多尺度水文水資源預報預測預警關鍵技術及應用研究

余鐘波，楊傳國

（1. 河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098；2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098）

水資源是21世紀最重要的戰略資源之一。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將水資源問題列入重點領域的首要問題，加快水利建設，加強水利防災減災體系建設，是十八大以來我國生態文明建設戰略任務的重要內容。我國人均水資源量低，時間和空間分布不均，洪澇干旱災害頻繁。國家水資源高效開發利用的迫切需求，對水文水資源學科及行業提出了更高的要求和挑戰，為學科發展和行業能力提升帶來了新的機遇，亟需提高水文水資源多尺度預報預測預警水平，實現水資源智能調度與精細化管理。

1 項目重大意義

在氣候變化與高強度人類活動共同作用下，水循環時空規律發生了復雜變異，極端氣候和水文事件時空格局出現了新特點，水文節律非穩態增強，不確定性加劇。現有水文科學理論和方法，無論是物理還是統計的都難以對此進行精細刻劃和揭示，提高不同尺度降水和水文水資源預報預測精度仍是水文科學界和工程界面臨的難題，正在發展的大數據、星地遙感技術、全景物理實驗、人工智能和動力學數學模型的結合，為流域水文循環的精確模擬提供了新途徑，創新變化環境下基于氣陸耦合的水文水資源預報預測理論，發展降低控制不確定性的多尺度預報預測預警技術和方法十分迫切。

2 項目總體目標

項目通過水文物理實驗、高強度人類活動影響下的產匯流規律、天地一體多源數據融合同化、氣陸雙向耦合的降水與水文水資源模型、不確定性溯源與降低技術等系統研究，預期創新多尺度氣陸耦合的水文水資源預報預測理論和方法，建立多源數據融合同化及短中長降水可利用度評估規則與標準，提出不確定性降低控制技術，研發新一代水文水資源預報預測預警通用模型軟件平臺，延長預報預見期10%以上，提高預報精度5%以上，并在我國南北不同典型示范區應用與驗證，提升我國防災減災能力和最嚴格水資源管理科學水平，為國家和地區水資源智能調度與精細化管理提供重要科技支撐。

3 項目研究內容

圍繞國家重大需求，根據項目總體目標，設置了六大研究內容。

（1）在水文水資源規律解析方面，建立基于物理實驗和大數據技術的多要素融合同化技術理論體系，揭示不同區域多尺度水文水資源演變規律。

（2）在降水預報預測方面，改進陸面過程參數化方案，提高降雨預測精度，研究短期降水預報和中長期降水預測產品集成方法，探究隨降水預見期延長誤差增長規律。

（3）在水文預報理論與模型方面，發展水利工程群/水保工程群/地下水超采下產匯流機理與地表—土壤—地下水交互的耦合技術，建立氣陸耦合雙向反饋模式，構建基于氣陸耦合的水文水資源模型系統。

（4）在中長期水資源預方面，研究非一致性條件下基于大數據挖掘技術的中長期水資源預測模型，發展基于氣陸耦合的中長期水資源預測理論與方法。

（5）在不確定性降低控制方面，發展水文水資源預報預測的不確定性描述方法，建立集輸入—模型—參數多源不確定要素精細描述的概率預報方法，創新不確定性降低和控制技術及預報預測結果可靠性評估方法。

（6）在云平臺集成與應用方面，基于云虛擬化、分布式計算和軟件即服務技術，構建數據、算法和模型三層次的云虛擬化業務協同共享體系，在我國南北不同氣候區四個典型流域實現多時空尺度水文水資源預報預警的泛在化服務。

4 項目預期效益

在社會效益方面，項目成果將創新變化環境下水文水資源機理、預報預測與不確定性控制理論方法，相關模型、技術和方法被國內外科研機構和行業管理部門采用，提高行業整體技術水平和系統創新能力；培養有國內外影響力的水文氣象科研人員和行業技術骨干，為國家高層次人才培養做出重要貢獻。

在經濟效益方面，項目成果將在我國不同氣候區典型流域上開展平臺示范集成和業務應用，提升行業機構水文預報和水資源預測能力，在防汛抗旱、應急搶險、水資源調度配置中發揮作用，為國家防總和流域機構應急指揮提供技術支撐，產生顯著經濟效益，為國家社會經濟發展和生態文明建設作出貢獻。

圖1 技術路線圖