果綜合起來組成超級預(yù)報(bào)集合進(jìn)行洪水概率預(yù)報(bào)，本文將所有天氣預(yù)報(bào)中心的集合預(yù)報(bào)成員進(jìn)行簡單的等權(quán)重來組成超級集合，大部分預(yù)報(bào)成員都能夠較好地探測到該次洪水。

本文建立的氣象-水文耦合的集合洪水預(yù)報(bào)模型以TIGGE集合預(yù)報(bào)降雨作為模型的不確定輸入，并考慮了模型參數(shù)的不確定性，實(shí)測洪水流量過程基本被包含在90%置信度范圍內(nèi)，實(shí)測流量與概率為95%的預(yù)報(bào)流量相近，為同類洪水預(yù)報(bào)模型的研究提供了一定的借鑒作用。在今后的洪水預(yù)報(bào)中，利用超級集合的預(yù)報(bào)結(jié)果作洪水發(fā)生概率分析，繪制相應(yīng)的洪水風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)警圖，可為流域防汛決策部門作出決策和必要的準(zhǔn)備贏得一定的時(shí)間。

4 結(jié)語

本文利用TIGGE集合降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?xùn)|灣以上流域新安江模型，構(gòu)建了氣象-水文耦合的洪水預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)，并對流域2010年汛期洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，有效提高了洪水預(yù)報(bào)的精度并延長了預(yù)見期。文中采用了一種新的思路對伊洛河?xùn)|灣以上流域進(jìn)行降雨-徑流模擬，具有較強(qiáng)的理論依據(jù)和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，但仍有需要進(jìn)一步研究的問題。

1）因?yàn)門IGGE集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫建于2007年，通過對東灣以上流域2010年汛期的洪水進(jìn)行驗(yàn)證，得到了較高的預(yù)報(bào)精度和效果，但仍然需要對更多的歷史洪水進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合流域自身的特性，改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，提高預(yù)報(bào)精度，延長洪水的預(yù)見期。

2）在集合預(yù)報(bào)中，各個(gè)天氣預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)數(shù)值精度各不相同，以等權(quán)重系數(shù)進(jìn)行集合預(yù)報(bào)，可能會(huì)造成綜合預(yù)報(bào)精度低于單個(gè)天氣預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)精度。在今后的研究中應(yīng)收集和比較各個(gè)天氣中心以往的作業(yè)精度，定出其權(quán)重系數(shù)，然后再參與到超級集合預(yù)報(bào)中，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果制作洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警圖，進(jìn)一步提高集合洪水預(yù)報(bào)的精度。