流域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究及應(yīng)用進(jìn)展

彭濤沈鐵元高玉芳胡躍文

（1 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京信息工程大學(xué), 南京 210044；3 貴州省氣象服務(wù)中心，貴陽(yáng) 550002）

流域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究及應(yīng)用進(jìn)展

彭濤1沈鐵元1高玉芳2胡躍文3

（1 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京信息工程大學(xué), 南京 210044；3 貴州省氣象服務(wù)中心，貴陽(yáng) 550002）

洪水預(yù)報(bào)在防洪減災(zāi)中具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。論文從流域暴雨的定量降水估算與預(yù)報(bào)、流域洪水預(yù)報(bào)水文模型、流域水文氣象耦合、流域洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面回顧了國(guó)內(nèi)外流域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究與實(shí)踐的進(jìn)展，并從洪水預(yù)報(bào)與氣象預(yù)報(bào)的集成耦合、有物理基礎(chǔ)的分布式水文模擬、洪水風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害評(píng)價(jià)等展望了流域洪水災(zāi)害預(yù)報(bào)的一些關(guān)鍵技術(shù)和問(wèn)題。

暴雨洪水，洪水預(yù)報(bào)，水文氣象耦合

1 引言

我國(guó)的洪澇災(zāi)害從出現(xiàn)頻率、影響范圍到造成的損失都是世界最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在過(guò)去的2000多年中,中國(guó)發(fā)生的有史料可查的重大洪水災(zāi)害就達(dá)1600余次[1-2]。20世紀(jì)50年代以來(lái),長(zhǎng)江流域(包括江淮地區(qū))的歷次大洪水(如1954、1969、1975、1991、1993、1994、1995、1996、1998、2003、2007、2010和2011年)都給國(guó)家造成了巨大損失。新中國(guó)成立以來(lái),經(jīng)過(guò)40多年的治理,全國(guó)江河流域的防洪形勢(shì)有了重大改觀。近年來(lái),隨著人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,我國(guó)洪澇損失具有逐年增大的趨勢(shì)。如何對(duì)洪水進(jìn)行科學(xué)而準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),一直是人類長(zhǎng)期面臨的歷史課題。

洪水預(yù)報(bào)追求的是高精度和預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng),要得到高精度和長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期預(yù)報(bào),必須從提高降雨估算精度開(kāi)始,結(jié)合降雨預(yù)報(bào),采取流域降雨徑流模型和河道洪水演算模型的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

早在30多年前,陳金榮等[3]從長(zhǎng)江流域防洪的豐富實(shí)踐中,對(duì)水文氣象預(yù)報(bào)已作了精辟而深刻的論述,指出氣象預(yù)報(bào)同水文預(yù)報(bào)的結(jié)合為防洪和水庫(kù)調(diào)度等工作,帶來(lái)巨大的優(yōu)越性和必要性,是水文預(yù)報(bào)發(fā)展的必然趨勢(shì)。文中闡述的基本思想在水文氣象預(yù)報(bào)技術(shù)已有許多新的發(fā)展和進(jìn)步的今天,仍然具有指

導(dǎo)意義。

20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、GIS、遙感、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等現(xiàn)代技術(shù)在水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,以及水文理論和方法的不斷發(fā)展,當(dāng)前基于雷達(dá)和數(shù)值模式的定量降水估算與預(yù)報(bào)技術(shù)、基于DEM的分布式水文模型研發(fā)、基于水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)、洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)等正成為當(dāng)前流域暴雨洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研究和發(fā)展的方向。在此從流域暴雨的定量降水估算與預(yù)報(bào)、流域洪水預(yù)報(bào)模型、流域水文氣象耦合、流域洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用等幾個(gè)方面圍繞“水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)”這一核心對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及實(shí)踐進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的回顧。

2 流域暴雨的定量降水估算與預(yù)報(bào)

