氣象在水利山洪災(zāi)害預(yù)防中的作用

張晨陽(yáng)，任慧芳，袁甲坤，劉方

1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心；2.土默特左旗氣象局

山洪災(zāi)害覆蓋面大、破壞性強(qiáng)、防治難度大，是當(dāng)前我國(guó)防洪減災(zāi)的突出薄弱環(huán)節(jié)。之所以實(shí)施防范如此困難，是因?yàn)樯胶闉?zāi)害具有突發(fā)性和快速性，而大部分災(zāi)害主要是由于預(yù)警系統(tǒng)的缺失造成的，因此可以延遲預(yù)測(cè)時(shí)間，為應(yīng)對(duì)山洪災(zāi)害的預(yù)防和管理創(chuàng)造必要的決策時(shí)間和機(jī)會(huì)，有著特殊而重大的意義。當(dāng)前在我國(guó)山洪預(yù)警工作當(dāng)中仍以監(jiān)測(cè)預(yù)警為主，即采用實(shí)時(shí)雨量的監(jiān)測(cè)，對(duì)超出預(yù)警指標(biāo)的城鎮(zhèn)及相關(guān)人員預(yù)警發(fā)出信號(hào)。但由于監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)周期短，在一定程度上也給山洪災(zāi)害的預(yù)防造成了障礙[1]。因此，如何延長(zhǎng)山洪預(yù)警周期，提高山洪預(yù)警的準(zhǔn)確性，成為山洪災(zāi)害防治的關(guān)鍵。水文耦合預(yù)測(cè)科學(xué)技術(shù)是回答這個(gè)問(wèn)題最科學(xué)的方法。一方面，通過(guò)水文建模實(shí)現(xiàn)黃河流域的防洪預(yù)警，已通過(guò)流域匯流時(shí)間綜合處理上游流域暴雨和下游流域?yàn)?zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警問(wèn)題，再將預(yù)測(cè)降雨量作為防洪預(yù)警水文模型的有效輸入，延長(zhǎng)預(yù)警周期，實(shí)現(xiàn)基于防洪的預(yù)報(bào)預(yù)警；另一方面，可以通過(guò)水文模型動(dòng)態(tài)測(cè)量臨界降水量，并與預(yù)測(cè)降水量值進(jìn)行對(duì)比，判斷預(yù)警級(jí)別，從而實(shí)現(xiàn)基于降水量的預(yù)測(cè)預(yù)警[2]。

一、我國(guó)區(qū)域暴雨主要特征

降雨是我國(guó)水文資料環(huán)流中主要發(fā)展過(guò)程之一，在我國(guó)大氣環(huán)境中可分為水汽從地面或地物垂直向低空移動(dòng)的水凝聚物和水汽從高空向地面移動(dòng)的水凝聚物兩種類(lèi)型。降雨是指在一定的特定時(shí)間內(nèi)，從空中向地面移動(dòng)的雨水，在一定的水平上形成一定的集中深度，不會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)、侵蝕、流失等問(wèn)題；而降水只是指與后者方向不同的可以垂直管理的降水。暴雨是指短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的大范圍降雨，可以是5分鐘、10分鐘以上、1小時(shí)甚至24小時(shí)。以1971年7月1日山西省太原市梅洞溝53.1毫米的降雨為例，以1967年10月17日24時(shí)中國(guó)臺(tái)灣省李心寮1672.0毫米的降雨為例。降水分類(lèi)（GBU002FT28592—2012）和中央氣象臺(tái)劃分了不同時(shí)段的降水等級(jí)（表1）。但鑒于我國(guó)幅員遼闊，南北、海陸氣候變化差異較大，降水強(qiáng)度差異較大，暴雨標(biāo)準(zhǔn)不能同時(shí)討論。比如新疆農(nóng)村地區(qū)，24小時(shí)暴雨的標(biāo)準(zhǔn)為24.1-48.0毫米。另外，對(duì)于相同的降水量，在較短的時(shí)間內(nèi)下降更容易導(dǎo)致災(zāi)害或更嚴(yán)重的災(zāi)害，要特別注意“短時(shí)暴雨預(yù)報(bào)（中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)規(guī)程規(guī)定1小時(shí)降水量≥20毫米）”。

