變化環境下城市暴雨洪澇災害應對機制

姜仁貴，王思敏，解建倉，趙 勇，朱記偉，梁驥超

(1.西安理工大學西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)最新發布的第六次評估報告指出：全球變暖趨勢明顯，強降雨等極端天氣發生頻率和強度增加[1]。全球范圍內城市洪澇災害發生頻率較大，風險增長，損失嚴重[2]。2021年7月份以來，全球范圍內日本、德國、英國和印度等多個國家的城市發生強降雨天氣，造成嚴重人員傷亡和經濟損失。據統計，1961—2020年我國極端強降水事件呈現增多趨勢，其中，1991—2020年相比1961—1990年氣候風險指數平均值增加了58%[3]。應急管理部公布的2020年全國十大自然災害中4次與暴雨洪澇災害直接相關，累計造成247人死亡，5 581.8萬人受災，直接經濟損失高達2 255.6億元。我國城鎮化率從1949年的10.4%到2011年的50%，再到2020年第七次全國人口普查統計的63.89%。城鎮化發展使得城市“熱島效應”和“雨島效應”更為明顯，城市暴雨更為集中，對洪澇災害起到放大效應。城市暴雨的定時、定點、定量精準預報難度大，高重疊度、極端性強的暴雨過程和復雜的下墊面條件導致很多城市“逢雨就澇”“城市看海”成為新常態。2012年北京市“7·21”特大暴雨，2016年西安市“7·24”暴雨，2020年廣州市“5·25”特大暴雨，以及2021年發生的河南省鄭州市“7·20”、湖北省隨州市“8·11”等特大暴雨洪澇災害，造成嚴重損失，影響城市經濟社會的可持續發展。

城市防洪減災問題受到國家高度重視，習近平總書記提出了“兩個堅持”“三個轉變”的新時期防災減災救災理念。2011年1月29日公布的中央一號文件指出：到2020年，基本建成防洪抗旱減災體系，重點城市和防洪保護區防洪能力明顯提高。國家自然科學基金委員會連續多年將城市洪澇列為“鼓勵和引導的研究領域”，科技部設立重點研發計劃專項開展城市洪澇致災機理、預警預報與應急響應等關鍵技術研究。針對城市暴雨洪澇災害問題，國內外諸多學者圍繞城市暴雨洪澇模擬[4-5]、特征與機理[6-7]、災害管理[8-9]等方面開展研究，提出了一系列城市雨洪管理理念，包括：美國的低影響開發(low impact development，LID)和最佳管理措施(best management practice，BMP)，英國的可持續排水系統(sustainable urban drainage system，SUDS)，新西蘭的低影響城市設計與開發(low impact urban design and development，LIUDD)和我國的海綿城市等[10-12]，為城市暴雨洪澇災害應對提供理論參考。

城市暴雨洪澇災害發生之頻繁、影響范圍之廣、災損之高及其不確定性凸顯城市暴雨洪澇災害應對的重要性和緊迫性，是當前全球洪水管理中面臨的新挑戰。如何提供城市暴雨洪澇災害預防措施和應對機制，為城市暴雨洪澇災害應對決策服務，是個亟待解決的難題。筆者在2017年提出的城市暴雨洪澇災害預估、預測、預報、預警、預案集合應對模式[13-14]基礎上，遵循習近平總書記提出的防災減災救災理念，結合水利部李國英部長在2021年水旱災害防御工作視頻會議上針對水旱災害防御提出的預報、預警、預演、預案等4預措施進行綜合集成應用，提出一種集情景預估、預測預報、分級預警、應急預案和防洪預演為一體的城市暴雨洪澇災害“五預”應對機制。該機制堅持以防為主、防抗救相結合以及常態減災和非常態救災相統一的目標，通過有序應對，實現“從注重災后救助向注重災前預防”以及“從減少災害損失向減輕災害風險”的轉變，最大限度減少或避免洪澇災害損失，保障城市經濟社會的安全穩定和可持續發展。

1 “五預”應對機制的構成

城市暴雨洪澇災害“五預”應對機制旨在提供全過程的解決方案，其邏輯關系與關鍵支撐技術見圖1。該應對機制遵循時間和空間尺度上逐步細化的原則，在時間尺度上從中長期的預估預測到短期的預報，再到近實時預警和實時的應對預案，在空間尺度上從區域到城市再到易澇點。具體包括：基于氣候模式輸出結果和城市規劃數據進行長期的城市暴雨洪澇災害情景預估；耦合氣象水文和數值天氣預報(numerical weather prediction，NWP)開展中短期城市暴雨洪澇災害預測預報；基于多源信息融合與動態監測對城市暴雨洪澇災害進行分級預警，建立預警信息與人防、物防、技防相結合的城市暴雨洪澇災害應急預案；基于數字孿生城市(digital twin city，DTC)對暴雨洪澇災害進行防洪預演。

