淺談集合數(shù)值預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展

秦寧+李婷

摘 要：溫室效應(yīng)已成為世界關(guān)注的環(huán)境問題，氣候變暖與人類活動(dòng)的加劇，加快了冰川的融化速度，導(dǎo)致洪水災(zāi)害的發(fā)生越來越頻繁。集合數(shù)值預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，能夠有利于提高洪水預(yù)警水平，降低洪水災(zāi)害對(duì)社會(huì)的危害。基于此，文章主要對(duì)集合數(shù)值預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，并對(duì)其在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：洪水預(yù)報(bào)；集合數(shù)值預(yù)報(bào)；應(yīng)用

引言

洪澇災(zāi)害和干旱缺水嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，合理利用洪水資源，在保證防洪安全的前提下，將洪水轉(zhuǎn)化為可利用的資源，減少洪澇災(zāi)害與干旱災(zāi)害的損失勢(shì)在必行。洪水預(yù)報(bào)是重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)為防洪調(diào)度和抗洪減災(zāi)提供了科學(xué)可靠的依據(jù)。因此，在洪水預(yù)報(bào)中，相關(guān)人員應(yīng)注重集合數(shù)值預(yù)報(bào)在其中的應(yīng)用效果，為防洪減災(zāi)工作的開展提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1集合數(shù)值預(yù)報(bào)概述

1.1集合數(shù)值預(yù)報(bào)方法

以集合數(shù)值為基礎(chǔ)建立起的洪水預(yù)防方法可分為三大類：河道洪水演進(jìn)法、降雨徑流預(yù)報(bào)法和氣象-水文方法。

第一，河道洪水演進(jìn)法。是根據(jù)河道上斷面入流過程預(yù)報(bào)下游斷面洪水出流過程的方法，該方法的理論基礎(chǔ)是非恒定流水力學(xué)，理論公式是由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成的明渠一維漸變非恒定流方程組，即圣維南方程組。

第二，降雨徑流預(yù)報(bào)法。該方法是根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)測(cè)到的流域降雨和徑流資料，按徑流形成原理制作產(chǎn)匯流計(jì)算方案，由實(shí)測(cè)降雨預(yù)報(bào)流域斷面出口的洪水過程。降雨徑流預(yù)報(bào)法就是采用流域?qū)崪y(cè)降雨，依據(jù)產(chǎn)流理論建立流域水文模型，預(yù)報(bào)流域出口斷面洪水過程的方法。

第三，氣象-水文法。該方法是氣象和水文相結(jié)合的方法，是在降雨徑流預(yù)報(bào)法的基礎(chǔ)上，引入預(yù)報(bào)降水進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的方法。其技術(shù)路線如圖1所示：

1.2水文預(yù)報(bào)的不確定性分析

水文預(yù)報(bào)不確定性的來源主要包括：氣象外力場(chǎng)（降雨、溫度、風(fēng)速、濕度、氣壓、太陽輻射等）、初始條件和邊界條件（下墊面條件，如積雪量、土壤濕度、湖泊高度等）、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)誤差（方程、網(wǎng)格尺度、參數(shù)等）、模型輸出（模擬徑流量等）和模型資料（觀測(cè)徑流量等）等。因此，氣象預(yù)報(bào)中的不確定性只代表水文預(yù)報(bào)不確定性的一個(gè)部分。洪水預(yù)報(bào)用戶需要對(duì)洪水預(yù)報(bào)的不確定性估計(jì)，不僅是一個(gè)最大概率的近似估計(jì)，而且是一個(gè)能夠?qū)樗A(yù)報(bào)不確定性各種可能的定量估計(jì)。

1.3集合數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用的必要性

隨著世界科學(xué)技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)文化水平的不斷發(fā)展，一些技術(shù)研發(fā)成果的應(yīng)用也是越來越普遍、越來越專業(yè)。以洪水預(yù)報(bào)為例，集合數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用與發(fā)展，提高了洪水防災(zāi)效果。因?yàn)椋樗A(yù)報(bào)需要降水輸入，洪水預(yù)報(bào)的降水初始值若僅僅來自地面觀測(cè)網(wǎng)和雷達(dá)反演降水，特別是在預(yù)報(bào)較大洪水的上游沒有數(shù)據(jù)提供或觀測(cè)儀器出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)傳輸失敗的情況下，會(huì)大大影響洪水的預(yù)報(bào)時(shí)效，尤其對(duì)2-15天以上的預(yù)報(bào)必須使用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。據(jù)相關(guān)研究表明：引入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的洪水預(yù)警能夠?qū)㈩A(yù)報(bào)時(shí)效從幾小時(shí)延長(zhǎng)到幾天，但單值的數(shù)值預(yù)報(bào)不足以將其預(yù)報(bào)內(nèi)在的不確定性定量表達(dá)出來，由一個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成的降水預(yù)報(bào)用于流域的洪水預(yù)報(bào)時(shí)，可以改進(jìn)預(yù)報(bào)效果，而且可以將有些不確定性定量化。

