現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

為了延長(zhǎng)洪水預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)期，提高預(yù)測(cè)精度，必須對(duì)現(xiàn)有的洪水預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)新的思路和發(fā)現(xiàn)。陳金榮等從長(zhǎng)江流域防洪的豐富實(shí)踐中對(duì)水文氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行了精辟而深刻的論述,指出氣象預(yù)報(bào)同水文預(yù)報(bào)結(jié)合的必要性,是水文預(yù)報(bào)發(fā)展的必然趨勢(shì)。水文氣象綜合預(yù)報(bào)是建立在現(xiàn)有的氣象預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)理論和技術(shù)基礎(chǔ)之上的,主要有三個(gè)方面的內(nèi)容:首先是研究能滿足洪水預(yù)報(bào)特殊要求的定量降水預(yù)報(bào)技術(shù);其次是建立起定量降水預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)有機(jī)結(jié)合的方式;第三是實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方法,包括流域產(chǎn)匯流和河道洪水預(yù)報(bào)。現(xiàn)代水文氣象預(yù)報(bào)在我國(guó)已有幾十年的歷史。自20世紀(jì)50年代起,我國(guó)豐滿水庫(kù)、丹江口水庫(kù)、漢江上游安康水電站等應(yīng)用水文氣象預(yù)報(bào)均取得了不少成功經(jīng)驗(yàn)。筆者圍繞水文氣象耦合預(yù)報(bào)這一核心,對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)。1洪水預(yù)報(bào)模型產(chǎn)生洪災(zāi)的直接原因是一定量級(jí)的降水,面雨量是一切洪水預(yù)報(bào)模型的輸入項(xiàng),所以面雨量估算也成為目前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前主要有以下幾種研究方法。1.1實(shí)際插值方法(1)幾何方法以泰森多邊形法、反距離加權(quán)法為代表的空間統(tǒng)計(jì)插值。(2)統(tǒng)計(jì)方法以Kriging插值為代表的空間統(tǒng)計(jì)插值。(3)此函數(shù)函數(shù)插值法是使用函數(shù)來(lái)模擬要素實(shí)際分布的一種插值方法,在測(cè)站點(diǎn)上可以做到完全準(zhǔn)確。常用的函數(shù)插值方法有傅里葉函數(shù)、樣條函數(shù)等。1.2降水分布函數(shù)回歸分析就是選出影響降水分布變化的因子,根據(jù)這些因子與降水量的關(guān)系,從統(tǒng)計(jì)學(xué)上得到降水量的分布函數(shù)。秦成在大明山地區(qū)根據(jù)天坪、排蘭等7個(gè)站的海拔高度和1978年月降水量實(shí)測(cè)值進(jìn)行了降水的推算研究。1.3人工降水預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)方法遙感方法是利用衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感資料計(jì)算得到各區(qū)域的降水量。利用衛(wèi)星遙感資料估算降水,具有覆蓋范圍廣、容易獲得資料的優(yōu)點(diǎn),但是其空間分辨率不高,星下點(diǎn)的最高分辨率也只有5km,能從靜止衛(wèi)星收到的資料時(shí)間間隔一般是1h。一幅圖中另外所利用的衛(wèi)星遙感資料主要反映的是云的情況,它與具體到某一點(diǎn)、某一小區(qū)域的降水無(wú)必然聯(lián)系,缺乏理論依據(jù)。雷達(dá)估算降水有時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn),可以比較客觀地反映降水量相對(duì)大小的分布趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多利用雷達(dá)資料估算面雨量的研究。英國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始興建,在80年代迅速發(fā)展,1993年基本達(dá)到目前的狀態(tài),主要由英國(guó)氣象局管理的13部天氣雷達(dá)組成的雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)常年連續(xù)運(yùn)行,以5min間隔實(shí)時(shí)提供2km×2km分辨率的降水率資料以及30min一次的基于雷達(dá)觀測(cè)資料外推制作的6h逐時(shí)和累計(jì)降水預(yù)報(bào)資料。