圖1 “五預”應對機制邏輯關系及關鍵技術

1.1 基于氣候模式的城市暴雨洪澇災害情景預估

城市暴雨過程是洪澇災害的主要致災因子，采用全球氣候模式(global climate model，GCM)和區域氣候模式(regional climate model，RCM)相結合的方法可以模擬預估未來氣候變化情景下城市暴雨，然而，GCM時間和空間分辨率相對偏低。基于世界氣候研究計劃(world climate research program，WCRP)發布的聯合區域降尺度(coordinated regional downscaling experiment，CORDEX)東亞區域高精度模擬降雨數據集[15]，選擇HadGEM3-RA、WRF、SUN-RCM、RegCM4和COSMO-CCLM等高精度RCM，采用再分析資料ERA-Interim、HadGEM2-AO和MPI-ESM-LR等GCM作為初始場和邊界場，驅動RCM對GCM進行降尺度處理，提高城市暴雨與極端暴雨預估的可靠性。將上述城市中長期預估暴雨作為城市暴雨洪澇模擬模型的輸入，結合城市規劃數據，就可對未來不同情景下城市暴雨洪澇災害進行預估。目前，氣候模式可預估未來百年尺度的降雨，一般城市規劃時間尺度為未來30年左右，因此，基于氣候模式可以對未來百年尺度的城市暴雨進行預估，結合城市規劃數據能夠對未來30年左右的城市暴雨洪澇災害進行預估。

1.2 耦合氣象水文的城市暴雨洪澇災害預測預報

城市暴雨具有突發性、隨機性以及引發暴雨中小尺度天氣系統的復雜性等特點，以美國環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)、歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)、英國國家氣象局和中國氣象局等為代表建立的氣候模式在24 h晴雨預報準確率較高(>80%)，然而城市暴雨的定時、定點、定量精準預報仍是科學難題。基于地球系統模式(earth system model，ESM)開展月、季節和年尺度-年際尺度一體化氣候預測，整體性能夠達到國際同類氣候預測模式先進水平，針對月尺度大氣環流和暴雨、季節性降雨以及西太平洋副熱帶高壓等環流特征指標預測的準確率相對較高。在城市中短期暴雨預測基礎上，采用新一代全球/區域高分辨率數值預報模式(global & regional assimilation prediction system，GRAPES)開展NWP，將城市暴雨預見期提高到10 d以內，提高暴雨預報空間分辨率。我國研發的GRAPES采用四維變分技術對最新觀測資料進行近實時、高質量同化，實現每隔6 h更新未來10 d的短期和短臨降雨預報，并通過國家智能網格氣象預報云平臺實時傳輸至全國地方氣象部門，支持城市短期降雨預報和短臨預報預警。

基于ESM的未來暴雨預測時間尺度上能夠實現10～30 d延伸期至年的無縫鏈接，空間尺度上能夠達到區縣級。NWP降雨數據可以通過市氣象局從氣象預報云平臺客戶端動態獲取，考慮數據傳輸和格式轉換存在時滯性，提供每日滾動更新2次，時間分辨率6 h，空間分辨率5 km，預報期為10 d的高精度城市網格預報降雨數據。將上述城市預測預報暴雨作為城市暴雨洪澇模擬模型的輸入，可對不同情景下城市暴雨洪澇災害進行預測預報。

1.3 多源信息融合的城市暴雨洪澇災害分級預警

根據城市暴雨洪澇預測預報結果對暴雨洪澇進行應急響應和快速應對，然而，時效性仍需提高。多網聯合構建天地空一體化的城市暴雨洪澇災害監測監控體系，將城市水情自動測報系統、雨水情數據采集儀、易澇點水位傳感器、監測監控視頻系統和高分衛星等監測的海量多源近實時數據進行動態采集、快速傳輸、高效處理和動態存儲，耦合雨情、水情、工情及災情等數據資源，采用數據集成、信息融合與數據挖掘等技術對歷史和動態數據資源進行深度挖掘。采用大數據技術對全網社會化數據進行監測，采用網絡爬蟲等方法動態采集和分析城市暴雨洪澇社會化數據，挖掘與城市暴雨洪澇災害相關的網絡輿情、災害救援、次生及衍生災害等數據資源，揭示網絡輿情等社會化數據的傳播特性，根據其動態演化過程進行預警。

