氣象集合預報在水文領域中的應用研究進展

周洋(商丘水文水資源勘測局,河南商丘 476000)

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氣象集合預報在水文領域中的應用研究進展

周洋
(商丘水文水資源勘測局,河南商丘 476000)

【摘 要】氣象集合預報主要針對數(shù)值預報的不確定研發(fā)出的一種概率預報技術,水庫控制過程中使用集合預報能夠延長水文預報的預見期、提高預報準確性。當前氣象集合預報已經(jīng)得到諸多國家的應用,本文主要從集合預報的洪水預警、徑流預報和水庫調(diào)度三方面的應用來分析集合預報當前的研究進展,并綜合探討出當前集合預報應用在水文領域應該注意和改善的問題。

【關鍵詞】集合預報 水文領域 徑流預報

隨著當前氣象集合預報的不斷發(fā)展，其與水文領域間的聯(lián)系愈加緊密。氣象集合預報能夠降低單值預報的不確定性，由此來提高水文預報的準確性，增加水文預報的預見期，提高水文預報的利用價值。諸多實踐證明，氣象集合預報對洪水預警、水資源的持續(xù)利用和緩解水資源的供需矛盾等方面具有重要作用，同時集合預報在防災、保障國民經(jīng)濟和國防建設等上具有可觀的應用前景。

1 氣象集合預報在水文領域的實際應用

1.1 洪水預警

洪水是當前世界上最頻繁且毀滅性較高的自然災害，可見對于洪水的準確預報對于人們的生存安全具有重要影響。當前國內(nèi)外諸多學者對集合預報應用于洪水預警中進行研究，取得驕人成果。國外諸多學者針對小流域地區(qū)使用水文模型獲取概率預報的徑流數(shù)值，并將該數(shù)值與十年內(nèi)實際測得的洪水過程進行對比，充分說明了集合預報應用在洪水預警中的優(yōu)勢。部分學者基于全球預報模式的概率大氣預報建立當前的水文氣象集合預報系統(tǒng)，并將其應用于流經(jīng)瑞士主要城市的一條河流。2003年，歐洲的洪水預警系統(tǒng)正式建立，使用中尺度氣象預報使洪水預警的預見期達至10d。國內(nèi)的研究中，彭濤，沈鐵元等人構(gòu)建了基于TIGGE驅(qū)動的水文和水力學結(jié)合的洪水預報模型，使得集合預報系統(tǒng)的預報過程驅(qū)動洪水預報模型，由此得到和集成預報成員數(shù)量一致的洪水預報過程，以該種概率預報的方式對洪水進行早期的預警和預報[1]。韓焱紅，矯梅燕等使用中尺度暴雨數(shù)值模式結(jié)合降水預報產(chǎn)品，通過模型對我國湖北省內(nèi)的某河流域進行洪水預報，發(fā)現(xiàn)集合數(shù)值預報的方式能夠準確反映洪峰、洪量和時間等信息，增強了水文預報的利用價值[2]。

1.2 徑流預報

集合徑流預報最早由美國學者DAY提出，其工作原理主要通過計算流域土壤狀況和未來氣象輸入的集合對河道的流量進行預測。DAY在研究中發(fā)現(xiàn)，集合徑流預報可以用來分析春汛期的供水峰值，能夠可以用來分析干旱狀況。劉永和，嚴中偉等提出以丹江口水庫為例利用降雨和氣溫等驅(qū)動水文模型，生成未來流量的過程集合，得出集合徑流預報能夠提高預報徑流的準確性，能夠提高預報的精度和預見期[3]。有關學者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，徑流集合預報的水平較于降雨預報水平更高，冬季預報水平高于夏季。部分學者從大尺度的氣候變化對水文預報進行研究，不同氣候條件下對集合徑流預報的成員進行不同方式的處理，由此提高了徑流預報的利用性。

