氣象水文耦合的洪水預報探究

宋壘

【摘要】傳統的洪水預報以“落地雨”為預報基礎，預見期非常有限，這不僅增加了洪水預報的不確定性、削弱了預報的及時性，也降低了可獲得的效益。因此在確保洪水預報精度的前提下，延長洪水預見期已成為防洪減災、興利調度措施中一個非常重要的研究課題?；谒臍庀篑詈系暮樗A報、洪水實時預報系統的研發等正成為當前流域暴雨洪水預報技術研究和發展的方向。本文主要對氣象水文耦合的洪水預報進行分析探討。

【關鍵詞】氣象水文耦合；洪水預報

1、前言

洪水是給人民群眾帶來生命財產損失最常見和危害最大的自然災害之一，威脅國民經濟與社會發展。洪水預報是為了預先獲得洪水發生發展過程，根據洪水形成機理與運動規律，利用氣象、水文等信息，預報預測洪水發生與變化過程的技術方法，并作為一項重要的防洪非工程措施，是減少洪水損失的最重要手段和方法之一。

2、流域水文氣象耦合關鍵技術

2.1流域水文氣象耦合的降水降尺度技術

數值天氣預報模式與流域水文模型在時間空間分辨率存在的差異制約了天氣預報模式預報結果在水文預報中應用的進一步發展。立足于在水文預報中充分有效地利用天氣預報及氣象信息這一目的，建立定量降水估算、定量降水預報（QPE/QPF）與水文模型（HM）之間的結合，其首要任務就是解決降水信息場與水文模型時間和空間尺度上的匹配問題，縮小兩者的尺度差異，尋找水文氣象結合的契機。目前這方面的研究工作目前已開始得到了相關學者的重視。

為了有效地提高定量降水估算預報產品在水文預報中的應用，武漢暴雨所等單位從“雷達資料同化+模式嵌套+高分辨的區域數值模式+動力釋用技術”的角度全面、系統地開展降尺度方法研究：在觀測降水上基于新一代多普勒雷達探測技術和雨量計實測資料，采用卡爾曼濾波、最優插值、變分、統計權重等多種校正方法，研發了高分辨的定量降水估算校正新技術；在數值模式預報降水上通過資料同化、模式嵌套、動力釋用等技術縮小了天氣模式與水文模型網格尺度的差異，建立了華中區域精細化數值預報系統，發展了實時洪水預報中水文氣象耦合的降尺度技術。

2.2雷達定量降水估算（QPE）與洪水預報的耦合

確切地掌握降雨量的空間分布，是使用分布式水文模型的重要先決條件。雷達測雨可直接測得降雨的空間分布，提供流域或區域的面雨量，并具有實時跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。雷達估算降水有時空分辨率高的優點，可以比較客觀地反映降水量相對大小的分布趨勢。

為了將雷達測雨資料用于洪水預報預警，國外學者首先展開了相關研究。如美國已經建立了由多探測器降水估算技術和人機交互雨量訂正技術共同構成的定量估算降水業務應用系統，并和水文預報模型結合，應用在山洪指導系統（FFGS）和美國天氣局河流預報系統（NWSRFS）中。英國氣象局開發了雷達資料實時處理和多部雷達聯網工作，實現資料的實時質量控制，結合雷達和衛星資料，進行了氣象和水文服務的短時定量降水預報，利用水文雷達系統（HYRAD）集成了雷達-雨量計估算面雨量和流域雷達降水預報的研究成果，用實時雷達和雨量計資料計算流域面雨量并進行未來兩小時的流域面平均雨量預報，將計算和預報數據以時間序列的形式存入RFFS數據庫用于河流預報。RFFS與HYRAD共同組成了實時降水與河流預報系統，目前已經在泰晤士流域等幾個洪水預報警報中心進行日常業務應用。

2.3模式預報降水（QPF）與洪水預報的耦合

預見期內的降水量直接影響著洪水預報的精度，預見期愈長，預見期內的降雨對預報值影響愈大，為此預見期內的降雨與洪水預報耦合技術也逐步受到了廣大水文和氣象科技工作者的關注。目前隨著數值預報理論與方法的飛躍發展，數值預報現正成為暴雨預報實現定點、定時和定量的科學手段，為水文模型預見期降水的預報提供了強有力的支撐。

目前定量降水預報（QPF）應用于水文預報模型是被水文氣象學界普遍認同的發展方向之一，也是目前研究的熱點難點。開展了定量降水預報及其集合預報產品與水文預報耦合的預報試驗，結果表明考慮預見期內的降雨相對于未考慮預見期降雨對洪水預報結果提高具有明顯的優勢，能延長水文預見期，提高水文預報精度，約40%；將降水集合預報產品引入水文預報領域，拓展了水文不確定性預報的新方法，能將單一的確定性預報轉化為可能發生范圍的預報，獲取更多的水文預報信息，提高了水文預報結果的可靠性，能更好地滿足防洪減災對風險信息的需求。

3、結語

暴雨洪澇災害一直是威脅人類生存和發展的最嚴重的自然災害之一。然而當前客觀條件正在悄然發生一些變化，如新一代天氣雷達網的建成、雷達衛星估算降雨技術的發展腳步加快、定量降雨預報準確率的不斷提高、水文模型構建技術的不斷創新、地理信息技術的逐漸成熟、網絡通信與計算機技術的飛速發展等，都給我國洪水預警預報技術發展提供了一個很強實的基礎和發展機遇，但是同時也面臨著問題與挑戰。

大氣水文模式的發展和相互耦合與衛星遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、數字高程模型（DEM）、計算機科學和優化技術等的快速發展密不可分。利用RS可提供大范圍的、較高時空分辨率的地質、地貌、植被、土壤類型、土地利用等下墊面信息，GIS是大氣水文耦合模式利用和管理各種空間分布數據的必要工具；四維數據同化法體現了模型與觀測的集成，在理論上可探討與模型、觀測和誤差估計等有關的一系列基本科學問題，在實踐上可為耦合模型提供高質量的初始場和驅動數據庫；耦合模式運行需強大的計算機硬件支持，而并行計算、優化技術等的使用可顯著提高計算速度、增強數值計算的穩定性；此外，虛擬現實技術的不斷發展可能創建真正意義上的水文虛擬空間，將此技術與大氣水文耦合模式結合，對開展流域水情的實時監控及進行水資源的動態管理和調度具有重要應用價值。

參考文獻：

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