考虑降雨集合预报的小流域雨量预警技术探析

韩冬

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳 110003）

0 引言

山区小流域遇到突发暴雨事件，由于源短流急，较容易发生较为严重的洪水灾害。近些年来，山区小流域洪水成为防汛工作的重点[1]。由于其汇流时间较短，因此，需要提前对其山洪量级进行预警，从而为防洪减灾、人口转移提供重要的决策依据。当前山区小流域洪水预警也得到广泛的关注和研究[2-6]，这些研究中大都通过设定雨量预警指标进行山区洪水的雨量预警，这种方式较为直观，且计算方法也较为简单。但由于暴雨量级时空分布特征对其雨量预警的影响程度较大，单点雨量预警的精度不高，有时易出现漏报的现象。为此，有学者逐步开展山区小流域洪水预警的研究，通过降雨预报值建立区域洪水模型，实现未来降雨预报条件下的洪水预报，从而为区域山区可能出现洪水的量级进行预警，这种方式可解决单点雨量预警的局限性，在一些地区的小流域洪水预警中得到应用[7-10]。这些区域的应用表明，不同降雨预报产品都有其预报精度和适用性的差异性，在不同地区降雨预报的适用性有所不同。为此，下文提出一种基于降雨集合预报信息构建山区小流域雨量预警新技术，对小流域进行雨量预警研究。

1 预警方法

将降雨集合预报信息和洪水模型进行耦合，对小流域洪水进行预警研究。具体计算步骤：1）采用API 模型[11]对预警时刻的Pa+P+PⅡ值进行计算，采用动态临界雨量曲线对Pa+P+PⅡ值的雨量预警值进行计算；2）对预报降雨量的等级进行确定，从降雨概率分布曲线中对预报降雨等级对应的降雨概率P（因子A）进行确定，并计算其和降雨预报量级的比值作为因子B；3）对A 和B 两个因子进行求和，按照雨量预警等级划分标准（表1）进行不同等级预警分析。

表1 预警等级划分

2 API 模型的建立及应用

2.1 区域概况

以辽东地区的文家街水文站以上小流域为具体研究实例，文家街水文站为鞍山地区哨子河主要控制水文站，站点以上集水面积为2 311 km2，距离河口的距离为65 km，哨子河洪水有汇流时间短、来势迅猛的特点。大洋河流域属温带季风气候区，多年平均降水量800～1 000 mm，多年平均水面蒸发量1 150～1 200 mm。降雨的年内分配极不均匀，汛期6—9 月占全年的74%～78%，年最大24 h 降雨量332 mm。

2.2 模拟精度分析

结合文家街水文站2005—2017 年的实测洪水数据，对模型进行验证分析，模拟结果如表2，3所示。

表2 API 模型产流模拟精度分析

表3 API 模型汇流模拟精度分析

从表2，3 可看出，API 模型在流域产流模拟合格率为100%，各场次洪水汇流模拟的合格率也可达到87.5%，表明API 模型在文家街流域具有较好的模拟精度，可用于流域的降雨径流关系的确定。

2.3 动态临界雨量曲线确定

文家街水文站所在河道断面水位预警值为90.5 m，结合该站点实测水位流量关系曲线可对其预警水位对应的流量预警值进行确定，其相对应的流量预警值为1 000 m3/s。基于API 模型结合参考文献［12］中动态临界雨量计算方法，以1 000 m3/s作为流量预警值对文家街流域的动态临界雨量进行计算，分析动态临界雨量值和降雨强度、前期影响雨量及降雨累计量之间的关系，分析结果如图1所示。

从图1 可看出，随着降雨强度、前期影响雨量及降雨累计量的不断增加，其临界雨量逐步减小，随着降雨时间的不断推移，在相同降雨强度、前期影响雨量及降雨累计量下，其对应的临界雨量动态变化，并逐渐增加，表明降雨强度和前期影响雨量对于文家街流域的山洪影响程度具有耦合作用。

图1 文家街流域动态临界雨量曲线

2.4 不同降雨预报模式下降雨概率分析

分别对当前在辽宁地区应用效果较好的CMA 集合预报（中国气候中心）和JMA 集合预报（日本气候中心）降雨预报产品作为研究区域的预报降雨输入。结合2 种降水预报产品的降水预报值，分别建立其降雨预报数据系列，对各降雨数据系列的统计值进行分析，采用P-Ⅲ适线方法对2种降水预报产品下的降雨概率分布曲线进行分析，结合区域未来时段内的降雨量级，从其降雨概率分布曲线即可得到对应的概率因子A。

3 基于降雨集合预报方式的雨量预警研究

在不同降水产品下的降雨概率分布确定的基础上，分别对文家街流域2 场实际洪水进行预警应用研究，分析其预警的效果，结果如表4，5所示。

表4“20120803”降雨集合预报预警结果

从表4，5 分析结果可看出，2 种洪水下不同降水集合预报下的预警精度均可达到80%以上，且可将预警提前4～6 h。总体而言，CMA 的预警效果要好于JMA。例如“20120803”暴雨洪水，CMA降雨集合预报产品可在第一时间发布红色预警，而JMA 降雨集合预报产品发布的是橙色预警，为了更好地对辽东山区进行预警，提高预警时间，在实际预警工作中可以对多个降雨产品进行集合预报，综合考虑其集合预报的预警效果。

表5“20130806”降雨集合预报预警结果

4 结语

构建的基于降水集合预报的山洪小流域预警技术，通过实例验证其适合于辽东山区小流域洪水预警，具有较好的预警效果。在实际生产实践过程中，可对多个降雨产品进行集合预报，综合考虑其集合预报的预警效果。此外，12 h 和24 h 的降雨集合预报信息可作为区域山区小流域早期洪水防御措施提供重要决策依据。