洪水災(zāi)害產(chǎn)生的直接原因是一定量級(jí)的降水,面雨量是一切洪水預(yù)報(bào)模型的輸入場(chǎng),所以,面雨量估算以及預(yù)報(bào)也成為目前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外專家做了大量的有益探索,如以泰森多邊形法、Kriging插值為代表的實(shí)況插值法等,在此筆者將簡(jiǎn)要回顧基于雷達(dá)等遙感手段的定量降水估算以及基于數(shù)值模式的定量降水預(yù)報(bào)方面的進(jìn)展[4]。

2.1 基于衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感手段的定量降水估算

利用衛(wèi)星遙感資料估算降水,具有覆蓋范圍廣、獲得資料容易的優(yōu)點(diǎn),但是其空間分辨率不高,星下點(diǎn)的最高分辨率也只有5km,能從靜止衛(wèi)星收到的資料時(shí)間間隔一般是1h一幅圖,另外所利用的衛(wèi)星遙感資料主要反映的是云的情況,它與具體到某一點(diǎn)、某一小區(qū)域的降水無(wú)必然聯(lián)系,缺乏一定的理論依據(jù),但是隨著靜止衛(wèi)星時(shí)空分辨率的提高,也逐步引起了專家學(xué)者的關(guān)注。

雷達(dá)等遙感估算降水有時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn),可以比較客觀地反映降水量相對(duì)大小的分布趨勢(shì)。目前在天氣雷達(dá)資料的面雨量估算以及融合技術(shù)方面,歐美國(guó)家處于領(lǐng)先水平。如英國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始興建,在80年代迅速發(fā)展,1993年基本達(dá)到目前的狀態(tài),主要由英國(guó)氣象局管理的13部天氣雷達(dá)組成的雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)常年連續(xù)運(yùn)行,以5min間隔實(shí)時(shí)提供2km×2km分辨率的降水率資料,以及每30min提供一次基于雷達(dá)觀測(cè)資料外推制作的6h逐時(shí)和累計(jì)降水預(yù)報(bào)資料。美國(guó)自80年代后期開(kāi)始建設(shè)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)。用于全國(guó)布網(wǎng)的新一代雷達(dá)系統(tǒng)(WSR88D)是具有高質(zhì)量定量降水探測(cè)能力的現(xiàn)代多普勒天氣雷達(dá)。至1997年底,新雷達(dá)已在全國(guó)安裝了165部,覆蓋了全美國(guó),能夠提供時(shí)段小至5min和空間分辨率小于1km2的雨量估計(jì)值[5-6]。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始布設(shè)天氣雷達(dá),目前我國(guó)建成了由172部新一代多普勒天氣雷達(dá)組成的雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)6min一次的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和拼圖聯(lián)網(wǎng),加強(qiáng)暴雨等突發(fā)性災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)。從80年代起開(kāi)始研究雷達(dá)測(cè)雨和衛(wèi)星測(cè)雨,并取得了很大的進(jìn)展,如1998年淮河水利委員會(huì)與南京大學(xué)合作,以淮河為試驗(yàn)基地,利用安徽阜陽(yáng)和合肥多普勒雷達(dá)在淮河流域的支流濟(jì)、史、灌河流域進(jìn)行試驗(yàn)研究。中國(guó)氣象局和水利部聯(lián)合進(jìn)行的“淮河黃河流域暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”試驗(yàn)項(xiàng)目中,對(duì)雷達(dá)和雨量計(jì)聯(lián)合測(cè)量實(shí)時(shí)降水進(jìn)行了業(yè)務(wù)試運(yùn)行。此外就雷達(dá)估測(cè)降水方法而言,主要包括:Z-R關(guān)系法、平均校準(zhǔn)法、卡爾曼濾波校準(zhǔn)法、最優(yōu)插值法、卡爾曼濾波和最優(yōu)插值聯(lián)合校準(zhǔn)法等。國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)此也展開(kāi)了大量研究:萬(wàn)玉發(fā)等[7]提出了一種基于準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本概念雷達(dá)與雨量計(jì)的實(shí)時(shí)同步結(jié)合的降雨估算新技術(shù)。尹忠海等[8]根據(jù)卡爾曼濾波校準(zhǔn)方法估算區(qū)域降水量的原理,利用野外觀測(cè)資料對(duì)一次降水過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明卡爾曼濾波校準(zhǔn)方法能提高雷達(dá)定量估算區(qū)域降水量的精度。李建通等[9]將最優(yōu)插值法引進(jìn)雷達(dá)測(cè)雨領(lǐng)域,并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)資料分析證明了該法在測(cè)定區(qū)域降水量方面的較好效果。劉曉陽(yáng)等[10]用最優(yōu)插值方法獲得雷達(dá)雨量計(jì)聯(lián)合估測(cè)的梅山水庫(kù)集水區(qū)降水分布。張亞萍等[11]也在開(kāi)展了大量雷達(dá)估測(cè)降雨的研究工作,并取得了較大的進(jìn)展。

