全球氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)流域水文預(yù)報(bào)研究進(jìn)展與展望

趙銅鐵鋼 張弛 田雨 李昱 陳澤鑫 陳曉宏

摘要：全球氣象模型及新興人工智能模型為流域水文預(yù)報(bào)提供了日、次季節(jié)、季節(jié)等不同時(shí)間尺度的海量氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，基于氣象預(yù)報(bào)開展水文預(yù)報(bào)，涉及到數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建、評(píng)估檢驗(yàn)等技術(shù)問題。本文以全球氣象預(yù)報(bào)相關(guān)的研究計(jì)劃為切入點(diǎn)，調(diào)研現(xiàn)有的1 d至2周小時(shí)尺度中短期天氣預(yù)報(bào)、1～60 d次季節(jié)尺度氣象預(yù)報(bào)、1～12個(gè)月季節(jié)尺度氣象預(yù)報(bào)以及新興的人工智能氣象預(yù)報(bào);梳理氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)下流域水文預(yù)報(bào)模型方法，闡述氣象預(yù)報(bào)訂正、水文模型設(shè)置和預(yù)報(bào)評(píng)估檢驗(yàn)等技術(shù)環(huán)節(jié)?；谌驓庀箢A(yù)報(bào)生成實(shí)時(shí)和回顧性流域水文預(yù)報(bào)，定量檢驗(yàn)不同預(yù)見期下預(yù)報(bào)精度以評(píng)估相關(guān)模型方法的預(yù)報(bào)性能，為水利工程預(yù)報(bào)-調(diào)度實(shí)踐應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：全球氣象模型;氣象預(yù)報(bào);流域水文模型;水文預(yù)報(bào);實(shí)時(shí)預(yù)報(bào);回顧性預(yù)報(bào);預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV11??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??文章編號(hào)：1001-6791（2024）01-0156-11

在全球氣候變化的背景下，流域水文要素呈現(xiàn)非一致性的特征，給水利工程調(diào)度運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)［1-3］。傳統(tǒng)的工程水文設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、干旱重現(xiàn)期評(píng)估等，主要基于一致性假設(shè)，認(rèn)為“過去的水文序列代表未來的水文情景”;然而，非一致性意味著“過去不再代表未來”［4-5］。全球范圍內(nèi)，徑流統(tǒng)計(jì)分布受氣候變化和人類活動(dòng)影響而整體發(fā)生變化，并且極大值、極小值與均值常呈現(xiàn)出相似的變化趨勢［6］?；春印㈤L江、珠江等江河由于水量相對(duì)充沛，徑流量受人類活動(dòng)影響相對(duì)較小，整體變化不大;黃河、海河、遼河、松花江等江河徑流量則呈現(xiàn)不同程度變化，海河流域尤為顯著［7］。

開發(fā)水文預(yù)報(bào)進(jìn)行適應(yīng)性管理，是應(yīng)對(duì)氣候變化下水文非一致性的有效途徑［1，4］。以最長預(yù)見期分類，水文預(yù)報(bào)整體上可以分為3 d以內(nèi)的短期預(yù)報(bào)、3～14 d的中期預(yù)報(bào)、15 d至1 a的長期預(yù)報(bào)，乃至1 a以上的超長期預(yù)報(bào)［8-9］。其中，短期降水預(yù)報(bào)應(yīng)用于短期洪水預(yù)報(bào)，進(jìn)而支撐水庫防洪調(diào)度;防洪預(yù)報(bào)-調(diào)度是提升洪水資源化效率和提高防洪減災(zāi)效益的有效途徑之一［10-12］。與此同時(shí)，中長期預(yù)報(bào)應(yīng)用于制定周、月、季節(jié)等時(shí)間尺度的水庫防洪、供水、發(fā)電、灌溉等調(diào)度計(jì)劃［13-14］。由于中長期預(yù)報(bào)信息包含相當(dāng)?shù)牟淮_定性，預(yù)報(bào)調(diào)度通常制定相對(duì)保守的決策以應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，即風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖決策［15-16］。

