長江流域氣象－水文暴雨洪澇預警技術系統研究

崔春光，趙玉春，彭 濤，王 斌，李 俊，萬 蓉

(暴雨監測預警湖北省重點實驗室，中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430074)

1 前言

長江流域是我國暴雨洪澇災害最為頻發、多發的地區之一，每年汛期(尤其是梅雨期)大范圍暴雨引發的洪澇災害給該流域經濟社會發展和人民生命財產安全帶來了嚴重的損失和威脅。據國家民政部門不完全統計，近10年來我國大陸平均每年因洪澇災害造成的糧食損失約200億kg，經濟損失近2000億元，由氣象災害造成的國民經濟損失約占國民經濟生產總值的3%～6%。長江流域經濟較為發達的地區損失尤為嚴重，如1991年夏季，江淮地區持續性洪澇給國家造成的經濟損失高達上千億元;1998年長江流域特大洪澇災害造成的直接經濟損失超過1600億元，死亡人數超過3000人;2003年江淮流域發生的嚴重洪澇災害，蘇皖兩省受災人口達4803.5萬;2006年深入內陸的“碧利斯”強臺風在湖南、江西形成特大暴雨，造成成百上千人的死亡，經濟損失慘重;2010年7月，長江漢江上游普降暴雨，長江、漢江兩大洪峰幾乎同步到達湖北境內，境內5大湖泊、1125座水庫水位全線突破汛限水位，4000多條山丘河溪暴發山洪，7條主要中小河流全線超設防。另外，由于該流域地形地貌復雜，局地短歷時強降水過程頻發，如2010年8月7日，嘉陵江上游舟曲強降水過程引發的特大泥石流災害，造成了上千人死亡。因此，預防和減輕長江流域暴雨洪澇災害損失是我國防災減災中的重要內容，提高長江流域致洪暴雨及其引發的洪澇災害的監測與預報水平，對增強我國防災減災的總體能力，確保我國在21世紀國民經濟得到可持續發展具有極為重要的意義，是國家的重大戰略需求。

2 現狀和問題

隨著大氣探測手段、能力和方法的改進以及大規模計算技術的快速發展，國際上先后開展了一系列野外觀測科學試驗，如世界氣象組織的“觀測系統研究與可預報性試驗(THORPEX)”、美國以改進暖季定量降水預報為目的的“天氣研究計劃(USWRP)”[1]、“加州登陸急流計劃(CALJET)”[2]和“微物理參數化改進的野外觀測驗證試驗(IMPROVE)”[3]以及歐美各國聯合實施的“對流和地形引發的降水研究(COPS)”[4]等。這些野外加密觀測試驗對揭示新的暴雨中尺度觀測事實和深入認識暴雨形成機理起到了極大的作用，不僅認識到中尺度對流系統(MCS)在暴雨形成中的重要性，而且對MCS的形成機制進行了深入研究，提出了中尺度對流系統的形成機制，如地面冷丘機制、對流加熱耦合的重力波機制等。同時，發現MCS的移動快慢是影響局地降水累積的一個關鍵因子，并提出了解釋MCS傳播的幾種物理機制，如經典的“引導層”概念，MCS的“冷丘機制”傳播[5]以及重力波引起的MCS不連續傳播[6]等。另外，這些野外加密觀測試驗還促進了數值預報模式物理過程的改進，如降水的云微物理過程[7]、大氣邊界層過程[8]以及陸面過程[9]等，也促進了降水數值預報的研發，如美國發展了先進的區域預報系統(ARPS)[10]、第五代中尺度數值模式(MM5)[11]、區域大氣模式(RAMS)[12]、海洋大氣耦合中尺度模式(COAMPS)[13]、天氣研究和預報模式(WRF)[14]等多個先進的中尺度數值預報模式;英國建立了中尺度業務模式(UKMO)[15];法國開發了非靜力模式(MESO-NH)[16];日本研制了區域譜模式(JRSM)[17]等。