美國(guó)自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始建設(shè)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng),用于全國(guó)布網(wǎng)的新一代雷達(dá)系統(tǒng)(WSR88D)是具有高質(zhì)量定量降水探測(cè)能力的現(xiàn)代多普勒天氣雷達(dá)。至1997年底,新雷達(dá)已在美國(guó)安裝了165部。目前,美國(guó)已建成了由120多臺(tái)高質(zhì)量多普勒雷達(dá)組成的稱為NEXRAD系統(tǒng)的覆蓋全美的測(cè)雨雷達(dá)網(wǎng),能夠提供時(shí)段小至5min和空間分辨率小于1km2的雨量估計(jì)值。我國(guó)武漢區(qū)域氣象中心在“八五”期間建成了由武漢、宜昌、恩施、十堰、長(zhǎng)沙和南昌共6部數(shù)字化天氣雷達(dá)組網(wǎng)的大范圍降水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)LARORAS。LARORAS實(shí)時(shí)產(chǎn)生的降水測(cè)量成果供武漢中心氣象臺(tái)短時(shí)與短期降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)E-mail:pt_mail@應(yīng)用,還向國(guó)家氣象中心實(shí)時(shí)傳送。1998年,淮河水利委員會(huì)與南京大學(xué)大氣科學(xué)系合作,以淮河為試驗(yàn)基地,利用國(guó)家氣象部門(mén)布點(diǎn)在安徽阜陽(yáng)的國(guó)產(chǎn)713型C波段雷達(dá)進(jìn)行了定量測(cè)雨試驗(yàn),結(jié)果令人鼓舞,但投入業(yè)務(wù)運(yùn)行還需進(jìn)一步改進(jìn)計(jì)算模型,提高估算精度,加強(qiáng)雷達(dá)對(duì)降水處理的自動(dòng)化程度,解決好與水文模型的接口。雷達(dá)本身的探測(cè)誤差以及不同的降水類型,雷達(dá)氣象方程中各參數(shù)的不同,不同天氣系統(tǒng)、不同地點(diǎn),都對(duì)應(yīng)著不同的Z—I關(guān)系(即反射因子—雨強(qiáng)關(guān)系),使得利用雷達(dá)來(lái)估算降水在某些時(shí)候誤差很大。目前就雷達(dá)估測(cè)降水的方法而言,根據(jù)不同的研究目的和方向,大致可分為兩類:一類是直接利用Z—I關(guān)系確定降水強(qiáng)度,估計(jì)降水分布;另一類是基于雨量計(jì)在點(diǎn)上的精確測(cè)量聯(lián)合雷達(dá)估測(cè)降水強(qiáng)度。這些不同的算法有不同的特點(diǎn),適合于不同的天氣系統(tǒng)和地域,主要包括Z—I關(guān)系法、平均校準(zhǔn)法、卡爾曼濾波校準(zhǔn)法、最優(yōu)插值法、卡爾曼濾波和最優(yōu)插值聯(lián)合校準(zhǔn)法等。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者及工程技術(shù)人員圍繞相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)了大量研究:萬(wàn)玉發(fā)等根據(jù)雨量計(jì)與其垂直上空雷達(dá)的小時(shí)累計(jì)量之間存在的符合冪律的相關(guān)性,提出了一種基于準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本概念雷達(dá)與雨量計(jì)實(shí)時(shí)同步結(jié)合的降水估算新技術(shù);戴鐵丕等利用平均校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)雷達(dá)估測(cè)降水,并提出了“平均訂正因子校準(zhǔn)法”的新思路,這種方法具有簡(jiǎn)便、校準(zhǔn)后區(qū)域總降水量較準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn);趙坤等對(duì)傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法進(jìn)行了改進(jìn),運(yùn)用少量雨量計(jì)對(duì)雷達(dá)估測(cè)降水進(jìn)行校正,并將處理的數(shù)據(jù)作為水文模型的輸入,取得了較好的效果;劉曉陽(yáng)等用最優(yōu)插值方法獲得雷達(dá)雨量計(jì)聯(lián)合估測(cè)的梅山水庫(kù)集水區(qū)降水分布。1.4中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式實(shí)體模型法就是通過(guò)研究影響降水的因子,建立直接計(jì)算降水量的物理數(shù)學(xué)模型。該類方法從一定的物理基礎(chǔ)出發(fā),借助數(shù)學(xué)手段得到含特定系數(shù)的估算模型,對(duì)降水等氣象要素進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)成為定量降水預(yù)報(bào)最行之有效的一種方法。