表1 不同時(shí)段降雨量等級(jí)劃分表

一年中我國(guó)每個(gè)月都會(huì)出現(xiàn)暴雨、大暴雨，其中大部分都集中在暖季，和大氣環(huán)流的季節(jié)變化、季風(fēng)系統(tǒng)的影響有關(guān)。華南第一個(gè)汛期的暴雨一般集中在4-6月份，暴雨多并且發(fā)生在副熱帶高壓北部的西風(fēng)帶。同時(shí)在5月中旬以前，暴雨帶在華南北部，大部分為北方冷空氣入侵造成的鋒面降雨。在5月中旬以后，受東亞季風(fēng)氣候影響，暴雨帶逐漸向華南及沿海地區(qū)移動(dòng)，地面雨量持續(xù)增多，但大部分暴雨降落在冷鋒型前的暖區(qū)。在6-7月，由于西太平洋副熱帶高壓第一次季節(jié)性向北抬升，我國(guó)強(qiáng)氣候雨帶將逐漸進(jìn)行北移進(jìn)入我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，在這期間持續(xù)的陰雨天氣也被稱(chēng)為“梅雨”。對(duì)流層中低層維持一條較高的江淮切變線(xiàn)，并保持地面準(zhǔn)靜止鋒（又稱(chēng)梅雨鋒）。暴雨多發(fā)生在梅雨期，是我國(guó)夏季最主要的暴雨災(zāi)害。大部分時(shí)間，是從7月下旬到8月上旬，副熱帶高壓第二次向北跳躍時(shí)，華北和東北地區(qū)進(jìn)入重要的雨季。

我國(guó)城市暴雨，尤其是暴雨極值的劃分，與我國(guó)的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，多發(fā)生在我國(guó)山區(qū)迎風(fēng)坡，以及平坦山區(qū)與河谷的過(guò)渡地帶[2]。比如華南極端暴雨一般出現(xiàn)在石灣山、云開(kāi)山、南嶺山脈的迎風(fēng)坡；海南島極端暴雨一般出現(xiàn)在五指山的迎風(fēng)坡，中國(guó)臺(tái)灣省極端暴雨值一般出現(xiàn)在其中東部丘陵的迎風(fēng)坡。東南沿海的極端降雨值一般分布在東南丘陵和武夷山的迎風(fēng)坡。華北暴雨極值也與區(qū)域氣候密切相關(guān)。暴雨一般發(fā)生在華北平原與周邊山區(qū)的過(guò)渡地帶。而我國(guó)西南地區(qū)極端暴雨多發(fā)生在青藏高原東部地形梯度區(qū)、秦巴山區(qū)南部和大廟嶺地區(qū)。

林建[3]等人分析了1981-2010年中國(guó)暴雨日數(shù)的分布特征。我國(guó)暴雨日數(shù)自東南向西逐漸減少，淮河流域地區(qū)，包括中國(guó)南方大部分地區(qū)、四川省東部和重慶市，通常持續(xù)3天以上。包括中國(guó)南方大部分地區(qū)和江西，廣西防城港，廣東陽(yáng)江上川島、海豐市、陸豐市，海南島東南部瓊中至萬(wàn)寧，每年長(zhǎng)江中下游、海河流域、遼河流域等地通常需要1-3天；然而，中國(guó)中西部沿海地區(qū)偶爾有暴雨。除了一般的降雨要求外，暴雨的物理要求必須有足夠的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈地向上運(yùn)動(dòng)和相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。中國(guó)區(qū)域風(fēng)暴水汽的重要來(lái)源是西北太平洋、孟加拉灣和太平洋。在良好的氣候條件下，低層或邊界層的偏南急流持續(xù)輸送。中尺度氣候系統(tǒng)的強(qiáng)向上運(yùn)動(dòng)一般由中尺度氣候系統(tǒng)組成，與不同尺度氣候系統(tǒng)的功能有關(guān)。中等尺度的強(qiáng)向上運(yùn)動(dòng)速度比大尺度強(qiáng)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，是暴雨的關(guān)鍵因素。降雨的持續(xù)性直接影響降雨量。當(dāng)天氣尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)減慢或停頓時(shí)，即使水汽供應(yīng)特別充足，并伴有相應(yīng)的大氣分層不平衡，也更容易產(chǎn)生暴雨。此外，雨水的“列車(chē)效應(yīng)”也容易造成累積雨水的大幅增加。