2.2 基于數(shù)值模式的定量降水預(yù)報(bào)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)是目前定量降雨預(yù)報(bào)最行之有效的一種方法。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式研究開(kāi)始于50年前,目前國(guó)際上比較先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式有ECMWF(歐洲中期預(yù)報(bào)中心)的全球模式,NCEP (美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)的Eta模式、WRF、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國(guó)大氣研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式MM5,以及日本全球模式、亞洲區(qū)域模式、日本區(qū)域模式等[12]。

我國(guó)的數(shù)值預(yù)報(bào)研究始于20世紀(jì)70年代,多以引進(jìn)吸收國(guó)外模式為主。如張玉玲等發(fā)展的有限區(qū)域分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)(LAFS),國(guó)家氣象中心引進(jìn)歐洲氣象中心T639發(fā)展的T213等。另外,Eta、MM5、WRF等模式被我國(guó)學(xué)者引進(jìn)并開(kāi)展了大量應(yīng)用研究[12-13]。我國(guó)自行研發(fā)的模式有:周曉平的5層細(xì)網(wǎng)格原始方程降水預(yù)報(bào)模式、宇如聰?shù)劝l(fā)展的AREM,以及中國(guó)氣象科學(xué)研究院在借鑒美國(guó)MM5和WRF的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)的天氣模式GRAPES。目前我國(guó)NWP整體水平與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距。目前我國(guó)QPF預(yù)

報(bào)水平逐年提升、空間分辨率越來(lái)越高,有限區(qū)域細(xì)網(wǎng)格業(yè)務(wù)化模式網(wǎng)格距已達(dá)10km左右。隨著中國(guó)氣象局精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)工作的開(kāi)展,七大區(qū)域中心已建立了高分辨率的區(qū)域精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng),如華中區(qū)域氣象中心由中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所(以下簡(jiǎn)稱“暴雨所”)基于WRF模式搭建的3km×3km格距的區(qū)域精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)；王晨稀等[14]開(kāi)展了我國(guó)集合預(yù)報(bào)的先例,探討NWM的不確定性；李俊等[15]探討了集合預(yù)報(bào)方法在山洪預(yù)報(bào)中應(yīng)用。

3 流域洪水預(yù)報(bào)模型

流域洪水預(yù)報(bào)主要方法有兩大類:一是以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào),該方法利用輸入(一般指降雨量或上游干支流來(lái)水)與輸出(一般指流域控制斷面流量)資料,建立某種數(shù)學(xué)關(guān)系；然后就可由新的輸入推測(cè)輸出。這種模型只關(guān)心模擬的精度,而不考慮輸入輸出之間的物理因果關(guān)系。二是以水文模型為核心的定量洪水預(yù)報(bào),該方法建立氣象與水文因子的關(guān)系,依據(jù)氣象要素進(jìn)行水文預(yù)報(bào)?；谒哪Ｐ偷暮樗A(yù)報(bào)可分為概念性水文模型和分布式水文模型,概念性模型是以水文現(xiàn)象的物理概念作為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬,對(duì)下滲、蒸發(fā)、產(chǎn)匯流等物理現(xiàn)象進(jìn)行了合理概念化,具有一定的物理基礎(chǔ),因此,在近幾十年里發(fā)展很快,在實(shí)際應(yīng)用中得到了大量的使用。很多流域水文模型都屬于概念性水文模型,如由Craford和Linsley提出的斯坦福模型,美國(guó)天氣局Sitten提出的API模型,國(guó)內(nèi)由趙人俊教授提出的新安江模型,意大利Todini提出的Arno模型等[16]。這些模型目前仍然是主流的洪水預(yù)報(bào)模型,在一定時(shí)期內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用。從20世紀(jì)90年代中期以來(lái),隨著衛(wèi)星遙感、數(shù)字雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)以GIS技術(shù)的完善和高速發(fā)展并進(jìn)入科技領(lǐng)域,分布式水文模型作為一類新的流域水文模型得到了快速發(fā)展,成為近20年來(lái)水文建模領(lǐng)域的熱點(diǎn)、是水文模型的發(fā)展趨勢(shì)和研究前沿[16-17]。