將動態監測數據輸入到城市暴雨洪澇模擬模型中，對模擬結果進行進一步校正。將基于模型模擬和動態監測的城市易澇點淹沒面積、深度、受災范圍等預警信息按照閾值劃分為不同的等級，并通過移動代理短信服務、微信公眾號等多種方式推送給管理部門、業務人員和社會公眾，從而實現城市暴雨洪澇災害的分級預警。

1.4 基于綜合集成的城市暴雨洪澇災害應急預案

城市暴雨洪澇災害因其不確定性具有突發事件特征，我國2003年頒發了《中華人民共和國突發事件應對法》，提出了應急預案和應急管理體制、機制與法制的“一案三制”為核心的突發事件應急管理體系。以城市防洪減災為例，水利部、各省區市人民政府及相關管理部門制定了一系列應急預案，例如:《國家防汛抗旱應急預案》《陜西省防汛應急預案》《西安市防汛應急預案》等。城市防汛應急預案為城市防洪減災提供了指導性文件，通過建立人防、物防、技防相結合的城市防汛應急預案，提高暴雨洪澇汛情、險情和災情的快速獲取和應對水平，最大程度減少因災造成人員傷亡和財產損失提供依據。

傳統應急預案難以滿足快速應急響應要求，需要采用信息技術將城市防汛應急預案進行數字化處理、流程化描述、可視化表達和知識化管理，將不同的災害類別和應急響應等級按照主題化服務模式組織應用，根據不同情景主題關聯數據、模型和方法，建立可視化、組件化和松散耦合的情景應急預案。同時，要基于綜合集成平臺開展會商研討，根據預測預報和分級預警結果啟動應急響應，優化應急處置方案，有序組織應急處置、救援與善后工作，多部門應急指揮聯動，確保城市防汛搶險救災工作高效有序進行。

1.5 基于數字孿生的城市暴雨洪澇災害防洪預演

預演在城市暴雨洪澇災害應對中可以理解為防洪預演、模擬預演、防洪調度或者應急預案演練等，采用信息技術對不同預測預報情景下的城市防洪減災過程以及水庫、水閘、擋水設施、蓄滯洪區等防洪工程調度進行模擬預演，或者對不同預警等級下的應急響應及應急處置等進行演練，也可以用于城市暴雨洪澇災害情景預估、預測預報、分級預警、應急預案的綜合演練。通過預演能夠很好發現城市暴雨洪澇應對中存在的潛在問題，科學模擬防洪工程調度的適用性，檢驗應急響應及應急處置措施的有效性，強化城市防洪減災過程中救援人員、物資和機械協同保障能力。預演過程中指揮機構、專家學者、技術人員和社會公眾等共同參與、協同應對，高效利用指揮機構的應急管理水平，發揮專家學者的智庫作用，提高基層組織、社會公眾的防災減災救災意識和技術人員的綜合救援能力，優化和改進城市暴雨洪澇應急預案及應急機制，實現常態、突發和極端等不同狀態下城市防洪減災應急機制的有機銜接。

城市暴雨洪澇災害成因與防洪減災過程的復雜性使得在預演中難以對城市暴雨洪澇災害產生、發展及其應對的全過程進行再現，基于DTC能夠在一定程度上解決上述問題。基于數字孿生的城市暴雨洪澇災害防洪預演依托DTC和電子沙盤模型搭建城市平行系統，通過透徹感知、萬物互聯、深度整合實現物理世界和數字世界的相互映射，在此基礎上集成洪澇模擬、情景預估、預測預報、預警數據與成果資料，融入人員、物資和機械等，虛實結合開展防洪演練。

2 “五預”應對機制的關鍵支撐技術

針對變化環境下城市暴雨洪澇災害關鍵問題，基于“五預”應對機制開展暴雨洪澇災害的事前情景預估、預測預報，事發初期和事中的動態監測與分級預警，貫穿災害演化全過程的應急預案和防洪預演，為城市防洪減災提供理論依據和決策支持。城市暴雨洪澇“五預”應對機制關鍵技術主要包括：城市洪澇模擬、ESM、滾動氣候預測、NWP、三維電子沙盤、綜合集成平臺和DTC等。