氣象條件是流域水文過程的重要驅(qū)動(dòng)要素，氣象預(yù)報(bào)預(yù)見期和精度直接影響著不同預(yù)見期下的水文預(yù)報(bào)精度［17-19］。近年來，全球氣象模型（Global Climate Model，GCM）穩(wěn)步發(fā)展，人工智能氣象預(yù)報(bào)模型方興未艾，為流域水文預(yù)報(bào)提供了日、次季節(jié)、季節(jié)等不同時(shí)間尺度的海量氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)［20-22］。與此同時(shí)，氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)下的流域水文預(yù)報(bào)，包含著初始狀態(tài)設(shè)置、預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估和預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)訂正等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)［23-24］。相應(yīng)的，水文預(yù)報(bào)既受到氣象預(yù)報(bào)的直接影響，又與水文模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及流域初始狀態(tài)等要素緊密相關(guān)［25-27］。立足于全球氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域國內(nèi)外相關(guān)綜述［20，25，28-30］，本文致力于梳理全球氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)流域水文預(yù)報(bào)的模型方法研究進(jìn)展并進(jìn)行展望，期望為預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”工作提供有益的借鑒和參考。

1 全球氣象預(yù)報(bào)

1.1 全球氣象模型的發(fā)展

全球氣象模型通過定義旋轉(zhuǎn)球體的Navier-Stokes偏微分方程組來刻畫全球水量與能量平衡相關(guān)物理過程，進(jìn)而耦合陸地、海洋、大氣、海冰等模塊從物理機(jī)制上來預(yù)報(bào)未來氣象狀況［20］。全球氣象模型的緣起可以追溯到1904年，挪威氣象學(xué)家Vilhelm Bjerknes發(fā)表著名論文《從力學(xué)和物理學(xué)的角度考慮天氣預(yù)報(bào)問題》，提出采用數(shù)學(xué)物理方程處理大氣數(shù)據(jù)信息和開展數(shù)值預(yù)報(bào)的構(gòu)想;時(shí)隔近50 a后，美國氣象學(xué)家Jule Charney于1950年首次實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)際天氣過程的數(shù)值預(yù)報(bào)，開啟了天氣預(yù)報(bào)向客觀化、數(shù)字化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的時(shí)代［31］。近年來，得益于偏微分方程數(shù)值求解、大規(guī)模并行計(jì)算、衛(wèi)星遙感與地面觀測同化等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，全球氣象模型取得了長足的進(jìn)步，全球和區(qū)域尺度氣象預(yù)報(bào)日益成為世界各大超級(jí)計(jì)算中心核心業(yè)務(wù)工作［28-30］。與此同時(shí)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）、美國國家環(huán)境預(yù)測中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）等重要?dú)庀髾C(jī)構(gòu)面向不同時(shí)間尺度的氣象預(yù)報(bào)推進(jìn)了一系列國際合作研究計(jì)劃，如表1所示。

從偏微分方程組求解的角度，全球氣象預(yù)報(bào)主要受到初始狀態(tài)和邊界條件影響［32，20］。對(duì)于表1所示3種類型的氣象預(yù)報(bào)，中短期天氣預(yù)報(bào)主要受初始狀態(tài)影響，也即模型初始時(shí)刻狀態(tài)直接影響未來中短期預(yù)報(bào)結(jié)果［28，33］；次季節(jié)尺度氣象預(yù)報(bào)，既會(huì)受到初始狀態(tài)的影響，又會(huì)受到邊界條件的制約，因而更加復(fù)雜［30，34-35］；進(jìn)一步的，季節(jié)到年際氣象預(yù)報(bào)主要受邊界條件制約，也即海洋、海冰、陸地等下墊面條件對(duì)于大氣的強(qiáng)迫作用［29］。

1.2 中短期天氣預(yù)報(bào)

面向未來1—14 d的小時(shí)尺度中短期天氣預(yù)報(bào)，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）在全球觀測系統(tǒng)研究與可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)（The Observing system Research and Predictability EXperiment，THORPEX）科學(xué)計(jì)劃中設(shè)置了TIGGE［28，36］。TIGGE名稱中的“大集合”指的是通過一定的數(shù)據(jù)協(xié)議整合發(fā)布源自全球13個(gè)氣象中心的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，包括歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心、中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）、英國氣象局（United Kingdom Met Office，UKMO）等;“交互式”指的是根據(jù)用戶需求來更新模型設(shè)置以改進(jìn)預(yù)報(bào)結(jié)果，包括集合成員數(shù)量、網(wǎng)格空間分辨率、區(qū)域尺度預(yù)報(bào)等［36］。