美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)于2000年9月開(kāi)始主持實(shí)施“國(guó)際分布水文模型比較計(jì)劃(DMIP)”,提出了全分布水文模型和半分布水文模型共12個(gè),分析了概念性水文模型與分布水文模型的差別[18]。分布式流域水文模型最顯著的特點(diǎn)是與DEM的結(jié)合,以偏微分方程控制基于物理過(guò)程的水文循環(huán)時(shí)空變化,能更好地考慮到降水和下墊面的空間變異,更好地利用GIS和遙感信息模擬降水徑流響應(yīng),并能與氣象模式結(jié)合延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期。分布式水文模型的研究可以認(rèn)為起始于1969年Freeze等發(fā)表的《一個(gè)具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍(lán)圖》的文章[19],該文提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。被認(rèn)為是第一個(gè)真正的分布式水文物理模型是SHE(Système Hydrologique Européen)。該模型由英國(guó)、法國(guó)和丹麥的科學(xué)家于1976年開(kāi)始聯(lián)合研制,于1982年正式發(fā)表。伴隨著SHE的問(wèn)世,分布式水文模型的研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,自20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外在水文模型模擬研究方面取得了新的進(jìn)展,目前分布式水文模型的理論和技術(shù)已趨于成熟,國(guó)外代表性成果包括TOPMODEL(Topgraphy Based Hydrological Model)、SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、VIC(Variable Infiltration Capacity)等模型,可以說(shuō)在對(duì)不同尺度、不同環(huán)境、不同需求的模擬應(yīng)用中各有優(yōu)勢(shì)或缺陷[17-18]。

國(guó)內(nèi)分布式水文模型的研究起步較晚。20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著GIS軟件的迅速發(fā)展,在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下,我國(guó)一些學(xué)者進(jìn)行了探索性的研究工作。盡管起步較晚,但也取得了較大的進(jìn)展。沈曉東等[20]在研究降雨時(shí)空與下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對(duì)徑流過(guò)程影響的基礎(chǔ)上,提出了一種在GIS支持下的動(dòng)態(tài)分布降雨徑流流域模型,實(shí)現(xiàn)了基于柵格DEM的坡面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)值模擬；郭生練等[21]建立了一個(gè)基于DEM的分布式流域水文物理模型,用來(lái)模擬小流域的降雨徑流時(shí)空變化過(guò)程；任立良等[22]在數(shù)字高程模型(DEM)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行子流域集水單元勾畫(huà)、河網(wǎng)生成、河網(wǎng)與子流域編碼及河網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系建立,然后在每一集水單元上建立數(shù)字產(chǎn)流模型,再根據(jù)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系建立數(shù)字河網(wǎng)匯流模型(馬斯京根法),從而建成數(shù)字水文模型；鄭紅星等[23]提出了模塊化結(jié)構(gòu)的流域分布式水循環(huán)模擬系統(tǒng)(HIMS)等。

4 流域水文氣象耦合關(guān)鍵技術(shù)