2.1 城市洪澇模擬

城市暴雨洪澇模型是研究城市暴雨洪澇致災機理、揭示暴雨洪澇風險、評估城市防洪減災效果的基礎[16]。目前，國內外研發了一系列城市暴雨洪澇模型，被廣泛應用于城市暴雨洪澇模擬中：國外主要有美國環境保護署(Environmental Protection Agency，EPA)開發的暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)和丹麥水利研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發的MIKE系列模型等；國內，中國水利水電科學研究院較早開發了城市洪澇仿真模型并在多個城市得到應用，考慮到氣象水文以及城市特征的差異性，結合我國城市水文及水動力學特征研發具有自主知識產權的城市暴雨洪澇模擬模型，通過將情景預估、預測預報降雨作為模型輸入快速得到高精度模擬結果，為城市暴雨洪澇災害應對提供強有力支撐。

2.2 地球系統模式

ESM根據地球不同圈層間的物理、化學、生物和動力過程建立數學方程組，采用高性能計算機進行數值求解，是分析歷史氣候和環境演化機理、預估未來氣候變化的重要工具。全球112個ESM參加了第六次國際耦合模式比較計劃(coupled model intercomparison project phase 6，CMIP6)[17]。我國參加CMIP6的ESM主要包括：國家氣候中心的BCC-ESM、北京師范大學的BNU-ESM、中國氣象科學研究院的CAMS-CSM、中國科學院大氣物理研究所的CasESM和FGOALS、清華大學的CIESM、自然資源部第一海洋研究所的FIO-RONM、南京信息工程大學的NUIST等，將在CMIP6中貢獻更多中國方案。隨著地球系統數學模擬模型的進一步完善和高性能計算機的發展，未來ESM結果將更為可靠且分辨率更高，基于ESM可以預估未來情景下城市暴雨，同時可為短期氣候預測和NWP提供依據。

2.3 滾動氣候預測

氣候預測至今仍然是個世界難題，我國是開展短期氣候預測較早的國家之一[18]，國家氣候中心建立了支撐我國現代氣候預測業務的動力氣候模式業務系統(dynamical climate model prediction system，DCMPS)和氣候預測業務體系，實現對覆蓋10～30 d的延伸期、月、季度、年際以及年代際等不同時間尺度，全球、亞洲、東亞、中國、不同氣候區和省市縣等不同空間尺度，氣候要素、氣候現象、氣候事件以及氣候災害等的預測[19]。基于動力-統計相結合的預測方法以及氣候模式開展區域氣候預測可為城市暴雨洪澇災害預測預報提供參考，尤其是考慮到氣候條件的復雜性、動態變化特征與不確定性，動態跟蹤氣候演化過程的滾動氣候預測將在城市暴雨洪澇災害預測預報中發揮更大作用。

2.4 數值天氣預報

NWP在我國起步于20世紀50年代，目前已成為現代天氣預報業務的重要基礎[20]。國內外研發了一系列NWP業務模式，主要包括：歐洲ECMWF模式、美國NCEP模式和中國氣象局的新一代GRAPES模式。GRAPES包括全球中期預報模式(GRAPES_GFS)、區域中尺度模式(GRAPES_Meso)以及基于GRAPES_Meso發展的中國區域內GRAPES。前期應用實踐表明,GRAPES在預報準確率、可用預報時效和預報精度等方面較好，能夠實現對未來10 d的短期和短臨降雨每間隔6 h的滾動預報，空間分辨率達到1～2 km，尤其是對暴雨等強對流天氣有較好預報效果，可為城市暴雨預報提供支撐。基于ESM、滾動氣候預測、NWP結合城市洪澇模擬結果為城市暴雨洪澇的情景預估、預測預報和分級預警提供支撐。

2.5 三維電子沙盤

隨著計算機科學、計算機圖形學和虛擬現實等信息技術的快速發展，綜合采用數字地球模型、多源信息融合、3S集成和組件化軟件開發等技術構建電子沙盤模型，提供一個地形地貌地物逼真呈現、過程動態且可視可信、沉浸式人機交互的城市實景三維環境，為城市暴雨洪澇災害風險評估、模擬仿真、分級預警和DTC搭建提供基礎支撐。通過數據集成與多源信息融合、電子沙盤開發、沙盤業務應用以及人機交互界面為用戶提供服務[21]。基于電子沙盤實現城市三維地形地貌地物以及城市水系、排水管網、監測監控設施、防汛工程等空間地理信息的集成，不同情景下城市暴雨洪澇災害模擬仿真，預估、預測、預報暴雨的空間可視化，城市暴雨洪澇災害的動態監測和分級預警，應急預案可視化等。通過接口層和客戶層實現三維電子沙盤業務應用的拓展與人機交互。