20世紀七八十年代以來，為了深入認識長江流域暴雨系統的形成機理，提高暴雨數值預報的業務水平，國內也開展了多次暴雨野外觀測試驗，如青藏高原大氣科學試驗[18]、“連續兩個‘973’長江中下游暴雨外場觀測試驗”[19]等，獲取了大量的野外觀測數據，極大地推動了長江流域暴雨中尺度研究和預報，在天氣氣候觀測分析和數值模擬[20]、暴雨形成機理[21]和暴雨數值預報[22]等方面開展了大量研究，取得了豐富的研究成果，并逐漸認識到青藏高原大地形和東亞季風影響下長江流域梅雨鋒暴雨系統的特殊性和復雜性。同時，通過野外試驗、觀測和理論研究以及數值試驗，建立了我國具有自主知識產權的區域中尺度數值預報模式系統，如暴雨數值預報模式系統(AREMS)[23]、全球區域同化預報系統(GRAPES)[24]等，在該流域暴雨業務預報中起到了極為重要的作用。

為了預報長江流域暴雨洪澇，我國水文預報人員早先通過降雨徑流經驗相關圖、單位線法來預報流域產匯流，并利用上下游相應關系及馬斯京根河道流量演算法等來開展洪水預報。20世紀90年代后，隨著地理信息系統(GIS)軟件的迅速發展，基于數字高程模型(DEM)先后建立了分布式流域水文物理模型[25]和數字水文模型來模擬小流域的降雨徑流時空變化過程[26]，并把分布式模型推廣應用到大流域[27]。近年來，國內學者開始了定量降水估算和洪水預報耦合技術的探討[28]，利用雷達估測降雨，與分布式水文模型相匹配，較好地發揮了二者在表現降雨空間分布變化方面的優勢[29]，并進一步通過耦合氣象預報模式和分布式水文模型構建了長江支流水文氣象耦合模型，提高了洪水預報精度[30]。

但是，長江流域地域遼闊，地形地貌極為復雜，不僅受到青藏高原大地形的影響，還受到云貴高原、武陵山脈、大巴山等其他高大地形以及復雜中小尺度地形的影響，加之長江流域復雜地形影響和不同尺度相互作用，暴雨的形成機理極為復雜。長江上游與中下游的天氣氣候特點存在著顯著差異，不僅暴雨天氣系統的結構不同，而且引發暴雨的中尺度對流系統還存在著多種組織類型，尤其是未受“973”項目關注的長江上游流域，往往是影響長江中下游的暴雨天氣系統如高原渦、西南渦的生成源地，缺乏有組織、系統的全方位野外觀測試驗和研究，尚未建立該區域暴雨中尺度對流系統的啟動、組織和發展及其引發暴雨的物理圖像。已有的外場加密觀測試驗未能獲得清晰反映暴雨β中尺度對流系統三維動力熱力結構、云微物理結構以及用于診斷分析其發生發展物理機制的加密觀測資料。同時，觀測試驗沒有針對暴雨數值模式預報最佳敏感區域進行觀測設計，更沒有針對區域暴雨數值預報模式物理過程方案的研發進行有針對性的觀測設計和野外科學試驗，這在很大程度上制約了我國科學家在長江流域暴雨中尺度對流系統發生發展機理的認識上走向深入，同時也限制了區域暴雨數值模式預報水平的提高。

目前，長江流域暴雨預報和洪澇災害預警的能力和水平仍不能滿足精細化預報業務發展的需求，主要由以下幾方面的原因造成。

1)突發性是長江流域強降水的特點之一，過去由于測站稀疏和資料分析時空精度不夠，對復雜地形和地理環境下(特別是長江上游地區)局地突發性強降水的研究是一個薄弱環節。

2)持續性是長江流域強暴雨的另一個重要特點[31]，涉及能量頻散和慣性重力波的上下游傳播、尺度相互作用和暴雨系統的自組織，這一特征在長江梅雨鋒暴雨帶表現十分明顯，但目前認識還非常有限，長江上、中、下游暴雨的相互聯系和中尺度系統的結構差異也有待進一步探討。

3)足以反映暴雨β甚至γ中尺度對流系統三維動力熱力結構、云微物理結構的高時空分辨率資料獲取的長江中上游暴雨野外觀測試驗有待科學地設計、規劃和布局。

4)現有的資料同化技術還不能很好地融合不同探測手段獲取的高時空分辨率資料，如衛星遙感、雷達探測、GPS水汽、風廓線儀、微波輻射計以及地面加密自動站觀測資料等，尤其是衛星、雷達等高分辨率的遙感資料尚未得到有效的融合和同化，目前尚未建立一套有效的高時空分辨率觀測資料的融合同化系統和中尺度分析平臺，形成合理的、包含云信息的區域中尺度分析場。

