彭濤沈鐵元高玉芳胡躍文

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢 430074；2 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/應用氣象學院, 南京信息工程大學, 南京 210044；3 貴州省氣象服務中心，貴陽 550002）

流域水文氣象耦合的洪水預報研究及應用進展

彭濤1沈鐵元1高玉芳2胡躍文3

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢 430074；2 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/應用氣象學院, 南京信息工程大學, 南京 210044；3 貴州省氣象服務中心，貴陽 550002）

洪水預報在防洪減災中具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。論文從流域暴雨的定量降水估算與預報、流域洪水預報水文模型、流域水文氣象耦合、流域洪水實時預報系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務應用等方面回顧了國內(nèi)外流域水文氣象耦合的洪水預報研究與實踐的進展，并從洪水預報與氣象預報的集成耦合、有物理基礎的分布式水文模擬、洪水風險災害評價等展望了流域洪水災害預報的一些關鍵技術和問題。

暴雨洪水，洪水預報，水文氣象耦合

1 引言

我國的洪澇災害從出現(xiàn)頻率、影響范圍到造成的損失都是世界最為嚴重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計,在過去的2000多年中,中國發(fā)生的有史料可查的重大洪水災害就達1600余次[1-2]。20世紀50年代以來,長江流域(包括江淮地區(qū))的歷次大洪水(如1954、1969、1975、1991、1993、1994、1995、1996、1998、2003、2007、2010和2011年)都給國家造成了巨大損失。新中國成立以來,經(jīng)過40多年的治理,全國江河流域的防洪形勢有了重大改觀。近年來,隨著人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,我國洪澇損失具有逐年增大的趨勢。如何對洪水進行科學而準確的預報,一直是人類長期面臨的歷史課題。

洪水預報追求的是高精度和預見期長,要得到高精度和長預見期預報,必須從提高降雨估算精度開始,結合降雨預報,采取流域降雨徑流模型和河道洪水演算模型的途徑來實現(xiàn)。

早在30多年前,陳金榮等[3]從長江流域防洪的豐富實踐中,對水文氣象預報已作了精辟而深刻的論述,指出氣象預報同水文預報的結合為防洪和水庫調(diào)度等工作,帶來巨大的優(yōu)越性和必要性,是水文預報發(fā)展的必然趨勢。文中闡述的基本思想在水文氣象預報技術已有許多新的發(fā)展和進步的今天,仍然具有指

導意義。

20世紀90年代以來,隨著計算機網(wǎng)絡、GIS、遙感、數(shù)值天氣預報等現(xiàn)代技術在水文預報領域的推廣應用,以及水文理論和方法的不斷發(fā)展,當前基于雷達和數(shù)值模式的定量降水估算與預報技術、基于DEM的分布式水文模型研發(fā)、基于水文氣象耦合的洪水預報、洪水實時預報系統(tǒng)的研發(fā)等正成為當前流域暴雨洪水預報技術研究和發(fā)展的方向。在此從流域暴雨的定量降水估算與預報、流域洪水預報模型、流域水文氣象耦合、流域洪水實時預報系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務應用等幾個方面圍繞“水文氣象耦合的洪水預報”這一核心對國內(nèi)外相關研究及實踐進展進行詳細的回顧。

2 流域暴雨的定量降水估算與預報

洪水災害產(chǎn)生的直接原因是一定量級的降水,面雨量是一切洪水預報模型的輸入場,所以,面雨量估算以及預報也成為目前國內(nèi)外的一個研究熱點。國內(nèi)外專家做了大量的有益探索,如以泰森多邊形法、Kriging插值為代表的實況插值法等,在此筆者將簡要回顧基于雷達等遙感手段的定量降水估算以及基于數(shù)值模式的定量降水預報方面的進展[4]。

2.1 基于衛(wèi)星、雷達等遙感手段的定量降水估算

利用衛(wèi)星遙感資料估算降水,具有覆蓋范圍廣、獲得資料容易的優(yōu)點,但是其空間分辨率不高,星下點的最高分辨率也只有5km,能從靜止衛(wèi)星收到的資料時間間隔一般是1h一幅圖,另外所利用的衛(wèi)星遙感資料主要反映的是云的情況,它與具體到某一點、某一小區(qū)域的降水無必然聯(lián)系,缺乏一定的理論依據(jù),但是隨著靜止衛(wèi)星時空分辨率的提高,也逐步引起了專家學者的關注。