2.6 綜合集成平臺

1990年，錢學森等[22]在《自然雜志》刊文提出了“開放的復雜巨系統”概念及其研究方法體系，創立了系統科學的新理論，通過搭建綜合集成研討廳(hall for workshop of meta-synthesis engineering，HWME)為綜合集成方法的實現與演練提供平臺支撐。遵循綜合集成思想，課題組依托云服務和大數據中心，按照面向服務架構，采用綜合集成方法虛擬化各類數據、資源，通過資源整合、信息共享、松散耦合配置，整合多種信息技術研發了知識可視化綜合集成平臺[23]。該平臺前期已在城市暴雨洪澇災害雨水情主題化服務、應急預案過程化管理和災害事件防洪預演等業務中得到應用，為城市暴雨洪澇災害應對提供平臺支撐。通過將“五預”應對機制中涉及的數據、模型、方法等進行綜合集成應用，基于綜合集成平臺將城市暴雨洪澇災害演化的事前、事中和事后全過程進行流程化描述、可視化表達和組件化開發，對城市暴雨洪澇災害進行動態化、可視化管理，提升城市暴雨洪澇災害的全過程應對能力，為管理部門和社會公眾開展防洪減災提供決策支持。

2.7 數字孿生城市

DTC是新一代信息技術在城市的綜合集成應用，通過集成城市物聯網、大數據、建筑信息模型和城市信息模型平臺，構建城市時空大數據和未來趨勢推演的綜合信息載體，具備精準映射、模擬仿真、虛實融合等特征，可重復性且可視化效果好、模擬結果可控，適用于城市暴雨洪澇災害防洪預演[24]。基于城市物聯網平臺和傳感器全息感知物理城市，在三維電子沙盤上建立與物理城市精準映射的DTC，將動態搜集的城市全要素數據進行數字化表達、語義化建模、場景圖層和實體模型的可視化渲染，對城市動態運行狀態、空間分析、模擬仿真結果按照多層次細節模型進行應用。基于DTC良好的模擬仿真和推演能力實現城市暴雨洪澇災害風險動態評估、災害應急預案模擬演練、易澇點的自動發現與精準定位、人員和交通軌跡追溯、防洪工程優化調度和防洪物資優化調配等業務，同時通過桌面端、移動端等多終端展示方式，滿足不同應對場景應用需求。

3 討論和結論

氣候變化和城鎮化發展對城市暴雨洪澇災害防治提出了更高的要求，針對“百年一遇”“千年一遇”較大不確定性的暴雨洪澇災害，通過開展城市暴雨洪澇災害情景預估、中短期的暴雨洪澇災害預測預報、近實時的暴雨洪澇災害動態監測和分級預警、貫穿暴雨洪澇災害演化全過程的應急預案和防洪預演，改傳統的事后分析和被動應對為事前預估、預測和預報，事發初期的預警以及城市暴雨洪澇災害應急預案和防洪預演，以“五預”應對萬變，切實做好“預”和“防”的工作，在災害面前有備無患。

城市暴雨洪澇災害“五預”應對機制需要諸多理論、模型、技術和方法支撐，其中，城市洪澇模擬模型是深入研究城市暴雨洪澇特征與致災機理的基礎，基于ESM可以得到未來百年尺度城市預估降雨，滾動氣候預測可以對月、季節以及年尺度氣候異常和暴雨實現預測，NWP可提供周、旬尺度預報降雨以及暴雨等強對流天氣的短臨預報，三維電子沙盤和綜合集成平臺則可為城市多源信息融合、暴雨洪澇災害的分級預警、應急管理、防洪預演等提供應用支撐平臺，DTC通過沉浸式的災害事件孿生和人機交互提供逼真的防洪預演環境。諸如ESM、NWP和DTC等關鍵技術仍存在瓶頸，通過解決上述卡脖子問題可為城市暴雨洪澇災害應對提供強有力的技術與平臺支撐，推動相關技術領域進步。

海綿城市、城市地下綜合管廊以及城市易澇點的綜合整治等工程措施可以在一定程度上提升城市防洪減災能力，“五預”應對機制通過降雨預估為城市規劃、城市排水與防洪排澇設計等提供理論依據，通過中短期的氣候預測、短期和短臨天氣預報、近實時的預警為提前做好防洪減災措施提供參考，通過擬定應急預案、開展防洪預演、啟動應急響應、制定應對方案等為有序應對暴雨洪澇災害提供技術指導。與此同時，我們認識到城市暴雨洪澇災害應對是個復雜的系統工程，尤其是目前針對城市尺度暴雨預估預測、暴雨精準預報、城市實景三維孿生等仍然是科學和技術難題。“五預”應對機制的提出為系統解決城市暴雨洪澇災害問題提供了一個新的思路，需要多學科交叉理論和技術的深入研究以及實踐的進一步檢驗。