4.1 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(bào)模式與流域水文模型在時(shí)間空間分辨率存在的差異制約了天氣預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)結(jié)果在水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。立足于在水文預(yù)報(bào)中充分有效地利用天氣預(yù)報(bào)及氣象信息這一目的,建立定量降水估算、定量降水預(yù)報(bào)(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(chǎng)與水文模型時(shí)間和空間尺度上的匹配問(wèn)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(kāi)始得到了相關(guān)學(xué)者的重視:劉勇等[24]充分利用降水量空間統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果,通過(guò)在模型中引入坡度、坡向變量,對(duì)祁連山中東部地區(qū)降水量空間變化模式進(jìn)行尺度下移,得到了該地區(qū)具

有多尺度特性的高空間分辨率降水量的分析模型；此外,數(shù)值模式的自嵌套技術(shù)以及多模式的互嵌套技術(shù)開(kāi)始用于提高模式空間分辨率[25]。為了有效地提高定量降水估算預(yù)報(bào)產(chǎn)品在水文預(yù)報(bào)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(dòng)力釋用技術(shù)”的角度全面、系統(tǒng)地開(kāi)展降尺度方法研究:在觀測(cè)降水上基于新一代多普勒雷達(dá)探測(cè)技術(shù)和雨量計(jì)實(shí)測(cè)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(bào)降水上通過(guò)資料同化、模式嵌套、動(dòng)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[26],建立了華中區(qū)域精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(圖1),發(fā)展了實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中水文氣象耦合的降尺度技術(shù)。

4.2 雷達(dá)定量降水估算與洪水預(yù)報(bào)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(cè)雨可直接測(cè)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(shí)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(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn),可以比較客觀地反映降水量相對(duì)大小的分布趨勢(shì)。

為了將雷達(dá)測(cè)雨資料用于洪水預(yù)報(bào)預(yù)警,國(guó)外學(xué)者首先展開(kāi)了相關(guān)研究[5-6]。如美國(guó)已經(jīng)建立了由多探測(cè)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(bào)模型結(jié)合,應(yīng)用在山洪指導(dǎo)系統(tǒng)(FFGS)和美國(guó)天氣局河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NWSRFS)中。英國(guó)氣象局開(kāi)發(fā)了雷達(dá)資料實(shí)時(shí)處理和多部雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)工作,實(shí)現(xiàn)資料的實(shí)時(shí)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(shí)定量降水預(yù)報(bào),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(bào)的研究成果,用實(shí)時(shí)雷達(dá)和雨量計(jì)資料計(jì)算流域面雨量并進(jìn)行未來(lái)兩小時(shí)的流域面平均雨量預(yù)報(bào),將計(jì)算和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以時(shí)間序列的形式存入RFFS數(shù)據(jù)庫(kù)用于河流預(yù)報(bào)。RFFS與HYRAD共同組成了實(shí)時(shí)降水與河流預(yù)報(bào)系統(tǒng),目前已經(jīng)在泰晤士流域等幾個(gè)洪水預(yù)報(bào)警報(bào)中心進(jìn)行日常業(yè)務(wù)應(yīng)用。意大利博洛尼亞(Bologna)大學(xué)開(kāi)發(fā)的RAIN-MUSIC軟件,能實(shí)現(xiàn)多源降雨信息同化和數(shù)據(jù)融合,可以作為利用雷達(dá)和衛(wèi)星提供一個(gè)為得到足夠準(zhǔn)確的降雨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和面雨量估算值的最好途徑,該功能模塊已納入歐洲洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(EFFORTS)中,顯著提高了降雨估算的質(zhì)量。