二、氣象水文耦合預(yù)報(bào)研究進(jìn)展

（一）降雨預(yù)報(bào)研究

（1）在20世紀(jì)50年代，多普勒天氣雷達(dá)發(fā)展迅速。多普勒效應(yīng)是天氣雷達(dá)系統(tǒng)及時(shí)捕捉和分析天氣快速變化規(guī)律的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)目標(biāo)回波的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可以判斷降雨粒子的特征和空間方位，根據(jù)反射因子與降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性可以預(yù)測(cè)降雨的分布和強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)回波可以外推降水的發(fā)展和歷史變化，對(duì)我國(guó)降水進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)。利用雷達(dá)回波外推實(shí)現(xiàn)0～3h天氣預(yù)報(bào)并逐漸成為臨近預(yù)報(bào)的重點(diǎn)發(fā)展方向[4]。目前可分為三種類(lèi)型：①識(shí)別和跟蹤中強(qiáng)雷暴的簡(jiǎn)單跟蹤算法；②識(shí)別和跟蹤強(qiáng)降水區(qū)域的回波區(qū)域跟蹤算法；③基于深度學(xué)習(xí)的鄰近預(yù)測(cè)算法?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的算法是回波區(qū)域跟蹤算法，深度學(xué)習(xí)的近距與預(yù)測(cè)算法更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（2）數(shù)值降水預(yù)測(cè)主要依靠數(shù)值大氣模式的發(fā)展。在20世紀(jì)初，形成了數(shù)值大氣模式的雛形，直到20世紀(jì)80年代，數(shù)值大氣模式才迅速發(fā)展起來(lái)。在過(guò)去的90年里，一些中尺度數(shù)值大氣模式已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，其中最經(jīng)典的就是區(qū)域尺度天氣場(chǎng)預(yù)報(bào)（Eta）模式、COAMPS模型、UKMO模型、MC2、MESO-NH、MM5、WRF等新型數(shù)值大氣模式，通過(guò)更靈活的空間分辨率設(shè)置、更快速的計(jì)算、更方便的應(yīng)用及其與數(shù)值同化系統(tǒng)的集成，可以同化各種常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，也可以降低降水預(yù)報(bào)的不確定性，從而增強(qiáng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[4]。目前，數(shù)值大氣模式可以根據(jù)不同的需求，并且進(jìn)行三維定量降雨預(yù)報(bào)和15d參考降雨預(yù)報(bào)。

（二）流域水文模擬

水文模擬技術(shù)主要利用水文模型的建立來(lái)模擬和預(yù)測(cè)復(fù)雜的水文過(guò)程。自生產(chǎn)匯流理論提出以來(lái)，水文分析模型得到快速發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，可以分為集中模型和分布式模型。集中水文模擬將整個(gè)黃河流域視為一個(gè)平衡的整體，沒(méi)有考察黃河流域的空間異質(zhì)性，即降水的空間結(jié)構(gòu)分布也是平衡的，黃河流域的邊界條件和幾何特征不會(huì)發(fā)生變形，因此模擬過(guò)程中的水文過(guò)程不會(huì)發(fā)生變化，這一點(diǎn)用斯坦福模型和水槽模型來(lái)表達(dá)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，水文學(xué)家開(kāi)始考慮降水的空間異質(zhì)性和地下地表?xiàng)l件的空間異質(zhì)性。典型模型包括系統(tǒng)水文模型、拓?fù)淠Ｐ?、可變輸入容量模型、SWAT模型等。中國(guó)最著名的水文模型是分布式三水新安江模型[5]。利用水文模型實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)洪水預(yù)報(bào)的例子有很多，但不同的模型在各種天氣環(huán)境條件和地下地表?xiàng)l件下有不同的效果。目前大部分水文模型在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)用較好，但受人類(lèi)活動(dòng)和天氣的影響，在我國(guó)北方應(yīng)用不太好，這也是利用水文模型預(yù)報(bào)防洪的最大困境。

（三）氣象水文耦合預(yù)報(bào)