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式研究開(kāi)始于50a前,目前國(guó)際上比較先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式有ECMWF(歐洲中期預(yù)報(bào)中心)的全球模式,NCEP(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)的Eta模式、WRF以及日本東亞區(qū)域譜模式RSM等。另外,由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國(guó)大氣研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式MM5在我國(guó)有限區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)的數(shù)值預(yù)報(bào)研究始于20世紀(jì)70年代,多以引進(jìn)吸收國(guó)外模式為主。如張玉玲等發(fā)展的有限區(qū)域分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)(LAFS),國(guó)家氣象中心引進(jìn)歐洲氣象中心T63發(fā)展的T213等。另外,Eta、MM5、WRF等模式被我國(guó)學(xué)者引進(jìn)并開(kāi)展了大量應(yīng)用研究。我國(guó)自行研發(fā)的模式有:周曉平的5層細(xì)網(wǎng)格原始方程降水預(yù)報(bào)模式、宇如聰?shù)劝l(fā)展的AREM以及中國(guó)氣象科學(xué)研究院在借鑒美國(guó)MM5和WRF的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)的天氣模式GRAPES。目前我國(guó)NWP整體處于國(guó)際先進(jìn)水平,特別是針對(duì)我國(guó)梅雨鋒暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)有獨(dú)特的研究。目前,我國(guó)QPF(定量降水預(yù)報(bào))水平逐年提升、空間分辨率越來(lái)越高,有限區(qū)域業(yè)務(wù)化模式網(wǎng)格距已達(dá)20km,北京市氣象局、上海市氣象局利用MM5的3km網(wǎng)格距開(kāi)展天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn),為中尺度NWM(數(shù)值天氣模式)與水文模型耦合研究工作打下了較好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ);皇甫雪宮等開(kāi)展了我國(guó)集合預(yù)報(bào)的先例,探討了NWM的不確定性,李俊等探討了集合預(yù)報(bào)方法在山洪預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。這種方法具有充分的理論基礎(chǔ),但是為了能夠得出方程的解而作了許多近似假設(shè),也不能細(xì)致客觀地描述邊界條件,特別是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式與流域水文模型在時(shí)空分辨率上存在差異,大大降低了其在水文上的使用范圍。2實(shí)時(shí)洪水報(bào)告方法2.1輸出之間的新因果關(guān)系黑箱(系統(tǒng))模型將所研究的流域或區(qū)間視作一種動(dòng)力系統(tǒng),利用輸入(一般指降水量或上游干支流來(lái)水)與輸出(一般指流域控制斷面流量)資料建立某種數(shù)學(xué)關(guān)系,然后由新的輸入推測(cè)輸出。這種模型只關(guān)心模擬的精度,而不考慮輸入、輸出之間的物理因果關(guān)系。系統(tǒng)模型有線性、非線性、單輸入單輸出、多輸入單輸出及多輸入多輸出等多種類型,其中代表性模型有簡(jiǎn)單線性模型(SLM)、線性擾動(dòng)模型(LPM)、約束線性系統(tǒng)模型(CLS)、線性可變?cè)鲆嬉蜃幽Ｐ?VGFLM)、Volterra函數(shù)模型、多輸入簡(jiǎn)單線性模型(MISLM)、多輸入線性擾動(dòng)模型(MILPM)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)等。2.2以社會(huì)水文過(guò)程為中心的城市河流水文預(yù)報(bào)模型的不足集總概念模型以水文現(xiàn)象的物理概念為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬,它所利用的是一些簡(jiǎn)單的物理概念和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,如下滲曲線、蒸發(fā)公式或有物理意義的結(jié)構(gòu)單元,如線性水庫(kù)、線性河段等組成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)近似地描述水流在流域的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。