相比單一機(jī)構(gòu)預(yù)報(bào)結(jié)果，TIGGE綜合多個(gè)機(jī)構(gòu)預(yù)報(bào)結(jié)果，能夠從整體上顯著地提升對(duì)于未來數(shù)天小雨、中雨到暴雨、大暴雨等不同天氣事件的預(yù)報(bào)精度［36-37］。與此同時(shí)，隨著預(yù)見期增加，集合預(yù)報(bào)可能會(huì)高估未來小雨、中雨等降水事件，同時(shí)會(huì)低估暴雨、大暴雨等降水事件;對(duì)此，需要引入統(tǒng)計(jì)訂正方法以改進(jìn)預(yù)報(bào)結(jié)果［38-40］。值得指出的是，中短期天氣過程呈現(xiàn)混沌特性：天氣預(yù)報(bào)對(duì)于初值較為敏感;相應(yīng)的，預(yù)報(bào)誤差隨著預(yù)見期延長而迅速增加［28，41］。受限于混沌特性，中短期天氣理論上的可預(yù)報(bào)性局限在2周以內(nèi)［32］。

1.3 次季節(jié)氣象預(yù)報(bào)

面向未來1～60 d的次季節(jié)氣象預(yù)報(bào)，世界氣象組織在全球氣候服務(wù)框架（Global Framework for Climate Services，GFCS）的基礎(chǔ)上提出S2S，旨在為水資源管理、農(nóng)業(yè)與食品、能源與健康、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理等行業(yè)提供氣象預(yù)報(bào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［30］?？紤]到初始值的混沌效應(yīng)［32］，次季節(jié)預(yù)報(bào)把用于天氣預(yù)報(bào)的大氣模式與海洋、陸地、海冰等模式耦合起來，通過考慮大氣-海洋-陸地-海冰等相互作用以延長預(yù)見期［30］。參照TIGGE的運(yùn)行模式，S2S統(tǒng)籌發(fā)布?xì)W洲中期天氣預(yù)報(bào)中心、美國國家環(huán)境預(yù)測中心和中國氣象局等機(jī)構(gòu)開發(fā)的10余套全球預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)［34，36，42］。

相比于TIGGE僅僅發(fā)布實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)［28，36］，S2S在業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中不僅采用耦合模式進(jìn)行未來1～60 d的實(shí)時(shí)氣象預(yù)報(bào)，還面向歷史同期進(jìn)行回顧性的氣象預(yù)報(bào)［30］。例如，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的回顧性預(yù)報(bào)為過去20 a;即2023年10月1日（起報(bào)時(shí)間）對(duì)2023年10月1日至11月30日（預(yù)見期60 d）進(jìn)行實(shí)時(shí)氣象預(yù)報(bào)，同時(shí)還會(huì)生成2003—2022年（過去20 a）10月1日至11月30日（歷史同期）的回顧性預(yù)報(bào)?；仡櫺灶A(yù)報(bào)不僅可以檢驗(yàn)同一模型對(duì)于歷史事件的預(yù)報(bào)效果，還可以定量評(píng)估不同預(yù)見期下系統(tǒng)與隨機(jī)誤差，有助于訂正實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)以提高預(yù)報(bào)精度［35，40-41］。

1.4 季節(jié)氣象預(yù)報(bào)

面向未來1～12個(gè)月的季節(jié)尺度氣象預(yù)報(bào)，美國國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）聯(lián)合美國海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）、美國國家宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）等多個(gè)部門聯(lián)合設(shè)立NMME［29］。NMME名稱中的“北美”指的是該計(jì)劃主要面向美國和加拿大的10余個(gè)季節(jié)氣象預(yù)報(bào)模型。例如，美國國家環(huán)境預(yù)測中心的氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)第一代（Climate Forecast System version 1，CFSv1）和第二代（CFSv2）季節(jié)預(yù)報(bào)，都通過NMME發(fā)布預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)［43］;美國地球流體動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory，GFDL）第二代氣象模型（Climate Model version 2，CM2）曾經(jīng)同時(shí)運(yùn)行4個(gè)版本CM2p1、CM2p1-aer04、CM2p5-FLOR-A06和CM2p5-FLOR-B01，并且新開發(fā)了無縫預(yù)測和地球系統(tǒng)研究系統(tǒng)（Seamless System for Prediction and EArth System Research，SPEAR），這5套季節(jié)預(yù)報(bào)也都通過NMME發(fā)布數(shù)據(jù)［44-45］。