此外,國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者也開(kāi)始了定量降水估算和洪水預(yù)報(bào)耦合技術(shù)的研究探討:劉黎平等[27]成功地應(yīng)用天氣雷達(dá)估算降雨技術(shù)來(lái)進(jìn)行水文預(yù)報(bào),提高了預(yù)報(bào)的精度；劉曉陽(yáng)等[28]利用雷達(dá)估測(cè)降雨對(duì)史灌河流域進(jìn)行了徑流模擬；Ren等[29]、Chen等[30]利用雷達(dá)降雨資料對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行了模擬研究；李致家等[31]對(duì)從實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的角度出發(fā),將雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)與水文模型進(jìn)行耦合對(duì)淮河史灌河流域蔣家集站進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)；武漢暴雨所聯(lián)合武漢大學(xué)[32-33]通過(guò)輸入不同的降雨量估算結(jié)果(常規(guī)插值法得到面降雨量、雷達(dá)資料聯(lián)合地面雨量站估算得到的降雨量)對(duì)比分析利用雷達(dá)資料聯(lián)合雨量站估算得到的降雨量對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的影響,試驗(yàn)表明,綜合平均確定性系數(shù)、預(yù)報(bào)洪峰流量合格率、峰現(xiàn)時(shí)差三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出使用校準(zhǔn)后的雷達(dá)降雨結(jié)果作為水文模型的輸入總體洪水模擬水平是最優(yōu)的。并基于水文模型,引進(jìn)增長(zhǎng)繁殖模方法對(duì)雷達(dá)QPE初值進(jìn)行擾動(dòng),得到不同的QPE產(chǎn)品,從而輸入水文模型,分析降水誤差信息對(duì)洪水預(yù)報(bào)中徑流模擬的影響,結(jié)果表明降水初始場(chǎng)經(jīng)過(guò)隨機(jī)擾動(dòng)之后輸出結(jié)果與未擾動(dòng)的輸出結(jié)果的相對(duì)誤差有所增大,其中洪峰流量增大約5%、洪量增大8%,即模型輸入誤差在經(jīng)過(guò)模型的傳遞后有增大的趨勢(shì),而且峰現(xiàn)時(shí)間大部分會(huì)呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

圖1 3km分辨率的華中區(qū)域數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

4.3 模式預(yù)報(bào)降水與洪水預(yù)報(bào)的耦合

預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降水量直接影響著洪水預(yù)報(bào)的精度,預(yù)見(jiàn)期愈長(zhǎng),預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨對(duì)預(yù)報(bào)值影響愈大,為此預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨與洪水預(yù)報(bào)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(bào)理論與方法的飛躍發(fā)展,數(shù)值預(yù)報(bào)現(xiàn)正成為暴雨預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)和定量的科學(xué)手段,為水文模型預(yù)見(jiàn)期降水的預(yù)報(bào)提供了強(qiáng)有力的支撐。

目前定量降水預(yù)報(bào)(QPF)應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)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)。對(duì)于預(yù)見(jiàn)期降雨與洪水預(yù)報(bào)耦合的研究國(guó)外相關(guān)學(xué)者以及國(guó)家氣象中心、長(zhǎng)江委、黃河委和武漢大學(xué)已開(kāi)展過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和調(diào)研:美國(guó)國(guó)家

氣象中心(NMC)基于數(shù)值模式預(yù)報(bào)降水開(kāi)發(fā)了一系列洪水量化預(yù)報(bào)法[34]；楊文發(fā)等[35]考慮預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降水預(yù)報(bào)信息,采用降水預(yù)報(bào)與洪水預(yù)報(bào)耦合的方法,對(duì)1998年汛期發(fā)生在長(zhǎng)江上游三峽區(qū)間的一次暴雨洪水過(guò)程進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn)；王慶齋等[36]利用小浪底—花園口之間的暴雨洪水過(guò)程開(kāi)展了洪水預(yù)報(bào)耦合技術(shù)研究；李超群等[37]基于短期定量降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品開(kāi)展了清江隔河巖洪水預(yù)報(bào)的研究；郭靖等[38]耦合MM5氣象模式和VIC 分布式水文模型構(gòu)建了漢江流域水文氣象耦合模型,并對(duì)丹江口以上流域開(kāi)展模擬試驗(yàn)；Bao等[39]以淮河息縣流域?yàn)樵囼?yàn)流域,以CMC、CMA、ECWMF、UKMO、NCEP五個(gè)氣象中心的TIGGE降水以及地面雨量計(jì)觀測(cè)降水驅(qū)動(dòng)新安江水文模型,在2007年7月的息縣流域超警洪水預(yù)報(bào)中進(jìn)行試驗(yàn)研究。崔春光等[40]、彭濤等[41]開(kāi)展了定量降水預(yù)報(bào)及其集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品與水文預(yù)報(bào)耦合的預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明考慮預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨相對(duì)于未考慮預(yù)見(jiàn)期降雨對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果提高具有明顯的優(yōu)勢(shì),能延長(zhǎng)水文預(yù)見(jiàn)期,提高水文預(yù)報(bào)精度,約40%(圖2)；將降水集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品引入水文預(yù)報(bào)領(lǐng)域,拓展了水文不確定性預(yù)報(bào)的新方法,能將單一的確定性預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為可能發(fā)生范圍的預(yù)報(bào),獲取更多的水文預(yù)報(bào)信息,提高了水文預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性,能更好地滿足防洪減災(zāi)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)信息的需求。