概念模型對(duì)這些物理現(xiàn)象進(jìn)行了合理概化,具有一定的物理基礎(chǔ),因此得到了大量應(yīng)用。如由Craford和Linsley提出的斯坦福模型、營(yíng)原正己提出的水箱模型(Tank)、美國(guó)天氣局Sitten提出的API模型、Bernash提出的薩克拉門(mén)托模型、愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)工程水文系研制的SMAR模型、趙人俊提出的新安江模型及意大利Todini提出的Arno模型等。這些模型目前仍然是主流的洪水預(yù)報(bào)模型,在一定時(shí)期內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用。隨著人們對(duì)流域水文過(guò)程研究的不斷深入,集總型洪水預(yù)報(bào)模型的不足日益明顯,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①集總式水文模型在整個(gè)流域內(nèi)的許多環(huán)節(jié)上主要采用概念性元素的模擬或經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系的描述,往往只涉及現(xiàn)象而不涉及本質(zhì);②用最優(yōu)化方法確定模型參數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)降水徑流的依賴很大,求得的模型參數(shù)只能反映模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度,而不能揭示參數(shù)的物理意義;③流域水文模型是一種分散輸入集中輸出的模型,傳統(tǒng)流域水文模型在結(jié)構(gòu)上一般與此并不匹配。上述這些不足的主要原因是不能有效地處理流域地表空間信息。但是,從20世紀(jì)90年代中期以來(lái),隨著衛(wèi)星遙感、數(shù)字雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)以及GIS技術(shù)的完善和高速發(fā)展并進(jìn)入科技領(lǐng)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。2.3分布式水文模型與傳統(tǒng)的集總式水文模型相比,分布式模型(DHM)的優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)為以下幾點(diǎn)[19,24,25,26,27,28]:①具有物理機(jī)理,能描述水文循環(huán)的時(shí)空變化過(guò)程;②其分布式結(jié)構(gòu)容易與GCM(GlobalClimateModel)嵌套,研究自然和氣候變化對(duì)水文循環(huán)的影響;③能及時(shí)模擬人類活動(dòng)和下墊面變化對(duì)流域水文循環(huán)過(guò)程的影響。國(guó)外關(guān)于分布式水文模型的研究始于Freeze等。隨后,Abbott等進(jìn)行了研究,世界上第一個(gè)典型的分布式水文模型SHE(SystemHydrologicEuropean)直到1986年才正式發(fā)表,該模型主要的水文過(guò)程利用質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒的偏微分方程的差分形式來(lái)描述,同時(shí)也采用了一些獨(dú)立試驗(yàn)研究得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,綜合考慮降水、蒸發(fā)、地表徑流、土壤對(duì)地下水的補(bǔ)給、地下水的流動(dòng)等水文過(guò)程。伴隨著SHE的問(wèn)世,分布式水文模型的研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,目前分布式水文模型的理論和技術(shù)已趨于成熟,國(guó)外已提出了若干個(gè)有代表性的分布式水文模型。國(guó)內(nèi)關(guān)于分布式水文模型的研究起步較晚。沈曉東等在研究降水時(shí)空與下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對(duì)徑流過(guò)程影響的基礎(chǔ)上,提出了一種在GIS支持下的動(dòng)態(tài)分布降水徑流流域模型,實(shí)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;郭生練等建立了一個(gè)基于DEM的分布式流域水文實(shí)體模型,用來(lái)模擬小流域的降水徑流時(shí)空變化過(guò)程;任立良等在DEM的基礎(chǔ)上進(jìn)行子流域集水單元勾畫(huà)、河網(wǎng)生成、河網(wǎng)與子流域編碼及建立河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系等工作,然后在各集水單元上建立數(shù)字產(chǎn)流模型,再根據(jù)河