不同氣象中心開發(fā)的不同版本預(yù)報(bào)模型，通常給出不同時(shí)間步長和不同空間分辨率的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間的差異性限制了相關(guān)研究的推進(jìn)。針對(duì)這個(gè)問題，北美多模型集合預(yù)報(bào)研究計(jì)劃先進(jìn)行時(shí)間-空間重采樣，即把時(shí)間步長統(tǒng)一為1個(gè)月、把空間分辨率統(tǒng)一為1°，而后才公開發(fā)布預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)［29］。這一舉措極大地促進(jìn)了多模型季節(jié)氣象集合預(yù)報(bào)研究，包括精度檢驗(yàn)、評(píng)估對(duì)比和推廣應(yīng)用等方面［45-47］。

1.5 新興的人工智能氣象預(yù)報(bào)

全球氣象模型及各種遙感監(jiān)測技術(shù)生成海量的地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，推動(dòng)人工智能（AI）預(yù)報(bào)模型迅速發(fā)展［48，21-22］。其中的標(biāo)志性成果，當(dāng)屬華為云盤古氣象大模型（Pangu-Weather）被開發(fā)和應(yīng)用于全球氣象預(yù)報(bào)［22］。從輸入與輸出2個(gè)方面，盤古氣象大模型類似于全球氣象模型：一方面，模型輸入數(shù)據(jù)為0.25°×0.25°的網(wǎng)格化全球氣象場數(shù)據(jù)，具體而言，包括13個(gè)氣壓層的位勢高度、比濕、溫度、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速，以及海平面氣壓、地面2 m溫度、10 m經(jīng)向風(fēng)速、10 m緯向風(fēng)速，共69個(gè)變量;另一方面，模型輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于輸入的69個(gè)變量，同樣為0.25°×0.25°的網(wǎng)格化全球數(shù)據(jù)。得益于“相同的輸入與輸出數(shù)據(jù)”這種模型設(shè)置，華為云提供時(shí)間步長分別為1、3、6、24 h的4個(gè)盤古氣象預(yù)訓(xùn)練大模型，以迭代運(yùn)算的方式生成未來的全球氣象預(yù)報(bào)［22］。具體而言，對(duì)于18 h后的全球氣象預(yù)報(bào)，只需要把6 h步長盤古氣象大模型迭代運(yùn)行3次：第1次運(yùn)行采用觀測的全球氣象場作為輸入;第2、3次運(yùn)行均采用上一次的全球氣象預(yù)報(bào)作為輸入。

依托華為云計(jì)算平臺(tái)，盤古氣象大模型采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的第五代全球再分析數(shù)據(jù)集（ERA5）作為驅(qū)動(dòng)，以1979—2017年的數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練，2018年的數(shù)據(jù)用作測試，2019年的數(shù)據(jù)用作驗(yàn)證。面向位勢高度、溫度、經(jīng)向風(fēng)速、緯向風(fēng)速等多個(gè)氣象變量進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，盤古氣象大模型相比歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的集成天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Integrated Forecasting System，IFS）呈現(xiàn)出更高的預(yù)報(bào)精度［22］。

2 氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)水文預(yù)報(bào)

2.1 氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)獲取與訂正

氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是流域水文預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)［3，17，19］。在20世紀(jì)七八十年代，氣象模型尚不發(fā)達(dá)，氣象預(yù)報(bào)能力極為有限;當(dāng)時(shí)，美國國家天氣局（National Weather Service，NWS）提出以歷史同期氣象條件作為流域水文模型的驅(qū)動(dòng)要素來構(gòu)建河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)（River Forecast System，RFS），即主要基于流域干濕狀態(tài)的時(shí)限延長徑流預(yù)報(bào)（Extended Streamflow Forecasting，ESP）;以實(shí)際需求為導(dǎo)向，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供最大徑流、最小徑流、累積徑流量、河流水位等一系列水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，得到了相當(dāng)廣泛的工程應(yīng)用［49］。從概念上，ESP方法基于“一致性”假設(shè)，也即假設(shè)未來降水具有與歷史同期降水相同的統(tǒng)計(jì)性質(zhì);這種情況下，徑流預(yù)報(bào)精度主要取決于流域干濕狀態(tài)，也即土壤水、地下水、積雪等蓄水單元的存蓄狀態(tài)［50］。