以降水為紐帶，天氣模型和水文模型耦合的洪水預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)稱(chēng)為天氣—水文耦合預(yù)報(bào)。目前國(guó)外雷達(dá)短時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)已應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)，世界氣象組織水文理事會(huì)也將中小流域雷達(dá)短時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)作為國(guó)際水文預(yù)報(bào)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一。海洋和大氣環(huán)境局、日本氣象廳和美國(guó)國(guó)家發(fā)展委員會(huì)土地、基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸部已經(jīng)完成了雷達(dá)近距預(yù)報(bào)在國(guó)際洪水預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)時(shí)降水和流量預(yù)報(bào)系統(tǒng)由英國(guó)雷達(dá)預(yù)報(bào)和臨近河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)（resettrigger）及法國(guó)國(guó)家山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)（AIGA）聯(lián)合開(kāi)發(fā)，集成開(kāi)發(fā)臨近降水預(yù)報(bào)和分布式水文模型，取得了良好的應(yīng)用效果。由于新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)建立相對(duì)較晚，近期預(yù)警效果仍與國(guó)外雙極化雷達(dá)不同，同時(shí)受到水利部門(mén)天氣組織和雷達(dá)數(shù)據(jù)共享障礙的制約。目前，我國(guó)將雷達(dá)數(shù)據(jù)近預(yù)警應(yīng)用于洪水預(yù)警的成功實(shí)例很少，還處于進(jìn)一步研究和探討的階段。數(shù)字降水預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)周期比雷達(dá)短時(shí)預(yù)報(bào)要長(zhǎng)，但其預(yù)報(bào)精度通常不如雷達(dá)短時(shí)預(yù)報(bào)。目前國(guó)外一些農(nóng)村地區(qū)數(shù)字降水預(yù)報(bào)的精度要求已經(jīng)比較穩(wěn)定可靠，并已應(yīng)用于英格蘭中東部地區(qū)、荷蘭沿岸國(guó)家、美國(guó)中東部地區(qū)等中小型流域的防洪預(yù)報(bào)。在我國(guó)，數(shù)字降水預(yù)報(bào)技術(shù)主要用于國(guó)家大中型河流的防洪預(yù)報(bào)和管理，特別是國(guó)家重點(diǎn)河流和水電站的管理和蓄水建設(shè)。

三、山洪災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)

（一）分布式水文模型的山洪災(zāi)害氣象預(yù)警

我國(guó)的洪水預(yù)報(bào)，流域水文模型仍主要用于預(yù)測(cè)水文要素。根據(jù)國(guó)務(wù)院《全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃報(bào)告》，山洪流域面積一般在200k㎡以?xún)?nèi)，流域內(nèi)往往缺少降雨和水文觀測(cè)[6]。無(wú)資料丘陵區(qū)西溝小流域水文過(guò)程一直是水文和山地災(zāi)害研究的難點(diǎn)。例如，在山洪預(yù)警中，分布式水文模擬可以更好地調(diào)查模型網(wǎng)格點(diǎn)的降雨預(yù)報(bào)輸入值和流域內(nèi)下墊面的空間結(jié)構(gòu)分布，從而計(jì)算流域區(qū)域的精細(xì)化水文需求，按照預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流域區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的山洪災(zāi)害進(jìn)行氣象預(yù)警。由于山洪往往是陡坡急流形成的，模型必須能夠兼顧簡(jiǎn)單高效的預(yù)測(cè)計(jì)算特點(diǎn)。因此，采用控制容積法的分布式水文模擬是山洪災(zāi)害預(yù)測(cè)研究中最重要的類(lèi)型，它結(jié)合了概念特征和物理特征。如HL-RMS分布式水文模型、GMKHM分布式混合徑流水文模型、分布式新安江水文模型和分布式滲濾徑流水文模型（Grid-GA模型和Grid-GA-2D模型）等。

在西溝小流域QPE、QPF區(qū)域精細(xì)化的基礎(chǔ)上，采用分布式水文地質(zhì)建模輸入，通過(guò)驅(qū)動(dòng)水文地質(zhì)建模實(shí)現(xiàn)山洪水文地質(zhì)要素的預(yù)測(cè)過(guò)程。由于低丘區(qū)西溝等小流域，普遍缺乏長(zhǎng)系列水文氣象資源作為建模參數(shù)，如何獲取參數(shù)平均值成為分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下水文模擬應(yīng)用的難題。Foody[7]等基于小流域地貌特征和下墊面信息獲取SCS曲線(xiàn)參數(shù)，研究基于分布式結(jié)構(gòu)水文分析模型的山洪預(yù)報(bào)。Chahinian等人比較了Horton、Philip和SCS徑流模型在山洪預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[8]。影響山洪的徑流過(guò)程經(jīng)常發(fā)生，既有完全徑流，也有過(guò)量徑流。鮑等人以四川嘉陵江大溝流域?yàn)槔?，利用中?guó)氣象局和驅(qū)動(dòng)的GMKHM分布式混合產(chǎn)品逐時(shí)水文模型進(jìn)行山洪預(yù)報(bào)，取得了比分布式新安江模型更好的預(yù)報(bào)精度[9-10]。

