陸氣耦合洪水預報技術應用研究

胡春歧，趙 才

(1.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊050031；2.山東水利職業學院，山東日照276826)

0 引 言

洪水預報是依據已知的水文、氣象信息，采用預報技術和方法，對未來一定時期內的洪水狀態進行定性或定量的預測。災害防御有關部門依據這些預測預報信息，進行提前調度和做好防范工作，洪水預報可最大限度地減少洪水災害損失。洪水預報作為流域防洪減災的重要非工程措施，在歷年防洪減災工作中發揮了巨大作用。

近年來，隨著計算機、遙感、雷達、地理信息等技術的飛速發展，洪水預報有了更多新技術和手段，使洪水預報逐漸向水文—氣象耦合、水文學與水力學相結合的方向發展。

根據河北省水利流域氣候特點，本文以大清河系阜平水文站以上流域為研究對象，采用當前國際洪水預報學科的新理論和新技術，結合該流域實際特點，通過陸氣耦合和實時預報校正等先進技術，對流域洪水進行預報。該洪水預報系統大大提高了北方地區流域的暴雨數值預報精度和可靠性，有效延長了洪水預報預見期，對主動應對洪水災害、降低洪災損失以及監管下游水庫的入庫流量等工作具有十分重要的現實意義。

圖1 大清河水系及阜平以上流域示意

1 流域概況

阜平以上流域地處太行山區西北部，位于大清河水系南支沙河上游，流域面積2 210 km2。多年平均降雨量在600 mm左右，土地利用以林地和耕地為主，水土流失情況較為嚴重。流域內洪水均主要產自汛期暴雨，有暴漲暴落、斷面沖淤變化較大、水位流量關系不穩定等特點。阜平以上流域能夠基本反映太行山區流域下墊面狀況和降雨產流特性，在北方半干旱、半濕潤地區具有較強的代表性。大清河水系及阜平以上流域地理位置見圖1。

阜平以上流域受低緯度天氣系統影響，是大暴雨相對較多的地區，降雨具有歷時短、強度大、雨量集中等特點，暴雨產生的洪水陡漲陡落，匯流時間短，洪水預報的預見期較短，大大增加了洪水預報的難度。根據流域1958年～2015年的暴雨洪水資料統計，十年一遇以上的洪水共發生5次，最大洪峰流量出現在“63·8”洪水，實測最高水位為254 m，最大洪峰流量為3 380 m3/s。建立陸氣耦合洪水預報模型，提高暴雨洪水的預報精度，延長洪水預報預見期，對保障流域下游地區的防洪安全以及監管下游水庫的入庫流量具有重要的現實意義。

2 基本思想

本研究以延長洪水預報預見期為目標，采用陸氣降雨數據同化技術，改進數值大氣模式的降雨預報成果精度，并與分布式河北雨洪模型進行耦合進行洪水預報。研究思路是：首先，將中尺度數值大氣模式(即WRF模式)的物理參數化方案進行本地化篩選分析，形成適合阜平以上流域氣候特點的集合預報集；其次，利用三維變分數據同化(3DVAR)技術對以天氣雷達為主的多源氣象監測數據進行同化，為洪水預報模型提供更可靠的降雨數值預報成果；最后，把WRF模式輸出的降雨數值預報信息，作為分布式河北雨洪模型的輸入實現陸氣耦合洪水預報系統。具體思路如圖2所示。

2.1 WRF模式

WRF模式由預處理、主程序、后處理3部分構成。WRF模式采用高度模塊化和分層設計，程序結構分為驅動層、中間層和模式層，用戶可根據實際情況做出不同選擇，使比較模式性能和進行集合預報成為可能，WRF模式系統組成如圖3所示。從云尺度到天氣尺度是WRF模式預報的重點，主要考慮1～10 km的水平分辨率。垂直方向采用地形跟隨的質量坐標(即從0-1的eta分層)，水平方向采用大氣模式的Arakawa-C網格，時間積分采用時間分裂積分法，聲波項采用時間分裂小步長方案，非聲波項多采用三階Runge-Kutta算法。

2.2 三維變分數據同化

三維變分數據同化技術是實現對常規監測信息和非常規監測信息同化的主要方法，三維變分同化技術能夠體現復雜的非線性約束關系，分析結果更有連續性、物理一致性和動力協調性。其實質是求解一個分析變量，使得一個衡量分析變量與背景場和觀測場之間距離的目標泛函達到極小值。該目標泛函為