伴隨著天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和氣象預(yù)報(bào)模型的發(fā)展，確定性預(yù)報(bào)被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)水文模型，生成單一情景的確定性水文預(yù)報(bào);進(jìn)一步的，氣象集合預(yù)報(bào)也被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)水文模型，得到包含諸多情景的水文集合預(yù)報(bào)［17，25］。相比于歷史同期氣象條件，確定性氣象預(yù)報(bào)和氣象集合預(yù)報(bào)能夠更為有效地反映實(shí)時(shí)氣象情況;采用氣象預(yù)報(bào)作為驅(qū)動(dòng)可以生成更高精度的水文預(yù)報(bào)，不同預(yù)見期下預(yù)報(bào)精度的提升，既歸功于流域干濕狀態(tài)，又得益于高精度的氣象預(yù)報(bào)精度［23，51］。如表2所示，TIGGE、NMME、S2S等氣象預(yù)報(bào)國際合作研究計(jì)劃，以及最新開發(fā)的Pangu-Weather等，提供了小時(shí)、日、月等不同時(shí)間步長和周、月、季節(jié)等不同預(yù)見期的全球氣象預(yù)報(bào)。不同流域的水文預(yù)報(bào)通常會(huì)采用小時(shí)、日、月等不同時(shí)間尺度的水文模型;實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，需要根據(jù)不同時(shí)間步長的水文模型建模靈活地獲取對(duì)應(yīng)的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)［52-53］。

值得指出的是，受系統(tǒng)與隨機(jī)誤差影響，全球氣象模型原始預(yù)報(bào)的精度往往并不理想;如果采用原始?xì)庀箢A(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)水文模型，水文預(yù)報(bào)不確定性既會(huì)受到原始?xì)庀箢A(yù)報(bào)誤差的制約，又會(huì)受到流域水文模型的影響［23，37，52］。對(duì)此，需要對(duì)氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)訂正以控制水文預(yù)報(bào)的誤差來源［38，40，54］。比較簡單的訂正方法有同倍比縮放法和同差值加減法，即把所有原始預(yù)報(bào)的均值與所有觀測的均值做對(duì)比，從而獲得倍比因子和加減差值來訂正原始預(yù)報(bào)，這2種方法可以快速消除系統(tǒng)誤差［39，54］;稍微復(fù)雜一些的有分位數(shù)映射方法，即分別擬合原始預(yù)報(bào)與觀測的邊緣分布，根據(jù)邊緣分布獲得預(yù)報(bào)與觀測的累積分布，由累積分布的統(tǒng)計(jì)分位數(shù)來確定原始預(yù)報(bào)與觀測的映射關(guān)系從而訂正原始預(yù)報(bào)，該方法既能消除系統(tǒng)誤差，又能一定程度上處理隨機(jī)誤差［38，53］;更為復(fù)雜的有Copula和貝葉斯聯(lián)合概率等模型方法，這些模型不僅考慮預(yù)報(bào)和觀測的邊緣分布，而且考慮預(yù)報(bào)與觀測之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的強(qiáng)弱，依據(jù)二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系估算觀測值對(duì)應(yīng)于預(yù)報(bào)值的條件分布，由此訂正原始降水預(yù)報(bào)［23，40，54］。

2.2 流域水文預(yù)報(bào)模型設(shè)置

對(duì)接氣象預(yù)報(bào)相關(guān)國際研究計(jì)劃，國際水文集合預(yù)報(bào)研究計(jì)劃（Hydrological Ensemble Prediction Experiment，HEPEX）從2004年延續(xù)至今，旨在開發(fā)水文學(xué)模型方法把氣象預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為水文預(yù)報(bào)，更好地服務(wù)于水利工程調(diào)度管理［55］。面向預(yù)報(bào)模型方法開發(fā)，HEPEX提出六大研究主題（https：∥hepex.org.au/about-hepex/），分別是：① 氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)降尺度用作水文模型輸入;② 基于水文模型的集合預(yù)報(bào)方法;③ 水文學(xué)及水力學(xué)預(yù)報(bào)模型的數(shù)據(jù)同化;④ 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)后處理與多模型預(yù)報(bào)集成;⑤ 預(yù)報(bào)檢驗(yàn)及價(jià)值評(píng)估;⑥ 面向決策的預(yù)報(bào)需求識(shí)別、可視化及案例應(yīng)用。TIGGE、S2S和NMME等國際合作計(jì)劃以公開數(shù)據(jù)庫的形式提供全球氣象預(yù)報(bào)，極大地降低了水文工作面臨的氣象數(shù)據(jù)門檻（表2），為流域水文預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)下載氣象預(yù)報(bào)作為集總和分布式水文模型的驅(qū)動(dòng)條件，面向具體流域開展短期與中長期水文集合預(yù)報(bào)研究，取得了良好的效果［23，37，52］。與此同時(shí)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心等氣象機(jī)構(gòu)建立起區(qū)域尺度乃至全球尺度水文模型，采用自己的氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)水文模型從而生成區(qū)域及全球水文預(yù)報(bào)［56］。例如，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心構(gòu)建全球洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Flood Awareness System，GloFAS），采用集成天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)IFS氣象預(yù)報(bào)作為驅(qū)動(dòng)生成未來1～30 d的日尺度全球徑流預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)從2019年11月至今，回顧性預(yù)報(bào)為1999年1月至2018年12月。