2集合數(shù)值預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用概況

2.1集合數(shù)值預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在水文集合預(yù)報(bào)研究和業(yè)務(wù)領(lǐng)域，氣象集合預(yù)報(bào)的應(yīng)用價(jià)值越來越受到重視。集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以給出氣象預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)的不確定性，延長(zhǎng)水文預(yù)報(bào)預(yù)見期，定量分析氣象水文預(yù)報(bào)要素的可預(yù)報(bào)性。圖1是借助TIGGE歸檔資料，應(yīng)用NMC、NCEP和ECMWF的集合預(yù)報(bào)以及3個(gè)預(yù)報(bào)中心的大集合預(yù)報(bào)降水量驅(qū)動(dòng)洪水預(yù)報(bào)模型得到王家壩站的流量集合預(yù)報(bào)：

由圖1可以看出，由于集合預(yù)報(bào)是多個(gè)成員的預(yù)報(bào)，因此，集合預(yù)報(bào)成員可以捕捉導(dǎo)致洪水發(fā)生的可能性，集合預(yù)報(bào)可以降低空?qǐng)?bào)、漏報(bào)的可能性。

2.2在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

作為預(yù)防洪澇災(zāi)害中的一項(xiàng)重要的措施，實(shí)效較長(zhǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果可以為救災(zāi)、防災(zāi)工作的順利進(jìn)行提供充足的時(shí)間。通過相關(guān)研究分析表明：集合數(shù)值預(yù)報(bào)工作在洪水預(yù)報(bào)中的有效應(yīng)用，能夠極大地延長(zhǎng)預(yù)報(bào)的實(shí)效。即在應(yīng)用了數(shù)值預(yù)報(bào)方式后，實(shí)際的洪水預(yù)報(bào)時(shí)間可以被延長(zhǎng)到五到六天的時(shí)間，對(duì)比之前洪水預(yù)報(bào)只能夠保持兩到三天的預(yù)防效果，其對(duì)于延長(zhǎng)預(yù)防實(shí)效性具有十分重要的作用。此外，由于集合預(yù)報(bào)具有一定的預(yù)報(bào)技巧，所以，其不僅可以延長(zhǎng)預(yù)報(bào)實(shí)效，還可以提升預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3在中小尺度流域中的應(yīng)用

在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用流域分布模型和集合預(yù)報(bào)這兩種方式，可以有效提升供水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

第一，在大尺度的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，通過結(jié)合中期天氣預(yù)報(bào)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、5km格點(diǎn)分辨率、50m格點(diǎn)分辨率，分析得出：大部分集合預(yù)報(bào)中都存在著低估何流量的情況，但其總體的預(yù)報(bào)結(jié)果卻比較理想。

第二，在利用歐洲兩個(gè)區(qū)域模型和ECMWF集合數(shù)值預(yù)報(bào)，對(duì)某河TOPKAPMO模型中的1km格點(diǎn)分辨率進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)結(jié)果表明：定量降水預(yù)報(bào)方式得到的結(jié)果具有一定的不準(zhǔn)確性，存在預(yù)報(bào)量級(jí)和預(yù)報(bào)時(shí)間偏低的情況。與此同時(shí)，ECMWF集合預(yù)報(bào)方法開發(fā)出的分布式降水徑流模型，一般都會(huì)使用動(dòng)力降尺度這一技術(shù)來降低2km格點(diǎn)分辨率，在應(yīng)用的過程中，預(yù)報(bào)人員主要是通過先糾正空間偏差，而后再調(diào)整時(shí)間分辨率，該應(yīng)用方式也在一定程度上證明了在洪水預(yù)報(bào)工作中應(yīng)用集合預(yù)報(bào)所存在的潛在價(jià)值。

結(jié)束語

綜上所述，在洪水預(yù)報(bào)中，集合數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用，能夠提高洪水預(yù)報(bào)工作水平，為洪災(zāi)防護(hù)工作的開展提供了數(shù)據(jù)支持。因此，相關(guān)人員應(yīng)注重集合數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用，做好相關(guān)地區(qū)早期洪水預(yù)報(bào)，為洪水預(yù)報(bào)工作的提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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