圖2 陸氣耦合洪水預報系統結構示意

圖3 WRF模式系統組成

(1)

式中，X為所求的數值預報模式初始狀態的最優解；Xb為背景場；B為背景場誤差協方差矩陣；Y0為觀測向量；H為觀測算子，將模式變量由模式空間投影到觀測空間；R為觀測誤差協方差矩陣，其中，R=E+F，E為儀器觀測誤差協方差矩陣，F為觀測代表性誤差協方差矩陣。

2.3 分布式河北雨洪模型原理與方法

2.3.1河北雨洪模型結構

河北雨洪模型是“先超滲，后蓄滿”綜合產流模型。該模型把天然徑流分為地表徑流和地下徑流兩種水源， 認為當降雨強度大于下滲強度時產生地表徑流，下滲部分滿足土壤缺水以后產生地下徑流。地表徑流和地下徑流分別進行匯流計算，然后進行過程疊加形成流域出口斷面的洪水過程，模型結構如圖4所示。

圖4 河北雨洪模型結構示意

2.3.2分布式河北雨洪模型構建

分布式河北雨洪模型以柵格作為計算單元，各柵格的降雨、蒸散發、產流及分水源的計算分別采用河北雨洪模型原理，計算出每個柵格上的張力水蓄水容量與自由水蓄水容量，得到每一個柵格單元的產流量和地表、地下二種水源，然后根據柵格匯流演算次序矩陣，將每一個柵格上的地表徑流按照Muskingum法逐柵格演算至流域的出口，地下徑流則采用新安江模型中線性水庫的方法演算至流域出口[3]。在進行柵格演算時，如果當前柵格的土壤含水量未達到飽和，則上游柵格的產流量首先補充當前柵格的土壤含水量；如果當前柵格有河道存在，屬于河道柵格，則地表徑流、地下徑流將按比例的把部分流量匯入河道中，河道單元采用自上而下的Muskingum法逐柵格進行演算。分布式河北雨洪模型計算流程如圖5所示。

圖5 分布式河北雨洪模型流程示意

表1 模型參數和參數率定成果

3 模型應用

3.1 模型參數的參數率定與檢驗

根據阜平以上流域近年來暴雨洪水實際情況，選取1996年～2013年內的11次暴雨洪水資料對模型進行應用研究。其中采用9場次暴雨洪水資料進行模型參數率定，2場次進行模型檢驗。

分布式河北雨洪模型共包括10個參數，其中產流過程參數7個、匯流過程參數3個。采用流域9場次暴雨洪水資料，利用SCE-UA (Shuffle Complex Evolution)算法自動尋優[1]，算法對模型參數進行率定，得到阜平以上流域的分布式河北模型的最優參數組合，各參數的名稱、含義、取值范圍以及最優解結果見表1。利用1996年～2013年間的另外2場次暴雨洪水對分布式河北雨洪模型進行檢驗，模型參數率定及檢驗結果見表2。由結果可知，模型參數取值合理。

表2 阜平以上流域模型模擬及檢驗分析成果

3.2 陸氣耦合預報模型應用

為了充分探究陸氣耦合洪水預報模型的應用效果，分別將未經過數據同化的預報降雨和經過數據同化的預報降雨作為分布式河北雨洪模型的輸入，對比數據同化前后洪水預報過程的成果精度，見表3所示。由表3可知，以數據同化的預報降雨為依據進行洪水預報的成果，較未經數據同化的預報降雨為依據的預報成果精度有較大幅度提高。

表3 阜平以上流域模型率定及檢驗成果

4 結 語

在分析了雷達數據和傳統氣象監測數據的特點的基礎上，制定了以天氣雷達數據為主的多源數據同化方案，提高了降雨數值預報成果的精準度。采用WRF模式、基于三維變分數據同化技術構建水文預報模型，以數據同化的WRF模式預報降雨作為輸入，耦合構建了適用于半濕潤半干旱地區的分布式河北雨洪模型，開展天氣雷達多源數據同化支持下的陸氣耦合洪水預報，可以有效增長洪水預報的預見期。

在今后的研究中，應探索更加多源的數據同化方案，分析不同數據同化方案對降雨在不同空間尺度上的改進效果，為進一步提高洪水預報精度、延長洪水預報預見期奠定良好基礎。