雷達等遙感估算降水有時空分辨率高的優(yōu)點,可以比較客觀地反映降水量相對大小的分布趨勢。目前在天氣雷達資料的面雨量估算以及融合技術方面,歐美國家處于領先水平。如英國天氣雷達網(wǎng)自20世紀70年代開始興建,在80年代迅速發(fā)展,1993年基本達到目前的狀態(tài),主要由英國氣象局管理的13部天氣雷達組成的雷達監(jiān)測網(wǎng)常年連續(xù)運行,以5min間隔實時提供2km×2km分辨率的降水率資料,以及每30min提供一次基于雷達觀測資料外推制作的6h逐時和累計降水預報資料。美國自80年代后期開始建設新一代天氣雷達網(wǎng)。用于全國布網(wǎng)的新一代雷達系統(tǒng)(WSR88D)是具有高質(zhì)量定量降水探測能力的現(xiàn)代多普勒天氣雷達。至1997年底,新雷達已在全國安裝了165部,覆蓋了全美國,能夠提供時段小至5min和空間分辨率小于1km2的雨量估計值[5-6]。

我國從20世紀60年代開始布設天氣雷達,目前我國建成了由172部新一代多普勒天氣雷達組成的雷達觀測網(wǎng),實現(xiàn)6min一次的數(shù)據(jù)實時傳輸和拼圖聯(lián)網(wǎng),加強暴雨等突發(fā)性災害天氣的監(jiān)測預警服務。從80年代起開始研究雷達測雨和衛(wèi)星測雨,并取得了很大的進展,如1998年淮河水利委員會與南京大學合作,以淮河為試驗基地,利用安徽阜陽和合肥多普勒雷達在淮河流域的支流濟、史、灌河流域進行試驗研究。中國氣象局和水利部聯(lián)合進行的“淮河黃河流域暴雨洪水監(jiān)測預報系統(tǒng)”試驗項目中,對雷達和雨量計聯(lián)合測量實時降水進行了業(yè)務試運行。此外就雷達估測降水方法而言,主要包括:Z-R關系法、平均校準法、卡爾曼濾波校準法、最優(yōu)插值法、卡爾曼濾波和最優(yōu)插值聯(lián)合校準法等。國內(nèi)大量學者對此也展開了大量研究:萬玉發(fā)等[7]提出了一種基于準同雨團樣本概念雷達與雨量計的實時同步結合的降雨估算新技術。尹忠海等[8]根據(jù)卡爾曼濾波校準方法估算區(qū)域降水量的原理,利用野外觀測資料對一次降水過程進行了試驗研究,結果表明卡爾曼濾波校準方法能提高雷達定量估算區(qū)域降水量的精度。李建通等[9]將最優(yōu)插值法引進雷達測雨領域,并通過數(shù)值模擬和實測資料分析證明了該法在測定區(qū)域降水量方面的較好效果。劉曉陽等[10]用最優(yōu)插值方法獲得雷達雨量計聯(lián)合估測的梅山水庫集水區(qū)降水分布。張亞萍等[11]也在開展了大量雷達估測降雨的研究工作,并取得了較大的進展。

2.2 基于數(shù)值模式的定量降水預報

數(shù)值天氣預報(NWP)是目前定量降雨預報最行之有效的一種方法。數(shù)值天氣預報模式研究開始于50年前,目前國際上比較先進的數(shù)值天氣預報模式有ECMWF(歐洲中期預報中心)的全球模式,NCEP (美國國家環(huán)境預報中心)的Eta模式、WRF、美國賓夕法尼亞州立大學和美國大氣研究中心聯(lián)合開發(fā)的中尺度數(shù)值預報模式MM5,以及日本全球模式、亞洲區(qū)域模式、日本區(qū)域模式等[12]。