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)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;李蘭等提出了一種分布式水文實(shí)體模型,該模型由各小流域的產(chǎn)流模型、匯流模型、流域單寬入流和上游入流反演模型、河道洪水演進(jìn)等部分組成,將數(shù)學(xué)物理問(wèn)題與洪水預(yù)報(bào)相結(jié)合,分別給出了流域產(chǎn)流、河道匯流和水庫(kù)洪水演算3個(gè)動(dòng)態(tài)分布式預(yù)報(bào)耦合模型,可用來(lái)計(jì)算水文參數(shù)、水文物理變量等隨時(shí)空分布變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,不僅可以用來(lái)分析流域內(nèi)降水徑流演變規(guī)律,而且還可以進(jìn)行洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。最近,有許多研究把分布式模型推廣應(yīng)用到大流域:鄭紅星等應(yīng)用大尺度分布式水文模型SVAT&HYCY對(duì)黃河的主要支流——洛河盧氏以上流域進(jìn)行了實(shí)例研究,模擬流域蒸散發(fā)的空間分布特征以及徑流的形成過(guò)程;楊大文等通過(guò)模擬黃河流域20世紀(jì)80年代10年間的水文循環(huán)過(guò)程,討論其在大流域中的適用性和輔助水資源規(guī)劃及管理的可行性。不過(guò),我國(guó)缺乏有國(guó)際影響力的分布式水文模型,缺乏系統(tǒng)性研究,模型可移植性(或通用性)有待加強(qiáng),應(yīng)用性研究也相對(duì)滯后,水文模型與天氣模式的耦合研究較少。與DHM類似,氣象學(xué)界利用陸面過(guò)程模式初步描述氣象要素(如降水、蒸散發(fā))的時(shí)空變化和流域下墊面條件(如地形、地貌、植被和土壤等)的非均勻性。不過(guò)陸面過(guò)程模式用于模擬大范圍水循環(huán)過(guò)程以及大致描述地氣系統(tǒng)的物質(zhì)、能量交換,目前的許多研究更傾向于用它來(lái)模擬地表對(duì)大氣系統(tǒng)的影響,與流域水文模型之間存在差別。由于尺度存在差異,因此陸面過(guò)程模式描述的地表水文過(guò)程將是大尺度的,也是粗略的,今后的陸面過(guò)程研究將會(huì)更多地吸納DHM的研究成果。3定量估算與洪水預(yù)報(bào)相結(jié)合確切地掌握降水量的空間分布是使用分布式水文模型的重要先決條件。傳統(tǒng)的定點(diǎn)測(cè)雨的雨量站是難以給出復(fù)雜多變的降水空間分布的。測(cè)雨雷達(dá)則不同,它可以直接測(cè)得降水的空間分布,提供流域的面雨量,并具有實(shí)時(shí)跟蹤暴雨中心走向和暴雨空間變化的能力。為了將雷達(dá)測(cè)雨資料用于洪水預(yù)報(bào)預(yù)警,國(guó)外學(xué)者首先開(kāi)展了相關(guān)研究。英國(guó)國(guó)家河流管理局組織了天氣雷達(dá)資料在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作,認(rèn)為雷達(dá)與雨量計(jì)結(jié)合估算降水對(duì)水文預(yù)報(bào)各預(yù)見(jiàn)期表現(xiàn)平均較好,穩(wěn)定地達(dá)到或超過(guò)雨量計(jì)實(shí)測(cè)雨量的結(jié)果,尤其對(duì)小區(qū)域的改進(jìn)更為突出。在大規(guī)模建設(shè)雷達(dá)網(wǎng)的同時(shí),美國(guó)天氣局水文降水分析項(xiàng)目HRAP也開(kāi)始實(shí)施。HRAP項(xiàng)目結(jié)合雨量站探測(cè)資料、衛(wèi)星云圖資料與雷達(dá)測(cè)雨資料,產(chǎn)生用于水文預(yù)報(bào)的最優(yōu)降水估算場(chǎng)。目前,美國(guó)雷達(dá)估算降水并用于水文預(yù)報(bào)的工作達(dá)到了全面業(yè)務(wù)化水平。此外,國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者也開(kāi)始了定量降水估算和洪水預(yù)報(bào)耦合技術(shù)的研究。劉曉陽(yáng)等利用雷達(dá)估測(cè)降水對(duì)史灌河流域進(jìn)行了徑流模擬;任立良等利用雷達(dá)降水資料對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行了模擬研究;李致家等從實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的角度出發(fā),將雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)與水文模型進(jìn)行耦合,對(duì)淮河史灌河流域蔣家集站進(jìn)行洪水預(yù)報(bào);姚燕飛通過(guò)分組優(yōu)化Z—I關(guān)系,對(duì)佛子嶺流域面雨量進(jìn)行了估算,并結(jié)合TOPMODEL模型對(duì)流域徑流進(jìn)行了模擬