淺析水文氣象的研究進(jìn)展

摘 要：水文氣象學(xué)對(duì)低層大氣和地表之間的水分平衡以及水文循環(huán)進(jìn)行研究。多年以來，水文氣象學(xué)已形成了獨(dú)立的理論體系。水文氣象學(xué)主要研究對(duì)象是降水。本文對(duì)預(yù)測(cè)技術(shù)當(dāng)中的流域水文模型進(jìn)行了概述，列出了一些典型的預(yù)測(cè)模型技術(shù)，簡(jiǎn)述了流域水文模型的發(fā)展史。討論了水文氣象耦合預(yù)報(bào)技術(shù)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)，如何開發(fā)出更加精準(zhǔn)的降水信息的預(yù)測(cè)手段，仍是水文氣象學(xué)技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)挑戰(zhàn)和難題，需要繼續(xù)探索研究。

關(guān)鍵詞：水文氣象 流域水文模型 水文氣象耦合預(yù)報(bào)技術(shù)

1.引言

水文氣象學(xué)指的是關(guān)于低層大氣和地表之間的水分以及能量交換的研究，是氣象學(xué)和水文學(xué)的一種分支科學(xué)。水文氣象學(xué)以水文學(xué)和氣象學(xué)的理論為基礎(chǔ)原理，對(duì)低層大氣和地表之間的水分平衡以及水文循環(huán)進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：研究對(duì)象的降水與蒸發(fā)，地面徑流以及土壤的含水量和水的轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，是水文學(xué)與氣象學(xué)的交叉內(nèi)容。在整個(gè)地球系統(tǒng)當(dāng)中，大氣降水的預(yù)報(bào)和降水的監(jiān)測(cè)、地域可能形成的洪澇災(zāi)害、區(qū)域暴雨影響以及區(qū)域干旱的可能性等事件的發(fā)生于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，另外還有區(qū)域內(nèi)水資源的合理開發(fā)與利用、區(qū)域水土保持工作和水利水電工程的設(shè)計(jì)等等，都在其研究范圍之內(nèi)，也都是我國(guó)所秉承的可持續(xù)健康發(fā)展的重要理念的執(zhí)行部分。

經(jīng)過多年以來的發(fā)展，水文氣象學(xué)已經(jīng)形成了自己的理論體系。水文氣象學(xué)的主要研究對(duì)象之一是：降水。對(duì)降水的定量和定性的預(yù)報(bào)和檢測(cè)工作，一直都是研究的重點(diǎn)問題。這就與天氣預(yù)報(bào)相結(jié)合。天氣預(yù)報(bào)近年來也得到了很大進(jìn)展，數(shù)字天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的問世使得關(guān)于降水預(yù)報(bào)方式由天氣圖法轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值預(yù)報(bào)法。水文氣象學(xué)家一直在研究利用數(shù)學(xué)方式來進(jìn)行模擬和描述水文循環(huán)的具體過程，因此也發(fā)展出了流域式的水文模型的概念。隨著我國(guó)科技的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，遙感技術(shù)的發(fā)展促使流域水文模型向著分布式水文模型進(jìn)行轉(zhuǎn)變。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展自然而然地提高了我們對(duì)水文氣象產(chǎn)品的質(zhì)量需要，現(xiàn)代化的水文氣象技術(shù)必須與時(shí)俱進(jìn)。

2. 簡(jiǎn)述流域水文模型的發(fā)展

進(jìn)行流域水文技術(shù)氣象預(yù)報(bào)的技術(shù)基礎(chǔ)是對(duì)流域信息進(jìn)行提取，只有提取出有效并且準(zhǔn)確的流域水文信息才能建立出科學(xué)合適的分布式水文模型研究工作。流域信息數(shù)量繁多，利用傳統(tǒng)的流域信息提取方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在對(duì)信息流的需要了。因此，需要利用流域信息的自動(dòng)提取來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的獲取。最近幾年，地理信息系統(tǒng)GIS的高速發(fā)展，促進(jìn)了流域信息提取技術(shù)的發(fā)展，典型的提取技術(shù)如DEM技術(shù)便具有如下特點(diǎn)：高度的實(shí)用性、簡(jiǎn)易型以及自動(dòng)程度高。這些特點(diǎn)都為流域內(nèi)的特征信息提供了很好的發(fā)展條件。

數(shù)學(xué)模型的建立以及物理模型和水文學(xué)知識(shí)的結(jié)合使研究人員能夠合理地建立流域水文模型。建立模型的同時(shí)需要對(duì)流域內(nèi)的水文模型進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，并且需要分析流域內(nèi)的水文特征。建立的模型可以分為分布式和集總式。在國(guó)際界內(nèi)集總式的水文模型建立的同時(shí)，我國(guó)的集總式水文模型也飛速發(fā)展起來，如河海大學(xué)建立的新安江水文模型。但是總體來說，我國(guó)在水文模型方面的研究還不夠深入，與國(guó)際先進(jìn)水平存在著很大的差距，只能說還在處于初步的探索階段。并且缺少創(chuàng)新性，目前用的仍然是舊模型，至今還沒有能夠被界內(nèi)廣泛認(rèn)可的新模型問世，所以關(guān)于流域水文模型的研究工作仍然任重而道遠(yuǎn)。