我國的數(shù)值預報研究始于20世紀70年代,多以引進吸收國外模式為主。如張玉玲等發(fā)展的有限區(qū)域分析預報系統(tǒng)(LAFS),國家氣象中心引進歐洲氣象中心T639發(fā)展的T213等。另外,Eta、MM5、WRF等模式被我國學者引進并開展了大量應用研究[12-13]。我國自行研發(fā)的模式有:周曉平的5層細網(wǎng)格原始方程降水預報模式、宇如聰?shù)劝l(fā)展的AREM,以及中國氣象科學研究院在借鑒美國MM5和WRF的基礎上研究開發(fā)的天氣模式GRAPES。目前我國NWP整體水平與歐美等發(fā)達國家還存在一定的差距。目前我國QPF預

報水平逐年提升、空間分辨率越來越高,有限區(qū)域細網(wǎng)格業(yè)務化模式網(wǎng)格距已達10km左右。隨著中國氣象局精細化預報服務工作的開展,七大區(qū)域中心已建立了高分辨率的區(qū)域精細化預報業(yè)務系統(tǒng),如華中區(qū)域氣象中心由中國氣象局武漢暴雨研究所(以下簡稱“暴雨所”)基于WRF模式搭建的3km×3km格距的區(qū)域精細化預報系統(tǒng)；王晨稀等[14]開展了我國集合預報的先例,探討NWM的不確定性；李俊等[15]探討了集合預報方法在山洪預報中應用。

3 流域洪水預報模型

流域洪水預報主要方法有兩大類:一是以歷史數(shù)據(jù)為基礎的統(tǒng)計預報,該方法利用輸入(一般指降雨量或上游干支流來水)與輸出(一般指流域控制斷面流量)資料,建立某種數(shù)學關系；然后就可由新的輸入推測輸出。這種模型只關心模擬的精度,而不考慮輸入輸出之間的物理因果關系。二是以水文模型為核心的定量洪水預報,該方法建立氣象與水文因子的關系,依據(jù)氣象要素進行水文預報?；谒哪Ｐ偷暮樗A報可分為概念性水文模型和分布式水文模型,概念性模型是以水文現(xiàn)象的物理概念作為基礎進行模擬,對下滲、蒸發(fā)、產(chǎn)匯流等物理現(xiàn)象進行了合理概念化,具有一定的物理基礎,因此,在近幾十年里發(fā)展很快,在實際應用中得到了大量的使用。很多流域水文模型都屬于概念性水文模型,如由Craford和Linsley提出的斯坦福模型,美國天氣局Sitten提出的API模型,國內(nèi)由趙人俊教授提出的新安江模型,意大利Todini提出的Arno模型等[16]。這些模型目前仍然是主流的洪水預報模型,在一定時期內(nèi)還會繼續(xù)發(fā)揮作用。從20世紀90年代中期以來,隨著衛(wèi)星遙感、數(shù)字雷達測雨技術以GIS技術的完善和高速發(fā)展并進入科技領域,分布式水文模型作為一類新的流域水文模型得到了快速發(fā)展,成為近20年來水文建模領域的熱點、是水文模型的發(fā)展趨勢和研究前沿[16-17]。

美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)于2000年9月開始主持實施“國際分布水文模型比較計劃(DMIP)”,提出了全分布水文模型和半分布水文模型共12個,分析了概念性水文模型與分布水文模型的差別[18]。分布式流域水文模型最顯著的特點是與DEM的結合,以偏微分方程控制基于物理過程的水文循環(huán)時空變化,能更好地考慮到降水和下墊面的空間變異,更好地利用GIS和遙感信息模擬降水徑流響應,并能與氣象模式結合延長洪水預見期。分布式水文模型的研究可以認為起始于1969年Freeze等發(fā)表的《一個具有物理基礎數(shù)值模擬的水文響應模型的藍圖》的文章[19],該文提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。被認為是第一個真正的分布式水文物理模型是SHE(Système Hydrologique Européen)。該模型由英國、法國和丹麥的科學家于1976年開始聯(lián)合研制,于1982年正式發(fā)表。伴隨著SHE的問世,分布式水文模型的研究得到了長足的發(fā)展,自20世紀90年代以來,國內(nèi)外在水文模型模擬研究方面取得了新的進展,目前分布式水文模型的理論和技術已趨于成熟,國外代表性成果包括TOPMODEL(Topgraphy Based Hydrological Model)、SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、VIC(Variable Infiltration Capacity)等模型,可以說在對不同尺度、不同環(huán)境、不同需求的模擬應用中各有優(yōu)勢或缺陷[17-18]。

