淺談集合數(shù)值預報在洪水預報中的應用進展

秦寧+李婷

摘 要：溫室效應已成為世界關注的環(huán)境問題，氣候變暖與人類活動的加劇，加快了冰川的融化速度，導致洪水災害的發(fā)生越來越頻繁。集合數(shù)值預報在洪水預報中的應用，能夠有利于提高洪水預警水平，降低洪水災害對社會的危害?；诖耍恼轮饕獙蠑?shù)值預報優(yōu)勢進行了分析，并對其在洪水預報中的應用進行了研究。

關鍵詞：洪水預報；集合數(shù)值預報；應用

引言

洪澇災害和干旱缺水嚴重制約了我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，合理利用洪水資源，在保證防洪安全的前提下，將洪水轉化為可利用的資源，減少洪澇災害與干旱災害的損失勢在必行。洪水預報是重要的基礎環(huán)節(jié)，及時準確的洪水預報為防洪調(diào)度和抗洪減災提供了科學可靠的依據(jù)。因此，在洪水預報中，相關人員應注重集合數(shù)值預報在其中的應用效果，為防洪減災工作的開展提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1集合數(shù)值預報概述

1.1集合數(shù)值預報方法

以集合數(shù)值為基礎建立起的洪水預防方法可分為三大類：河道洪水演進法、降雨徑流預報法和氣象-水文方法。

第一，河道洪水演進法。是根據(jù)河道上斷面入流過程預報下游斷面洪水出流過程的方法，該方法的理論基礎是非恒定流水力學，理論公式是由水流連續(xù)方程和動量方程組成的明渠一維漸變非恒定流方程組，即圣維南方程組。

第二，降雨徑流預報法。該方法是根據(jù)當前已經(jīng)測到的流域降雨和徑流資料，按徑流形成原理制作產(chǎn)匯流計算方案，由實測降雨預報流域斷面出口的洪水過程。降雨徑流預報法就是采用流域實測降雨，依據(jù)產(chǎn)流理論建立流域水文模型，預報流域出口斷面洪水過程的方法。

第三，氣象-水文法。該方法是氣象和水文相結合的方法，是在降雨徑流預報法的基礎上，引入預報降水進行洪水預報的方法。其技術路線如圖1所示：

1.2水文預報的不確定性分析

水文預報不確定性的來源主要包括：氣象外力場（降雨、溫度、風速、濕度、氣壓、太陽輻射等）、初始條件和邊界條件（下墊面條件，如積雪量、土壤濕度、湖泊高度等）、模型結構和參數(shù)誤差（方程、網(wǎng)格尺度、參數(shù)等）、模型輸出（模擬徑流量等）和模型資料（觀測徑流量等）等。因此，氣象預報中的不確定性只代表水文預報不確定性的一個部分。洪水預報用戶需要對洪水預報的不確定性估計，不僅是一個最大概率的近似估計，而且是一個能夠對洪水預報不確定性各種可能的定量估計。

1.3集合數(shù)據(jù)預報在洪水預報中應用的必要性

隨著世界科學技術以及經(jīng)濟文化水平的不斷發(fā)展，一些技術研發(fā)成果的應用也是越來越普遍、越來越專業(yè)。以洪水預報為例，集合數(shù)值預報的應用與發(fā)展，提高了洪水防災效果。因為，洪水預報需要降水輸入，洪水預報的降水初始值若僅僅來自地面觀測網(wǎng)和雷達反演降水，特別是在預報較大洪水的上游沒有數(shù)據(jù)提供或觀測儀器出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)傳輸失敗的情況下，會大大影響洪水的預報時效，尤其對2-15天以上的預報必須使用數(shù)值天氣預報。據(jù)相關研究表明：引入數(shù)值天氣預報的洪水預警能夠將預報時效從幾小時延長到幾天，但單值的數(shù)值預報不足以將其預報內(nèi)在的不確定性定量表達出來，由一個集合預報系統(tǒng)集成的降水預報用于流域的洪水預報時，可以改進預報效果，而且可以將有些不確定性定量化。

2集合數(shù)值預報在洪水預報中的應用概況

2.1集合數(shù)值預報在洪水預報中的應用現(xiàn)狀

在水文集合預報研究和業(yè)務領域，氣象集合預報的應用價值越來越受到重視。集合預報系統(tǒng)可以給出氣象預報和水文預報的不確定性，延長水文預報預見期，定量分析氣象水文預報要素的可預報性。圖1是借助TIGGE歸檔資料，應用NMC、NCEP和ECMWF的集合預報以及3個預報中心的大集合預報降水量驅動洪水預報模型得到王家壩站的流量集合預報：

由圖1可以看出，由于集合預報是多個成員的預報，因此，集合預報成員可以捕捉導致洪水發(fā)生的可能性，集合預報可以降低空報、漏報的可能性。

2.2在洪水預報中的應用

作為預防洪澇災害中的一項重要的措施，實效較長的預報結果可以為救災、防災工作的順利進行提供充足的時間。通過相關研究分析表明：集合數(shù)值預報工作在洪水預報中的有效應用，能夠極大地延長預報的實效。即在應用了數(shù)值預報方式后，實際的洪水預報時間可以被延長到五到六天的時間，對比之前洪水預報只能夠保持兩到三天的預防效果，其對于延長預防實效性具有十分重要的作用。此外，由于集合預報具有一定的預報技巧，所以，其不僅可以延長預報實效，還可以提升預報結果的準確性。

2.3在中小尺度流域中的應用

在洪水預報中應用流域分布模型和集合預報這兩種方式，可以有效提升供水實時預報的準確性。

第一，在大尺度的洪水預報系統(tǒng)中，通過結合中期天氣預報集合預報系統(tǒng)、5km格點分辨率、50m格點分辨率，分析得出：大部分集合預報中都存在著低估何流量的情況，但其總體的預報結果卻比較理想。

第二，在利用歐洲兩個區(qū)域模型和ECMWF集合數(shù)值預報，對某河TOPKAPMO模型中的1km格點分辨率進行洪水預報，其預報結果表明：定量降水預報方式得到的結果具有一定的不準確性，存在預報量級和預報時間偏低的情況。與此同時，ECMWF集合預報方法開發(fā)出的分布式降水徑流模型，一般都會使用動力降尺度這一技術來降低2km格點分辨率，在應用的過程中，預報人員主要是通過先糾正空間偏差，而后再調(diào)整時間分辨率，該應用方式也在一定程度上證明了在洪水預報工作中應用集合預報所存在的潛在價值。

結束語

綜上所述，在洪水預報中，集合數(shù)值預報的應用，能夠提高洪水預報工作水平，為洪災防護工作的開展提供了數(shù)據(jù)支持。因此，相關人員應注重集合數(shù)值預報的應用，做好相關地區(qū)早期洪水預報，為洪水預報工作的提升奠定堅實的基礎。

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