關(guān)于分布式水文模型，它們的提出開始于二十世紀(jì)九十年代，典型的水文模型有：三層耦合流域水文模型；基于格柵單元的分布式時(shí)變?cè)鲆婢€水文模型；改良TOPKAPI水文模型；基于LL-I提出的LL-II水文模型；GBHM分布式流域水文模型；基于DEM與GIS的改進(jìn)TOP-MODEL模型，如分布式GTOPMODEL水文模型等等。

3.簡(jiǎn)述水文氣象耦合預(yù)報(bào)技術(shù)

水文預(yù)報(bào)一直以來都存在著很大的不確定性，這種不確定性來源于降水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性難以把控。降水是陸地上的水文過程的來源，因此，對(duì)于較高的準(zhǔn)確性的分辨降水量以及高精度的降水估測(cè)以及天氣預(yù)報(bào)的產(chǎn)品都是水文氣象學(xué)的難點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。在研究范圍內(nèi)的當(dāng)前的流域，水文信息的模擬以及對(duì)水文降水的預(yù)報(bào)工作都來自于雨量計(jì)的數(shù)據(jù)記錄，雨量計(jì)的觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和氣象雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)的初預(yù)報(bào)結(jié)果，都會(huì)對(duì)水文氣象的預(yù)報(bào)產(chǎn)生較大的影響。因此，要想提高水文預(yù)報(bào)的精度，就要克服不同技術(shù)方式的缺點(diǎn)，因此可以將不同的技術(shù)手段相結(jié)合，例如衛(wèi)星與天氣雷達(dá)的結(jié)合能夠?qū)樗M(jìn)行比較精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)。目前為止，世界上許多國(guó)家已經(jīng)開始進(jìn)行了關(guān)于水文氣象的高精準(zhǔn)研究，某些發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的研究比較深入，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛。例如英國(guó)的天氣雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，始建于二十世紀(jì)七十年代，早于一九九三年英國(guó)的天氣雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)便有十三部天氣雷達(dá)組成一種高效持續(xù)運(yùn)行的模式額。因此英國(guó)的水文生態(tài)研究中心以及對(duì)河流的預(yù)報(bào)系統(tǒng)和水文雷達(dá)系統(tǒng)以及水文雷達(dá)試驗(yàn)都出現(xiàn)了客觀的研究成果，并且都已經(jīng)應(yīng)用到了洪水的預(yù)報(bào)以及其他領(lǐng)域當(dāng)中了。另外，美國(guó)的一種降水分析項(xiàng)目對(duì)水文降水的分析（HRAP）是以天氣雷達(dá)測(cè)雨為基礎(chǔ)的，并結(jié)合了衛(wèi)星遙感信息技術(shù)和雨量站收集的降水實(shí)時(shí)信息，因此能夠預(yù)測(cè)出比較高精度和高準(zhǔn)確性的水文降水場(chǎng)。NOAA于二零二二年以WHFS為基礎(chǔ)，逐漸發(fā)展出了一個(gè)改進(jìn)的水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該服務(wù)系統(tǒng)被稱為AHPS系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在水文氣象預(yù)報(bào)當(dāng)中能夠兼顧已經(jīng)由大氣降落到地表的降水以及降水場(chǎng)的分布，同時(shí)，結(jié)合了分布式流域水文模型還能夠?qū)樗谏絽^(qū)的發(fā)生進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。降水的時(shí)空分布情況能夠?qū)λ臍庀箢A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生直接的影響，水文預(yù)報(bào)的效果同時(shí)受到多種可變因素的制約。計(jì)算機(jī)遙感技術(shù)在水文氣象預(yù)報(bào)中的廣泛應(yīng)用為我們提高水文氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度提供了難以取代的技術(shù)支持，衛(wèi)星遙感以及天氣雷達(dá)的定量降水預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)處于發(fā)展成熟當(dāng)中。但是，水文預(yù)測(cè)技術(shù)在不斷的發(fā)展當(dāng)中仍然遇到了急需解決的難題，如怎樣將衛(wèi)星遙感以及天氣雷達(dá)兩種技術(shù)手段完美的融合在一起，并結(jié)合上地表面的雨量計(jì)的工作實(shí)時(shí)狀況所提供的地面降水信息等，從而達(dá)到開發(fā)出一種更加精準(zhǔn)的水文降水信息的技術(shù)預(yù)測(cè)手段，仍然是水文氣象學(xué)技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)挑戰(zhàn)和難題。

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作者簡(jiǎn)介：

郭子君（1997.5.3-）女，漢族，陜西省臨潼縣，身份證號(hào)：230604199705034721，本科生，研究方向：水利水電工程