國內(nèi)分布式水文模型的研究起步較晚。20世紀90年代以來,隨著GIS軟件的迅速發(fā)展,在國家自然科學基金的支持下,我國一些學者進行了探索性的研究工作。盡管起步較晚,但也取得了較大的進展。沈曉東等[20]在研究降雨時空與下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對徑流過程影響的基礎上,提出了一種在GIS支持下的動態(tài)分布降雨徑流流域模型,實現(xiàn)了基于柵格DEM的坡面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)值模擬；郭生練等[21]建立了一個基于DEM的分布式流域水文物理模型,用來模擬小流域的降雨徑流時空變化過程；任立良等[22]在數(shù)字高程模型(DEM)的基礎上,進行子流域集水單元勾畫、河網(wǎng)生成、河網(wǎng)與子流域編碼及河網(wǎng)結構拓撲關系建立,然后在每一集水單元上建立數(shù)字產(chǎn)流模型,再根據(jù)河網(wǎng)結構拓撲關系建立數(shù)字河網(wǎng)匯流模型(馬斯京根法),從而建成數(shù)字水文模型；鄭紅星等[23]提出了模塊化結構的流域分布式水循環(huán)模擬系統(tǒng)(HIMS)等。

4 流域水文氣象耦合關鍵技術

4.1 流域水文氣象耦合的降水降尺度技術

數(shù)值天氣預報模式與流域水文模型在時間空間分辨率存在的差異制約了天氣預報模式預報結果在水文預報中應用的進一步發(fā)展。立足于在水文預報中充分有效地利用天氣預報及氣象信息這一目的,建立定量降水估算、定量降水預報(QPE/QPF)與水文模型(HM)之間的結合,其首要任務就是解決降水信息場與水文模型時間和空間尺度上的匹配問題,縮小兩者的尺度差異,尋找水文氣象結合的契機。目前這方面的研究工作目前已開始得到了相關學者的重視:劉勇等[24]充分利用降水量空間統(tǒng)計分析的結果,通過在模型中引入坡度、坡向變量,對祁連山中東部地區(qū)降水量空間變化模式進行尺度下移,得到了該地區(qū)具

有多尺度特性的高空間分辨率降水量的分析模型；此外,數(shù)值模式的自嵌套技術以及多模式的互嵌套技術開始用于提高模式空間分辨率[25]。為了有效地提高定量降水估算預報產(chǎn)品在水文預報中的應用,武漢暴雨所等單位從“雷達資料同化+模式嵌套+高分辨的區(qū)域數(shù)值模式+動力釋用技術”的角度全面、系統(tǒng)地開展降尺度方法研究:在觀測降水上基于新一代多普勒雷達探測技術和雨量計實測資料,采用卡爾曼濾波、最優(yōu)插值、變分、統(tǒng)計權重等多種校正方法,研發(fā)了高分辨的定量降水估算校正新技術；在數(shù)值模式預報降水上通過資料同化、模式嵌套、動力釋用等技術縮小了天氣模式與水文模型網(wǎng)格尺度的差異[26],建立了華中區(qū)域精細化數(shù)值預報系統(tǒng)(圖1),發(fā)展了實時洪水預報中水文氣象耦合的降尺度技術。

4.2 雷達定量降水估算與洪水預報的耦合

確切地掌握降雨量的空間分布,是使用分布式水文模型的重要先決條件。雷達測雨可直接測得降雨的空間分布,提供流域或區(qū)域的面雨量,并具有實時跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。雷達估算降水有時空分辨率高的優(yōu)點,可以比較客觀地反映降水量相對大小的分布趨勢。