5)目前高分辨的非靜力暴雨預報模式不能很好地模擬長江流域對流降水的啟動和日變化特征，對長江流域獨特的層狀云大值區的預報模擬能力也很弱(見圖1)，因此針對東亞季風天氣氣候特點和青藏高原大地形影響下的模式物理過程如云微物理過程和邊界層過程有待進一步發展和完善。暴雨預報的不確定性研究也有待充分展開。

圖1 全球層狀云的分布特征[32] Fig.1 The distribution of global stratus[32]

6)氣象水文耦合中基于雷達衛星估測降雨、模式定量降水預報的流域洪水預報關鍵技術還有待深入研究。

3 對策

3.1 科學設計和開展暴雨野外觀測試驗

為了深入認識長江流域暴雨形成機理，提高暴雨數值預報準確率，有必要充分利用我國氣象業務觀測網和重點區域中尺度觀測網，開展暴雨野外加密觀測科學試驗和研究，尤其是青藏高原東側及其下游關鍵區大氣邊界層科學試驗、沿梅雨鋒切變線、低空急流帶、水汽輸送帶剖面觀測和深入內陸的臺風暴雨系統野外科學觀測，一方面為高原低值系統、梅雨鋒暴雨中尺度系統和深入內陸的臺風暴雨系統的三維結構及發生發展機理等研究提供高時空的野外加密觀測資料，另一方面為中尺度數值模式邊界層和云微物理過程方案的改進和發展、暴雨數值預報關鍵敏感區研究提供可靠的試驗資料，重點設計和開展的觀測試驗如下(見圖2)。

圖2 長江中上游暴雨系統綜合觀測布局圖Fig.2 The synthetically observational map for heavy rain systems in the upper-middle valleys of Yangtze River

1)針對常規觀測網和長江中下游暴雨研究基地的加密觀測資料，開展觀測系統敏感性試驗，并利用奇異矢量方法或者敏感梯度方法，開展目標觀測，以改進梅雨鋒暴雨的預報。

2)針對青藏高原低值系統東移路徑上的大氣邊界層開展觀測以及對沿梅雨鋒切變線、低空急流帶、水汽輸送帶剖面進行觀測，用于暴雨機理分析和模式邊界層參數化方案的改進研究。

3)選擇野外科學觀測的試驗區，合理布局現有業務觀測網和移動觀測設備，對深入內陸的臺風暴雨系統風場、水汽場、降水場、云和降水粒子相態分布進行觀測。觀測方式采用立體同步跟蹤式(見圖3)，以現有各種固定觀測站的時間加密觀測為基礎，再靈活布設移動雙偏振多普勒雷達、飛機下投式探空、可移式風廓線雷達、移動GPS探空等設備，進行空間加密觀測，追蹤暴雨系統從發生、發展到成熟和消散的完整過程，獲取反應降水云微物理結構和對流暴雨系統水汽、動力和熱力結構特征的高時空分辨率資料。

圖3 長江中上游暴雨系統多途徑立體同步觀測試驗示意圖Fig.3 The schematic diagram of multiple-equipment，synchronous and spatial observation experiment for heavy rain systems in the upper-middle valleys of Yangtze River

3.2 深入認識長江流域暴雨形成機理

利用外場加密觀測資料，重點揭示長江流域暴雨中尺度對流系統的組織結構類型以及梅雨鋒上引發暴雨的β甚至γ中尺度對流系統的三維結構特征，深入認識復雜地形、大氣日變化、水汽輸送、對流擾動和慣性重力波等在暴雨中尺度對流系統啟動、組織和發展中的作用。揭示長江流域上游與中下游暴雨天氣系統結構和形成機理的異同。建立長江流域暴雨中尺度對流系統的三維結構模型和發生發展的物理模型，為該流域暴雨預報提供科學依據，重點在以下幾個方面開展研究。