1.3 水庫調(diào)度決策

伴隨當前降雨預報水平的提高，諸多探測手段和網(wǎng)絡技術應用于水文預報中，水庫實時調(diào)度中可以使用預見期的降雨預報，該項也是水庫預報調(diào)度應用的主要發(fā)展趨勢。防洪調(diào)度較多應用于短期預報信息，興利調(diào)度較多應用于中長期的預報。根據(jù)當前降雨預報信息，可以增加防洪和發(fā)電調(diào)度的預見期，為預泄和預蓄做好準備，由此來增強水庫的防洪能力、提高洪水的利用率。國外學者通過集合徑流預報使用隨機動態(tài)規(guī)劃模型對水庫進行優(yōu)化，能夠?qū)搅髯兓驼`差及時記錄，幫助調(diào)度決策的有效執(zhí)行。當前國內(nèi)將集合預報應用于水庫調(diào)度上的研究較少，張熙通過集合預報和水文模型對水庫實施優(yōu)化調(diào)度，開發(fā)出新型建立在集合預報基礎上的水庫實時調(diào)度系統(tǒng)。當前水庫的運行狀況與預報的準確性有關系，同時與預報信息的利用方式有關，由此可見，如何正確選擇集合預報方式值得進一步研究，對提高水庫的調(diào)度水平具有重要意義。

2 氣象集合預報在水文應用中需注意的問題

2.1 如何使用集合預報結(jié)果

人們可以通過集成方式將集合預報轉(zhuǎn)化為單一值預報，由此能夠獲得較為標準的預報值。還可通過對預報信息進行修正，由此來提高集合預報的可利用價值。集合預報可以通過概率對使用者做出決策指引，該項是集合預報的重要作用之一，且集合預報較于單一值預報經(jīng)濟價值更高。根據(jù)不同概率條件下降雨量的發(fā)生率，并結(jié)合流域調(diào)度的決策模型，選擇適合該流域的可信概率，由此實現(xiàn)利益的最大化。有關學者通過風險分析法綜合集合預報對暴雨災害天氣進行研究，為科學決策提供依據(jù)。除此之外，小概率預報對于高風險用戶應用價值較高，但對低風險用戶價值較小。

2.2 如何雙向耦合集合預報與流域水文模型

集合預報的目的在于提供大氣變量實行概率預報，但礙于水文過程的復雜性和不確定性，不同的氣候條件和時空適用狀況適用于不同的流域水文模型，因此針對分辨率較高的水文模型，集合預報中的時間和空間無法滿足其需求，需要對氣象模式同高分辨率的分布式水文模型耦合進行尺度轉(zhuǎn)換。

2.3 如何改進水文模擬技術

水文模型的不確定性包含模型參數(shù)的合理性和適用性，對于預報信息的可利用性起到限制作用，由此可見，水文模型本身的模擬和技術條件也是學者對于集合預報的未來研究關鍵點。

3 結(jié)語

氣象集合預報較于單一初值的確定性預報更具優(yōu)越性，伴隨集合預報的廣泛應用，數(shù)值天氣預報能夠在概念、理論和實踐上使用新型技術取得新成果，熟知天氣預報將集合預報信息引用在徑流預報中是當前研究的重點和重要方向。伴隨計算機技術的發(fā)展，集合預報系統(tǒng)能夠極大程度減少誤差、修復降雨的不確定性，由此提高我國水文預報的準確性，促進我國區(qū)域經(jīng)濟的規(guī)劃和發(fā)展。

參考文獻:

[1]彭濤,沈鐵元,高玉芳,等.流域水文氣象耦合的洪水預報研究及應用進展[J].氣象科技進展,2014,02(10):52-58.

[2]韓焱紅,矯梅燕,陳靜,等.基于貝葉斯理論的集合降水概率預報方法研究[J].氣象,2013,01(08):1-10.

[3]劉永和,嚴中偉,馮錦明,等.基于TIGGE資料的沂沭河流域6小時降水集合預報能力分析[J].大氣科學,2013,03(11):539-551.