為了將雷達測雨資料用于洪水預報預警,國外學者首先展開了相關研究[5-6]。如美國已經(jīng)建立了由多探測器降水估算技術和人機交互雨量訂正技術共同構成的定量估算降水業(yè)務應用系統(tǒng),并和水文預報模型結合,應用在山洪指導系統(tǒng)(FFGS)和美國天氣局河流預報系統(tǒng)(NWSRFS)中。英國氣象局開發(fā)了雷達資料實時處理和多部雷達聯(lián)網(wǎng)工作,實現(xiàn)資料的實時質(zhì)量控制,結合雷達和衛(wèi)星資料,進行了氣象和水文服務的短時定量降水預報,利用水文雷達系統(tǒng)(HYRAD)集成了雷達-雨量計估算面雨量和流域雷達降水預報的研究成果,用實時雷達和雨量計資料計算流域面雨量并進行未來兩小時的流域面平均雨量預報,將計算和預報數(shù)據(jù)以時間序列的形式存入RFFS數(shù)據(jù)庫用于河流預報。RFFS與HYRAD共同組成了實時降水與河流預報系統(tǒng),目前已經(jīng)在泰晤士流域等幾個洪水預報警報中心進行日常業(yè)務應用。意大利博洛尼亞(Bologna)大學開發(fā)的RAIN-MUSIC軟件,能實現(xiàn)多源降雨信息同化和數(shù)據(jù)融合,可以作為利用雷達和衛(wèi)星提供一個為得到足夠準確的降雨監(jiān)測預報和面雨量估算值的最好途徑,該功能模塊已納入歐洲洪水預報系統(tǒng)(EFFORTS)中,顯著提高了降雨估算的質(zhì)量。

此外,國內(nèi)有關學者也開始了定量降水估算和洪水預報耦合技術的研究探討:劉黎平等[27]成功地應用天氣雷達估算降雨技術來進行水文預報,提高了預報的精度；劉曉陽等[28]利用雷達估測降雨對史灌河流域進行了徑流模擬；Ren等[29]、Chen等[30]利用雷達降雨資料對水文過程進行了模擬研究；李致家等[31]對從實時洪水預報的角度出發(fā),將雷達遙感數(shù)據(jù)與水文模型進行耦合對淮河史灌河流域蔣家集站進行洪水預報；武漢暴雨所聯(lián)合武漢大學[32-33]通過輸入不同的降雨量估算結果(常規(guī)插值法得到面降雨量、雷達資料聯(lián)合地面雨量站估算得到的降雨量)對比分析利用雷達資料聯(lián)合雨量站估算得到的降雨量對洪水預報結果的影響,試驗表明,綜合平均確定性系數(shù)、預報洪峰流量合格率、峰現(xiàn)時差三個評價指標可以看出使用校準后的雷達降雨結果作為水文模型的輸入總體洪水模擬水平是最優(yōu)的。并基于水文模型,引進增長繁殖模方法對雷達QPE初值進行擾動,得到不同的QPE產(chǎn)品,從而輸入水文模型,分析降水誤差信息對洪水預報中徑流模擬的影響,結果表明降水初始場經(jīng)過隨機擾動之后輸出結果與未擾動的輸出結果的相對誤差有所增大,其中洪峰流量增大約5%、洪量增大8%,即模型輸入誤差在經(jīng)過模型的傳遞后有增大的趨勢,而且峰現(xiàn)時間大部分會呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

圖1 3km分辨率的華中區(qū)域數(shù)值模式降水預報系統(tǒng)

4.3 模式預報降水與洪水預報的耦合

預見期內(nèi)的降水量直接影響著洪水預報的精度,預見期愈長,預見期內(nèi)的降雨對預報值影響愈大,為此預見期內(nèi)的降雨與洪水預報耦合技術也逐步受到了廣大水文和氣象科技工作者的關注。目前隨著數(shù)值預報理論與方法的飛躍發(fā)展,數(shù)值預報現(xiàn)正成為暴雨預報實現(xiàn)定點、定時和定量的科學手段,為水文模型預見期降水的預報提供了強有力的支撐。

目前定量降水預報(QPF)應用于水文預報模型是被水文氣象學界普遍認同的發(fā)展方向之一,也是目前研究的熱點難點。對于預見期降雨與洪水預報耦合的研究國外相關學者以及國家氣象中心、長江委、黃河委和武漢大學已開展過相關試驗和調(diào)研:美國國家