1)暴雨中尺度對流系統的組織類型及三維結構模型。

2)暴雨中尺度對流系統的尺度相互作用與尺度選擇機制。

3)大氣日變化、對流擾動以及復雜地形對暴雨中尺度對流系統發生發展影響的物理機制。

4)長江流域梅雨鋒上暴雨對流云團“上下游效應”的物理機制。

5)長江上游與中下游暴雨天氣系統結構異同，以及暴雨中尺度對流系統發生發展的環境場特征和形成機理上的異同。

3.3 大力開展暴雨數值預報核心技術的研發

對制約區域暴雨數值模式降水預報能力提高的瓶頸問題開展研究，重點提高多源觀測資料的融合和同化能力，開展云分析技術研究，建立3～5 km分辨率的快速更新的中尺度再分析系統，發展分辨率小于5 km的非靜力暴雨數值預報模式，研發適合我國區域特色的暴雨數值預報模式的邊界層和云微物理過程方案。在此基礎上，發展快速分析循環預報技術和集合預報技術，進一步提高降水預報能力，重點突破如下關鍵技術。

1)多源觀測資料融合與同化技術研究，建立具有云分析功能的中尺度再分析系統。

2)發展我國自主研發的AREMS的非靜力動力框架。

3)研發能充分刻畫我國復雜地形和云降水特征的物理過程方案，如云輻射方案、降水微物理方案、行星邊界層方案及陸面方案等。

4)發展快速分析循環預報技術，實現暴雨數值模式的逐時更新預報。

5)開展物理參數擾動和初值擾動相結合的短期降水集合預報技術及集合預報系統研究。

3.4 研發長江流域水文氣象耦合模式

目前定量降水估算(QPE)與定量降水預報(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試驗，結果表明在洪水預報中充分考慮預見期可顯著提高洪水預報精度(見圖4)[30]。實踐中，采用氣象與水文學科交叉的方式，聯合水利部門和相關院校，開展了QPE、QPF與洪水預報耦合的關鍵技術研究(見圖5)，發展一套氣象要素降尺度方法，逐步縮小兩者在時空尺度上的差異，構建以確定性水文試驗預報誤差分析為基礎的概率水文預報方法，提高水文預報結果的可靠性，開發面向長江中上游地區重點流域的實時水文氣象預警預報系統，重點解決如下關鍵科學技術問題。

1)研發長江流域實時水文預報的分布式、概念性水文模型。

2)大力發展水文氣象耦合關鍵技術，突破制約水文氣象耦合模式預警能力提高的瓶頸障礙。

3)基于貝葉斯理論概率預報理論，構建水文概率方法，利用歷史資料對概率洪水預報模型參數進行優選，并以數值模式集合降雨預報產品為基礎，建立水文集合預報方法。

4)利用長江流域基礎地理、氣象、水文監測信息，提取和轉化長江流域QPE、QPF、實況監測等氣象要素實時產品信息，構建長江流域水文預報模型。

4 結語

利用現有的氣象業務觀測網、加密氣象觀測網以及移動探測設備，在長江流域尤其是長江中上游進行加密觀測設計，獲取暴雨β甚至γ中尺度對流系統高時空分辨率的三維加密觀測資料;深入認識青藏高原大地形和東亞季風影響下的暴雨中尺度對流系統的三維組織結構特征及其發生發展機理，在此基礎上搭建高時空分辨率觀測資料的融合同化系統和中尺度分析平臺;開展云分析技術研究，發展高分辨率非靜力的數值模式系統，研發適合我國區域特色的數值預報模式的邊界層和云微物理過程方案;開展水文氣象耦合的關鍵技術研究，研制一套氣象要素降尺度方法，開辟一條在流域水文預報中充分利用氣象信息的途徑;建立適合氣象業務發展的流域實時水文氣象預警預報系統，最終建成一套完整的長江流域暴雨洪澇災害監測預警預報系統。這些工作對提高長江流域暴雨預報準確率和洪澇災害預警水平，為國家防災減災決策提供科學依據有著極為重要的科學和實用價值。

圖4 定量降水預報與水文模型耦合的洪水預報Fig.4 Flood forecasts based on the coupling of QPF and hydrological model

圖5 水文氣象耦合流程圖Fig.5 Flow chart for the coupling of hydrology and meteorology

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