圖2 定量降水預(yù)報(bào)與水文模型耦合的洪水預(yù)報(bào)

5 流域洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)展

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(flood forecasting system)是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)聯(lián)機(jī)作業(yè)的運(yùn)行系統(tǒng),它靠快速、準(zhǔn)確地收集、存儲(chǔ)和處理水情、雨情,通過(guò)各種專業(yè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào),從而及時(shí)、準(zhǔn)確地作出洪水流量過(guò)程的預(yù)報(bào),提高了洪水預(yù)報(bào)的時(shí)效性和精確度。

在國(guó)外,最早將水情信息處理與洪水預(yù)報(bào)計(jì)算機(jī)制作直接聯(lián)為一體的系統(tǒng)是從研制水文自動(dòng)遙測(cè)洪水警報(bào)、預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)始的。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,日本、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等相繼在本國(guó)的河流研制出水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),并先后具有自動(dòng)化洪水預(yù)報(bào)、自動(dòng)警報(bào)功能。80年代后,這種技術(shù)走向成熟和普及。

1989年,美國(guó)天氣局在河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NWSRFS)第5版上安裝了交互式預(yù)報(bào)程序(IFP),揭開(kāi)了新一代洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制的序幕。該系統(tǒng)采用完全模塊化的結(jié)構(gòu),預(yù)報(bào)算法獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng),利用圖形交互處理技術(shù)對(duì)洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù),從而得到可以發(fā)布和實(shí)行河系連續(xù)預(yù)報(bào)的成果,保證了河系預(yù)報(bào)作業(yè)的連續(xù)性。至今,該系統(tǒng)已建成包含28個(gè)常用的預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)模型庫(kù),用戶可任意選擇所需模型用于構(gòu)建預(yù)報(bào)方案,并在全美13個(gè)河流預(yù)報(bào)中心廣泛使用。歐洲洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(EFFS)在2003年3月于鹿特丹舉行的題為“歐洲洪水預(yù)報(bào)的進(jìn)步”的國(guó)際會(huì)議上進(jìn)行了首次展示,目前改進(jìn)后的系統(tǒng)可耦合雷達(dá)降水估算和有限區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式,建立暴雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)耦合的一體化模型[42-43]。

在我國(guó),最早投入運(yùn)行的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)就是1985年從美國(guó)SM公司引進(jìn)的ALERT軟件系統(tǒng)。在消化吸收的基礎(chǔ)上,我國(guó)開(kāi)發(fā)了各流域的數(shù)以百計(jì)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng),至20世紀(jì)90年代中期,我國(guó)從無(wú)到有基本上普及了洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了以電腦作業(yè)替代手工作業(yè)。1992年,在中美雙邊洪水預(yù)報(bào)學(xué)術(shù)討論會(huì)上,美國(guó)天氣局河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NWSRFS)第五版受到國(guó)內(nèi)水文預(yù)報(bào)界的重視。當(dāng)前,洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制進(jìn)展較快,已開(kāi)發(fā)了具有中國(guó)特色的專家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。水利部水文局開(kāi)發(fā)的“中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”(CNFFS)和長(zhǎng)江委水文局開(kāi)發(fā)的“WIS水文預(yù)報(bào)平臺(tái)”(WISHFS)便是代表性的成果。中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),以全國(guó)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)為依托,以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái),能方便地構(gòu)建五類洪水預(yù)報(bào)方案,具有標(biāo)準(zhǔn)的、通用的預(yù)報(bào)模型方法庫(kù),可任意選擇多模型、多方法制定預(yù)報(bào)方案,具有人工和自動(dòng)優(yōu)選結(jié)合的模型率定功能,具有定時(shí)預(yù)報(bào)和人機(jī)交互預(yù)報(bào)功能,可干預(yù)任何信息源和預(yù)報(bào)過(guò)程,具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等,已在25個(gè)流域機(jī)構(gòu)和省(直轄市、自治區(qū))的水文部門(mén)推廣應(yīng)用[43-44]。

隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展,國(guó)家氣象中心、武漢暴雨所等單位立足于基于定量降雨估算(QPE)、定量降雨預(yù)報(bào)(QPF)、集合降水預(yù)報(bào)技術(shù)、開(kāi)展水文預(yù)報(bào)模型和水文氣象耦合的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā),設(shè)計(jì)研發(fā)了融合多源降水信息的小流域分布式水文物理模型,流域水文氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了與氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)有機(jī)融合,成功應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)、淮河王家壩、清江水布埡等12個(gè)流域以及國(guó)家山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程項(xiàng)目中[45-46]。

6 展望

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(bào)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(guó)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)很強(qiáng)實(shí)的基礎(chǔ)和發(fā)展機(jī)遇,但是同時(shí)也面臨著問(wèn)題與挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為,為了進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)流域洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,需在以下幾個(gè)方面著重開(kāi)展研究。

(1)加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)與氣象預(yù)報(bào)的集成耦合的技術(shù)研究,充分利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)以及中尺度暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)來(lái)描述水文輸入資料(降雨等)的時(shí)空變異性,并通過(guò)開(kāi)展降尺度方法研究,逐步縮小氣象與水文之間在時(shí)空尺度差異性問(wèn)題。

(2)加強(qiáng)有物理基礎(chǔ)的分布式水文模擬技術(shù)的應(yīng)用研究。利用GIS技術(shù),根據(jù)DEM自動(dòng)提取各種水文地形特征,自動(dòng)生成河網(wǎng),進(jìn)行流域產(chǎn)匯流和河道匯流計(jì)算；利用數(shù)字遙感數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)性的流域下墊面信息,修正模型參數(shù)和狀態(tài)變量值；在氣象預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,利用分布式水文模型,進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)水文模擬計(jì)算,提高洪水預(yù)報(bào)精度。

(3)暴雨洪水災(zāi)害是涉及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等眾多因素,為達(dá)到有效的抗洪救災(zāi)的目的,應(yīng)加強(qiáng)洪水風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害評(píng)價(jià)技術(shù)的研究,準(zhǔn)確合理的構(gòu)建洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,減少洪水災(zāi)害損失。

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Research and Application Progress on Basin Hydro-Meteorology Coupling Flood Forecasting

Peng Tao1, Shen Tieyuan1, Gao Yufang2, Hu Yuewen3

1 Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074 2 Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/College of Applied Meteorology, Nanjing University of information Science and Technology, Nanjing 210044 3 Guizhou Province Meteorological Service Center, Guiyang 550002

Flood forecasting has an important theoretical and practical significance in flood control and disaster mitigation. Research and application progress on Basin hydro-meteorology coupling f l ood forecasting both at home and abroad is reviewed from the radar and numerical model of quantitative precipitation estimation and forecast technology, hydrological model for basin f l ood forecasting, hydrology-meteorological coupling technology, and real-time f l ood forecasting system. Finally, some key technologies and problems of f l ood disaster prediction from the integration and coupling for f l ood forecast and weather forecast, physically based distributed hydrological model and f l ood disaster evaluation are proposed.

storm f l ood, f l ood forecasting, hydrological and meteorological coupling

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.006

2013年9月24日；

2014年1月16日

彭濤（1980—），Email：pt_mail@sohu.com

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金（41205086，41105077）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201306056，GYHY201306059）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（BK2012859）