氣象中心(NMC)基于數(shù)值模式預報降水開發(fā)了一系列洪水量化預報法[34]；楊文發(fā)等[35]考慮預見期內(nèi)的降水預報信息,采用降水預報與洪水預報耦合的方法,對1998年汛期發(fā)生在長江上游三峽區(qū)間的一次暴雨洪水過程進行了預報試驗；王慶齋等[36]利用小浪底—花園口之間的暴雨洪水過程開展了洪水預報耦合技術研究；李超群等[37]基于短期定量降水預報產(chǎn)品開展了清江隔河巖洪水預報的研究；郭靖等[38]耦合MM5氣象模式和VIC 分布式水文模型構建了漢江流域水文氣象耦合模型,并對丹江口以上流域開展模擬試驗；Bao等[39]以淮河息縣流域為試驗流域,以CMC、CMA、ECWMF、UKMO、NCEP五個氣象中心的TIGGE降水以及地面雨量計觀測降水驅(qū)動新安江水文模型,在2007年7月的息縣流域超警洪水預報中進行試驗研究。崔春光等[40]、彭濤等[41]開展了定量降水預報及其集合預報產(chǎn)品與水文預報耦合的預報試驗,結果表明考慮預見期內(nèi)的降雨相對于未考慮預見期降雨對洪水預報結果提高具有明顯的優(yōu)勢,能延長水文預見期,提高水文預報精度,約40%(圖2)；將降水集合預報產(chǎn)品引入水文預報領域,拓展了水文不確定性預報的新方法,能將單一的確定性預報轉(zhuǎn)化為可能發(fā)生范圍的預報,獲取更多的水文預報信息,提高了水文預報結果的可靠性,能更好地滿足防洪減災對風險信息的需求。

圖2 定量降水預報與水文模型耦合的洪水預報

5 流域洪水實時預報系統(tǒng)研發(fā)及業(yè)務應用進展

洪水預報系統(tǒng)(flood forecasting system)是在計算機上實現(xiàn)洪水預報聯(lián)機作業(yè)的運行系統(tǒng),它靠快速、準確地收集、存儲和處理水情、雨情,通過各種專業(yè)數(shù)學模型進行洪水預報,從而及時、準確地作出洪水流量過程的預報,提高了洪水預報的時效性和精確度。

在國外,最早將水情信息處理與洪水預報計算機制作直接聯(lián)為一體的系統(tǒng)是從研制水文自動遙測洪水警報、預報系統(tǒng)開始的。從20世紀50年代開始,日本、美國、法國、英國等相繼在本國的河流研制出水文自動測報系統(tǒng),并先后具有自動化洪水預報、自動警報功能。80年代后,這種技術走向成熟和普及。

1989年,美國天氣局在河流預報系統(tǒng)(NWSRFS)第5版上安裝了交互式預報程序(IFP),揭開了新一代洪水預報系統(tǒng)研制的序幕。該系統(tǒng)采用完全模塊化的結構,預報算法獨立于計算機系統(tǒng),利用圖形交互處理技術對洪水預報數(shù)學模型的計算結果進行人工干預,從而得到可以發(fā)布和實行河系連續(xù)預報的成果,保證了河系預報作業(yè)的連續(xù)性。至今,該系統(tǒng)已建成包含28個常用的預報模型的預報模型庫,用戶可任意選擇所需模型用于構建預報方案,并在全美13個河流預報中心廣泛使用。歐洲洪水預報系統(tǒng)(EFFS)在2003年3月于鹿特丹舉行的題為“歐洲洪水預報的進步”的國際會議上進行了首次展示,目前改進后的系統(tǒng)可耦合雷達降水估算和有限區(qū)域數(shù)值天氣預報模式,建立暴雨預報和洪水預報耦合的一體化模型[42-43]。

在我國,最早投入運行的洪水預報系統(tǒng)就是1985年從美國SM公司引進的ALERT軟件系統(tǒng)。在消化吸收的基礎上,我國開發(fā)了各流域的數(shù)以百計的洪水預報系統(tǒng),至20世紀90年代中期,我國從無到有基本上普及了洪水預報系統(tǒng),實現(xiàn)了以電腦作業(yè)替代手工作業(yè)。1992年,在中美雙邊洪水預報學術討論會上,美國天氣局河流預報系統(tǒng)(NWSRFS)第五版受到國內(nèi)水文預報界的重視。當前,洪水預報系統(tǒng)研制進展較快,已開發(fā)了具有中國特色的專家交互式洪水預報系統(tǒng)。水利部水文局開發(fā)的“中國洪水預報系統(tǒng)”(CNFFS)和長江委水文局開發(fā)的“WIS水文預報平臺”(WISHFS)便是代表性的成果。中國洪水預報系統(tǒng)采用C/S結構,以全國統(tǒng)一的實時水情數(shù)據(jù)庫為依托,以地理信息系統(tǒng)為平臺,能方便地構建五類洪水預報方案,具有標準的、通用的預報模型方法庫,可任意選擇多模型、多方法制定預報方案,具有人工和自動優(yōu)選結合的模型率定功能,具有定時預報和人機交互預報功能,可干預任何信息源和預報過程,具有全面完善的系統(tǒng)管理功能等,已在25個流域機構和省(直轄市、自治區(qū))的水文部門推廣應用[43-44]。

隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務的發(fā)展,國家氣象中心、武漢暴雨所等單位立足于基于定量降雨估算(QPE)、定量降雨預報(QPF)、集合降水預報技術、開展水文預報模型和水文氣象耦合的實時洪水預報技術研發(fā),設計研發(fā)了融合多源降水信息的小流域分布式水文物理模型,流域水文氣象實時預報系統(tǒng),并實現(xiàn)了與氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)有機融合,成功應用于三峽庫區(qū)、淮河王家壩、清江水布埡等12個流域以及國家山洪地質(zhì)災害防治氣象保障工程項目中[45-46]。

6 展望

暴雨洪澇災害一直是威脅人類生存和發(fā)展的最嚴重的自然災害之一。然而當前客觀條件正在悄然發(fā)生一些變化,如新一代天氣雷達網(wǎng)的建成、雷達衛(wèi)星估算降雨技術的發(fā)展腳步加快、定量降雨預報準確率的不斷提高、水文模型構建技術的不斷創(chuàng)新、地理信息技術的逐漸成熟、網(wǎng)絡通信與計算機技術的飛速發(fā)展等,都給我國洪水預警預報技術發(fā)展提供了一個很強實的基礎和發(fā)展機遇,但是同時也面臨著問題與挑戰(zhàn)。筆者認為,為了進一步推動我國流域洪水預報技術的發(fā)展與應用,需在以下幾個方面著重開展研究。

(1)加強洪水預報與氣象預報的集成耦合的技術研究,充分利用雷達探測技術以及中尺度暴雨預報技術來描述水文輸入資料(降雨等)的時空變異性,并通過開展降尺度方法研究,逐步縮小氣象與水文之間在時空尺度差異性問題。

(2)加強有物理基礎的分布式水文模擬技術的應用研究。利用GIS技術,根據(jù)DEM自動提取各種水文地形特征,自動生成河網(wǎng),進行流域產(chǎn)匯流和河道匯流計算；利用數(shù)字遙感數(shù)據(jù)提供基礎性的流域下墊面信息,修正模型參數(shù)和狀態(tài)變量值；在氣象預報預報產(chǎn)品的基礎上,利用分布式水文模型,進行洪水預報水文模擬計算,提高洪水預報精度。

(3)暴雨洪水災害是涉及自然、社會、經(jīng)濟等眾多因素,為達到有效的抗洪救災的目的,應加強洪水風險災害評價技術的研究,準確合理的構建洪水災害評價指標體系和洪水災害風險評估模型,減少洪水災害損失。

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Research and Application Progress on Basin Hydro-Meteorology Coupling Flood Forecasting

Peng Tao1, Shen Tieyuan1, Gao Yufang2, Hu Yuewen3

1 Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074 2 Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/College of Applied Meteorology, Nanjing University of information Science and Technology, Nanjing 210044 3 Guizhou Province Meteorological Service Center, Guiyang 550002

Flood forecasting has an important theoretical and practical significance in flood control and disaster mitigation. Research and application progress on Basin hydro-meteorology coupling f l ood forecasting both at home and abroad is reviewed from the radar and numerical model of quantitative precipitation estimation and forecast technology, hydrological model for basin f l ood forecasting, hydrology-meteorological coupling technology, and real-time f l ood forecasting system. Finally, some key technologies and problems of f l ood disaster prediction from the integration and coupling for f l ood forecast and weather forecast, physically based distributed hydrological model and f l ood disaster evaluation are proposed.

storm f l ood, f l ood forecasting, hydrological and meteorological coupling

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.02.006

2013年9月24日；

2014年1月16日

彭濤（1980—），Email：pt_mail@sohu.com

資助信息：國家自然科學基金（41205086，41105077）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306056，GYHY201306059）；江蘇省自然科學基金面上項目（BK2012859）