以氣象預(yù)報(bào)作為驅(qū)動(dòng)要素進(jìn)行水文預(yù)報(bào)，流域水文模型參數(shù)率定和土壤水、地下水、積雪等蓄水單元初始狀態(tài)取值等技術(shù)環(huán)節(jié)相當(dāng)關(guān)鍵［19，50，57］。一方面，可以借助于流域水文模擬，即對(duì)于每一次實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)都依據(jù)前期觀測的降水與徑流進(jìn)行模型參數(shù)率定和模擬計(jì)算，基于前期的降水—徑流過程連續(xù)模擬來設(shè)定各個(gè)蓄水單元的初始狀態(tài)［52，56-57］。另一方面，如果參數(shù)已經(jīng)率定完成，則可以采用數(shù)據(jù)同化來更新模型狀態(tài)，即引入土壤水、地下水、積雪等蓄水單元相關(guān)的站點(diǎn)觀測及衛(wèi)星遙感等信息，隨著實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)進(jìn)行不斷引入觀測和遙感信息以調(diào)整蓄水單元取值從而改進(jìn)徑流預(yù)報(bào)［50］。對(duì)于水文模擬的思路，優(yōu)點(diǎn)在于簡單易行和對(duì)于數(shù)據(jù)要求較低，可以根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)需要相對(duì)快速地率定模型參數(shù)和設(shè)置初始狀態(tài);局限性是前期降水—徑流關(guān)系可能存在過擬合，并且前期模擬誤差會(huì)影響后期徑流預(yù)報(bào)，對(duì)此需要開發(fā)定量化的誤差統(tǒng)計(jì)模型［52］。對(duì)于數(shù)據(jù)同化的思路，優(yōu)點(diǎn)是綜合地面觀測和衛(wèi)星遙感等多源信息;局限性在于卡爾曼濾波、粒子濾波等同化算法相對(duì)復(fù)雜，需要大量的長序列數(shù)據(jù)以支撐模型訓(xùn)練和結(jié)果校驗(yàn)等步驟［17，50］。

2.3 流域水文預(yù)報(bào)評(píng)估檢驗(yàn)

以觀測作為基準(zhǔn)進(jìn)行流域水文預(yù)報(bào)評(píng)估檢驗(yàn)，既是預(yù)報(bào)模型性能評(píng)價(jià)的主要依據(jù)，又是預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)工程應(yīng)用的重要支撐［24，46，49］。流域水文預(yù)報(bào)具有偏度、可靠度、精度等不同的屬性，分別對(duì)應(yīng)不同的指標(biāo)［58］。例如，偏度屬性面向集合預(yù)報(bào)整體均值與觀測整體均值大小差異，可以用相對(duì)偏差（Relative Bias，RB）指標(biāo)來評(píng)估;可靠度屬性面向集合預(yù)報(bào)區(qū)間是否能夠有效概括觀測值變化范圍，可以用概率積分轉(zhuǎn)換（Probability Integral Transform，PIT）指標(biāo)來評(píng)估;精度屬性面向集合預(yù)報(bào)與對(duì)應(yīng)觀測之間的差異值，可以用連續(xù)分級(jí)概率評(píng)分（Continuous Ranked Probability Score，CRPS）指標(biāo)來評(píng)估［28，37，58］?？紤]到統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算通常需要20～30個(gè)樣本，預(yù)報(bào)檢驗(yàn)既需要實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，還有賴于長序列的歷史同期回顧性預(yù)報(bào)［20，44-45］。

