气象水文耦合的洪水预报探究

宋垒

【摘要】传统的洪水预报以“落地雨”为预报基础，预见期非常有限，这不仅增加了洪水预报的不确定性、削弱了预报的及时性，也降低了可获得的效益。因此在确保洪水预报精度的前提下，延长洪水预见期已成为防洪减灾、兴利调度措施中一个非常重要的研究课题。基于水文气象耦合的洪水预报、洪水实时预报系统的研发等正成为当前流域暴雨洪水预报技术研究和发展的方向。本文主要对气象水文耦合的洪水预报进行分析探讨。

【关键词】气象水文耦合；洪水预报

1、前言

洪水是给人民群众带来生命财产损失最常见和危害最大的自然灾害之一，威胁国民经济与社会发展。洪水预报是为了预先获得洪水发生发展过程，根据洪水形成机理与运动规律，利用气象、水文等信息，预报预测洪水发生与变化过程的技术方法，并作为一项重要的防洪非工程措施，是减少洪水损失的最重要手段和方法之一。

2、流域水文气象耦合关键技术

2.1流域水文气象耦合的降水降尺度技术

数值天气预报模式與流域水文模型在时间空间分辨率存在的差异制约了天气预报模式预报结果在水文预报中应用的进一步发展。立足于在水文预报中充分有效地利用天气预报及气象信息这一目的，建立定量降水估算、定量降水预报（QPE/QPF）与水文模型（HM）之间的结合，其首要任务就是解决降水信息场与水文模型时间和空间尺度上的匹配问题，缩小两者的尺度差异，寻找水文气象结合的契机。目前这方面的研究工作目前已开始得到了相关学者的重视。

为了有效地提高定量降水估算预报产品在水文预报中的应用，武汉暴雨所等单位从“雷达资料同化+模式嵌套+高分辨的区域数值模式+动力释用技术”的角度全面、系统地开展降尺度方法研究：在观测降水上基于新一代多普勒雷达探测技术和雨量计实测资料，采用卡尔曼滤波、最优插值、变分、统计权重等多种校正方法，研发了高分辨的定量降水估算校正新技术；在数值模式预报降水上通过资料同化、模式嵌套、动力释用等技术缩小了天气模式与水文模型网格尺度的差异，建立了华中区域精细化数值预报系统，发展了实时洪水预报中水文气象耦合的降尺度技术。

2.2雷达定量降水估算（QPE）与洪水预报的耦合

确切地掌握降雨量的空间分布，是使用分布式水文模型的重要先决条件。雷达测雨可直接测得降雨的空间分布，提供流域或区域的面雨量，并具有实时跟踪暴雨中心走向和暴雨空间变化的能力。雷达估算降水有时空分辨率高的优点，可以比较客观地反映降水量相对大小的分布趋势。

为了将雷达测雨资料用于洪水预报预警，国外学者首先展开了相关研究。如美国已经建立了由多探测器降水估算技术和人机交互雨量订正技术共同构成的定量估算降水业务应用系统，并和水文预报模型结合，应用在山洪指导系统（FFGS）和美国天气局河流预报系统（NWSRFS）中。英国气象局开发了雷达资料实时处理和多部雷达联网工作，实现资料的实时质量控制，结合雷达和卫星资料，进行了气象和水文服务的短时定量降水预报，利用水文雷达系统（HYRAD）集成了雷达-雨量计估算面雨量和流域雷达降水预报的研究成果，用实时雷达和雨量计资料计算流域面雨量并进行未来两小时的流域面平均雨量预报，将计算和预报数据以时间序列的形式存入RFFS数据库用于河流预报。RFFS与HYRAD共同组成了实时降水与河流预报系统，目前已经在泰晤士流域等几个洪水预报警报中心进行日常业务应用。

2.3模式预报降水（QPF）与洪水预报的耦合

预见期内的降水量直接影响着洪水预报的精度，预见期愈长，预见期内的降雨对预报值影响愈大，为此预见期内的降雨与洪水预报耦合技术也逐步受到了广大水文和气象科技工作者的关注。目前随着数值预报理论与方法的飞跃发展，数值预报现正成为暴雨预报实现定点、定时和定量的科学手段，为水文模型预见期降水的预报提供了强有力的支撑。

目前定量降水预报（QPF）应用于水文预报模型是被水文气象学界普遍认同的发展方向之一，也是目前研究的热点难点。开展了定量降水预报及其集合预报产品与水文预报耦合的预报试验，结果表明考虑预见期内的降雨相对于未考虑预见期降雨对洪水预报结果提高具有明显的优势，能延长水文预见期，提高水文预报精度，约40%；将降水集合预报产品引入水文预报领域，拓展了水文不确定性预报的新方法，能将单一的确定性预报转化为可能发生范围的预报，获取更多的水文预报信息，提高了水文预报结果的可靠性，能更好地满足防洪减灾对风险信息的需求。

3、结语

暴雨洪涝灾害一直是威胁人类生存和发展的最严重的自然灾害之一。然而当前客观条件正在悄然发生一些变化，如新一代天气雷达网的建成、雷达卫星估算降雨技术的发展脚步加快、定量降雨预报准确率的不断提高、水文模型构建技术的不断创新、地理信息技术的逐渐成熟、网络通信与计算机技术的飞速发展等，都给我国洪水预警预报技术发展提供了一个很强实的基础和发展机遇，但是同时也面临着问题与挑战。

大气水文模式的发展和相互耦合与卫星遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、数字高程模型（DEM）、计算机科学和优化技术等的快速发展密不可分。利用RS可提供大范围的、较高时空分辨率的地质、地貌、植被、土壤类型、土地利用等下垫面信息，GIS是大气水文耦合模式利用和管理各种空间分布数据的必要工具；四维数据同化法体现了模型与观测的集成，在理论上可探讨与模型、观测和误差估计等有关的一系列基本科学问题，在实践上可为耦合模型提供高质量的初始场和驱动数据库；耦合模式运行需强大的计算机硬件支持，而并行计算、优化技术等的使用可显著提高计算速度、增强数值计算的稳定性；此外，虚拟现实技术的不断发展可能创建真正意义上的水文虚拟空间，将此技术与大气水文耦合模式结合，对开展流域水情的实时监控及进行水资源的动态管理和调度具有重要应用价值。

参考文献：

[1]彭涛，张利平，沈铁元，等.现代水文气象预报技术研究进展.人民黄河，2010，32（9）：29-32.

[2]万玉发，吴翠红，金鸿祥.基于准同雨团样本概念雷达和雨量计的实时同步结合方法.气象学报，2008，66（1）：262-273.