（二）基于致災(zāi)雨量閾值的山洪災(zāi)害氣象預(yù)警

根據(jù)中國(guó)氣象局山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查山通溝溪小流域信息和水文氣象資料，劃分以下四種情況計(jì)算致災(zāi)雨量閾值：

（1）水文資料（包括水位、流量資料）齊全的流域，同時(shí)采用統(tǒng)計(jì)法和水文模型法。

（2）具有部分水文資源（僅水位資源）的小流域同時(shí)使用統(tǒng)計(jì)方法和水動(dòng)力模擬方法。

（3）對(duì)于無(wú)水文監(jiān)測(cè)資源、有典型洪水淹沒(méi)水位記錄的流域，可采用實(shí)地調(diào)查結(jié)合洪水動(dòng)態(tài)模擬。

（4）既無(wú)水文觀測(cè)資料，也無(wú)典型山洪，可類(lèi)比。特別是這里的類(lèi)比方法，并不是用同樣地形和土地利用的山洪臨界雨量，而是用上述方法（1）至（3）之一標(biāo)定的水動(dòng)力模型模擬山洪淹沒(méi)場(chǎng)景，確定山洪臨界雨量。截至目前，中國(guó)氣象局已經(jīng)完成了山頭溪溝13000多個(gè)小流域4級(jí)預(yù)警氣象閾值的確定。

四、結(jié)束語(yǔ)

耦合水文天氣預(yù)報(bào)技術(shù)涵蓋多個(gè)專(zhuān)業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域，是我國(guó)山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)，也是我國(guó)山洪災(zāi)害預(yù)警技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。目前，我國(guó)天氣—水文耦合天氣預(yù)報(bào)技術(shù)在我國(guó)主要河流預(yù)報(bào)和運(yùn)行中的應(yīng)用和研究已經(jīng)普及，特別是在水電站資源優(yōu)化配置方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。但在洪澇災(zāi)害防御方面，我國(guó)天氣—水文耦合天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)仍處于探索性研發(fā)階段。

主要因素包括：（1）降水預(yù)報(bào)精度仍有較大提升空間，局地強(qiáng)降水預(yù)報(bào)精度不能滿(mǎn)足準(zhǔn)確的山洪災(zāi)害預(yù)警需求；（2）氣象部門(mén)與水利部門(mén)數(shù)據(jù)共享存在障礙；（3）我國(guó)不同地區(qū)山洪發(fā)生的主要因素差異較大，氣候氣象條件和下墊面條件存在一定差異。天氣耦合預(yù)測(cè)技術(shù)也必須進(jìn)行適應(yīng)性測(cè)試。

山洪的快速發(fā)展急需一定的響應(yīng)時(shí)間。氣象耦合預(yù)警最大的優(yōu)點(diǎn)是可以延長(zhǎng)預(yù)警周期，因此在山洪災(zāi)害防御中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)山洪災(zāi)害天氣預(yù)警研究進(jìn)展順利，也為進(jìn)一步研究應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，增強(qiáng)了信心。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化的逐步推進(jìn)和深入，大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算技術(shù)、人工管理智慧等新思路和新方法將有效應(yīng)用于山洪災(zāi)害防御的逐步分析中，天氣水文耦合預(yù)報(bào)能力也將快速提升。

（1）充分利用氣象觀測(cè)資源，對(duì)降水預(yù)報(bào)的研究和可行性評(píng)估，為降水預(yù)報(bào)，特別是短期定量降水估計(jì)和預(yù)報(bào)提出了新的工作思路。有科學(xué)研究證實(shí)，其預(yù)測(cè)效果高于目前雷達(dá)測(cè)量近地面預(yù)測(cè)和大氣數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果，可為山洪災(zāi)害防御提供更可信的預(yù)測(cè)信息。

（2）形成合理的協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，建立全國(guó)氣象水文信息數(shù)據(jù)共享云平臺(tái)，率先開(kāi)展大數(shù)據(jù)中的“氣象水文耦合”研究，為推動(dòng)氣象水文信息耦合預(yù)報(bào)技術(shù)在山洪災(zāi)害防治中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）調(diào)查研究天氣—水文耦合預(yù)報(bào)在各種環(huán)境氣候、氣象和下墊面條件下的適應(yīng)性，從而建立我國(guó)天氣—水文耦合預(yù)報(bào)技術(shù)的參數(shù)庫(kù)，解決我國(guó)天氣—水文耦合預(yù)報(bào)技術(shù)與世界各國(guó)和地區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范的差異。