不確定性是預(yù)報(bào)信息的固有屬性，集合預(yù)報(bào)采用多組情景來定量地描述預(yù)報(bào)不確定性及其統(tǒng)計(jì)分布，近年來在水文氣象領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和長足發(fā)展［17，23，25］。從水利工程調(diào)度管理的角度，集合預(yù)報(bào)所包含的系統(tǒng)與隨機(jī)誤差，直接影響相關(guān)決策的最優(yōu)性［10-12］。受水文模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)等要素影響，流域水文預(yù)報(bào)誤差通常呈現(xiàn)有偏、非正態(tài)分布的特征，并且相鄰時(shí)段之間的誤差相互關(guān)聯(lián)［52，59］。相比于單一時(shí)段的氣象預(yù)報(bào)訂正，水文集合預(yù)報(bào)受制于誤差自相關(guān)性的影響，其統(tǒng)計(jì)訂正需要同時(shí)考慮多個(gè)時(shí)段，訂正問題所涉及的統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)大為增加。對(duì)此，一種經(jīng)典思路是誤差時(shí)間序列分析，首先對(duì)比預(yù)報(bào)與觀測數(shù)據(jù)得到預(yù)報(bào)誤差，接著構(gòu)建自回歸等模型以擬合相鄰時(shí)段之間誤差關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后根據(jù)預(yù)見期從近到遠(yuǎn)對(duì)誤差進(jìn)行累積分析［52，60］。與此同時(shí)，一種新的思路在于依托多元統(tǒng)計(jì)算法直接構(gòu)建多時(shí)段預(yù)報(bào)與觀測之間的高維聯(lián)合分布，根據(jù)聯(lián)合分布生成給定預(yù)報(bào)值時(shí)觀測值的條件分布，直接從條件分布抽樣而得到訂正預(yù)報(bào)［53］。以上2種訂正水文預(yù)報(bào)的思路都有賴于實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與對(duì)應(yīng)的回顧性預(yù)報(bào)［50，56］。

3 討? 論

作為世界頂級(jí)的氣象模型研發(fā)機(jī)構(gòu)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)于2015年在Nature撰文“The quiet revolution of numerical weather prediction”，梳理20世紀(jì)50年代以來氣象模型穩(wěn)步發(fā)展的歷程［20］;近期，該團(tuán)隊(duì)在Nature Reviews Earth & Environment撰文“Deep learning and a changing economy in weather and climate prediction”，指出以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能模型將會(huì)為氣象預(yù)報(bào)帶來變革性的影響［61］。對(duì)于水文預(yù)報(bào)，既可以采用全球氣象模型預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)［28-30］，又可以嘗試采用盤古氣象大模型等人工智能模型生成的全球氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)［21-22］。與此同時(shí)，人工智能模型不僅可以提供輸入數(shù)據(jù)，更是被廣泛用于構(gòu)建流域降水—徑流模型［62-64］。流域水文預(yù)報(bào)通常采用模塊化的建模思路，即把整個(gè)模塊分解為氣象輸入、流域產(chǎn)流、流域匯流等模塊［17，56］。人工智能模型可以有力支撐相關(guān)水文預(yù)報(bào)模型的模塊開發(fā)，并且與已有的水文模塊組合成為預(yù)報(bào)系統(tǒng)，促進(jìn)不同預(yù)見期下水文預(yù)報(bào)精度提升［63-65］。

為了充分檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)的性能，既需要生成實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)，還需要生成回顧性預(yù)報(bào)［29-30，45］?；仡櫺灶A(yù)報(bào)的概念源自于大氣科學(xué)領(lǐng)域：回顧性指的是開發(fā)氣象模型進(jìn)行實(shí)時(shí)天氣或氣象預(yù)報(bào)的過程中，也用該模型對(duì)于歷史同期的過往天氣或氣象進(jìn)行預(yù)報(bào)。實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)基于當(dāng)前氣象初始場;與之對(duì)應(yīng)，回顧性預(yù)報(bào)必須把歷史上當(dāng)時(shí)的（而不是事后的）氣象場作為初始場;由此，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與回顧性預(yù)報(bào)是基于相同的模型設(shè)置而生成的，二者相結(jié)合可以充分地評(píng)估預(yù)報(bào)模型的性能［20］。例如，華為云盤古氣象大模型與歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心模型性能比較，正是得益于針對(duì)歷史事件，尤其是臺(tái)風(fēng)極端事件，回顧性預(yù)報(bào)對(duì)比分析［22］。豐富的實(shí)時(shí)與回顧性全球氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)集，為生成實(shí)時(shí)和回顧性流域水文預(yù)報(bào)提供了有利條件?；跉庀箢A(yù)報(bào)生成實(shí)時(shí)與回顧性水文預(yù)報(bào)，面向歷史洪水、干旱等代表性事件展開深入分析，定量檢驗(yàn)不同預(yù)見期下的預(yù)報(bào)精度，評(píng)估相關(guān)模型方法預(yù)報(bào)性能，可以為水利工程預(yù)報(bào)-調(diào)度實(shí)踐應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與展望

得益于全球氣象預(yù)報(bào)模型的穩(wěn)步發(fā)展和人工智能模型的飛速進(jìn)步，各種時(shí)間步長、預(yù)見期和空間分辨率的全球氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)層出不窮，它們有助于解決傳統(tǒng)水文預(yù)報(bào)所面臨的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)短板問題，為流域水文預(yù)報(bào)模型方法的研究提供肥沃的土壤。相比水文預(yù)報(bào)關(guān)注于具體的流域和預(yù)見期下的預(yù)報(bào)精度，全球氣象預(yù)報(bào)更多的是關(guān)注區(qū)域乃至全球尺度的整體預(yù)報(bào)效果。伴隨著陸地-大氣-海洋-海冰模式、衛(wèi)星觀測、數(shù)據(jù)同化、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，全球氣象預(yù)報(bào)將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和提升。為了更好地將全球氣象預(yù)報(bào)服務(wù)于流域水文預(yù)報(bào)，需要立足于目標(biāo)流域開展3個(gè)方面的工作：

（1） 全球氣象預(yù)報(bào)適用性評(píng)估。長序列水文年鑒、水文站點(diǎn)觀測、場次加密監(jiān)測等水文業(yè)務(wù)工作積累了寶貴的流域歷史水文氣象數(shù)據(jù)集，以歷史數(shù)據(jù)集作為基準(zhǔn)，可以評(píng)定不同全球氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的精度，遴選出適宜的全球氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，還可以依據(jù)歷史數(shù)據(jù)集訂正原始?xì)庀箢A(yù)報(bào)，有效地消除系統(tǒng)誤差、量化隨機(jī)誤差，為水文預(yù)報(bào)提供高精度的氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。

（2） 流域氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提取。在適用性評(píng)估基礎(chǔ)上，依據(jù)流域水文模型的需要提取氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。具體而言，對(duì)于集總式水文模型，需要從柵格化的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提取面平均氣象預(yù)報(bào);對(duì)于分布式水文模型，需要根據(jù)水文模型的空間分辨率對(duì)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格重采樣。進(jìn)一步的，依據(jù)水文模型的小時(shí)、日、月等不同計(jì)算步長，還需要調(diào)整氣象預(yù)報(bào)時(shí)間步長以適應(yīng)計(jì)算需要。

（3） 流域水文氣象預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。以回顧性氣象預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)水文模型，得到回顧性水文預(yù)報(bào)，針對(duì)歷史洪水、典型干旱等目標(biāo)事件進(jìn)行預(yù)報(bào)精度評(píng)估。整體上，水文預(yù)報(bào)精度主要受到氣象預(yù)報(bào)和水文模型2個(gè)方面的影響，通過檢驗(yàn)歸因，可以為水文預(yù)報(bào)的改進(jìn)指明方向。進(jìn)一步的，回顧性與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)還可以與調(diào)度模型相結(jié)合，支撐洪水、干旱等目標(biāo)事件復(fù)盤、推演模擬和預(yù)演、預(yù)案分析。

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Research progresses and prospects of catchment hydrological forecasting driven by global climate forecasts

Abstract：Global climate models and emerging artificial intelligence models generate big climate forecasts data for catchment hydrological forecasting at daily，sub-seasonal and seasonal timescales.The utilization of global climate forecasts to drive catchment hydrological models are confronted with the technical issues of climate forecast data retrieval，hydrological forecasting model set-up and verification of hydro-climatic forecasts.Starting with international collaborative research projects on global climate forecasting，this paper conducts a survey of short-term weather forecasts for the next 1 day to 2 weeks，sub-seasonal climate forecasts for the next 1 to 60 days，seasonal climate forecasts for the next 1 to 12 months and artificial intelligence-based climate forecasts.Furthermore，the processes of catchment hydrological forecasting driven by global climate forecasts are illustrated by detailing the technical aspects on the calibration of climate forecasts，the setting-up of hydrological models and the verification of predictive performance.By generating real-time and retrospective catchment hydrological forecasts from global climate forecasts，the efficacy of forecasting models can be quantitatively examined by verifying forecast skill at different lead times，laying a solid basis for practical forecasts-based operations of hydraulic infrastructure.

Key words：global climate model;climate forecasts;catchment hydrological model;hydrological forecasts;real-time forecasts;retrospective forecasts;forecast verification