基于氣象數值預報的高精度融雪徑流預報技術研究

王冉旋

摘 ? 要：水文預報對于水電企業來說是做好水庫調度工作的關鍵，是進行水調決策的重要依據，高精度的水文預報對于梯級水電站優化調度顯得尤為重要。新疆YLKSH流域處于高寒地區，洪水分為消融型洪水和消融與暴雨疊加的混合型洪水，傳統的水文預報方法已經不能滿足目前流域梯級電站智慧調度的要求，在此背景下開展基于高精度氣象數值預報的融雪徑流預報技術的研究迫在眉睫，針對KSH流域特性和需求，擬定研究內容包括資料收集整理、技術方案研制、預報方案編制和預報系統研制四大部分。

關鍵詞：氣象數值 ?高精度 ?融雪徑流 ?預報技術

中圖分類號：P333.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0021-02

1 ?資料收集整理

1.1 資料收集

融雪徑流預報除所有水文預報必需的水雨情資料外，還需要氣溫、降雨等氣象和積雪信息。KSH流域融雪徑流預報資料內容收集、整理概況為四類。

（1）水雨情信息。

流域測站、傳播時間等的描述性信息，和與預報時段等時長的降水、水位、流量信息。

（2）氣候、氣象信息。

與水雨情資料時間匹配的流域內各站點氣溫資料，時段長與實時預報時段相同;與水雨情資料時間匹配的蒸發資料，時段長可為日。

（3）積雪信息。

與水雨情資料時間匹配的流域內積雪覆蓋面積、深度、密度信息，資料以日為時長。積雪覆蓋面積通常為≤ 500m 的網格信息;深度、密度可為氣象觀測站點信息或更精細的網格信息。

（4）地形、地貌信息。

在流域水文模擬研究中充分考慮地形因素，可以從物理成因機制上更深入地研究水文規律。地貌、土壤信息對流域產流、土壤蓄水、蒸發等眾多水文過程有重要影響，地表覆蓋、土壤信息也是資料收集整理的重要信息。

1.2 資料整理

資料整理內容為將上述資料規范化整理為同一時間序列內，與實時預報同時段類型的數據資料，其中包括數據插補、時段處理、插值、錯誤判別處理等工作。

地形信息需借助 GIS 相關軟件自動計算各網格的水流方向、集水面積，生成水系單元等，并提取流域的邊界、等高線等信息。

土地利用類型信息需提取出各網格的土地覆蓋類型，如森林、草地、農田等。

土壤類型信息需提取各網格的土壤類型信息，如薄層土、粗骨土、沙丘等。

2 ?技術方案研制

KSH流域水源主要是河源區融冰雪水，以及夏季降雨，河道呈現上游相對較陡、中游相對較緩、下游出口次之，整體自然落差大，水流湍急，匯流時間相對短促，各梯級電站間距小，依據KSH流域洪水特性、洪水傳播時間分析，可將流域劃分為3個預報斷面，平均預見期約為15、23、34 h，由此可見通常以日為時段的預報難以滿足上游電站的預報需求，因此在資料條件許可的情況下擬采用3h與日預報兩種方式，并將不同時段的預報相結合，層層設防，逐步校正，提高預報的精度。主要研究技術包括：

（1）數字流域信息提取處理技術。

依據地形信息提取流域的邊界、河長、等高線等，同時依據地貌信息提取流域的植被、土壤等信息;所有數字流域信息需與水文預報單元進行匹配，以滿足水文預報需求。

（2）積雪信息提取處理技術。

積雪覆蓋面積、深度是融雪徑流計算的重要基礎信息，信息的準確度和時空分辨率是影響融雪預報精度的重要因素。氣象部門通常有當地較為精細的積雪覆蓋信息，美國地球觀測系統的 MODIS 數據可作為積雪信息的一種補充。基于可獲取的積雪覆蓋面積、深度、密度的時間、空間尺度進行數字化處理，并與水文預報模型匹配銜接。

（3）數值天氣預報信息提取處理技術。

通過氣象數值預報，與洪水預報模型耦合進行實時洪水預報，可以延長洪水預報的預見期，提高預報精度。

（4）融雪徑流模型技術。

目前通用的融雪徑流模型多為 SRM 模型和新安江改進融雪型模型，模型結構中無融雪深度、密度的計算處理，且當前融雪徑流模型多以日為預報時長。

（5）模型參數校正技術。

任何預報都是存在誤差的，在實時預報中盡量減小誤差是預報的重要環節，它可以減小因預報模型誤差導致的誤差累積，從而保證預報精度。

3 ?預報方案編制

預報方案是指根據預報任務，及時收集降雨、蒸發、水位、溫度、流量、積雪及流域特性等有關資料，根據洪水的形成規律和特點，選擇適當預報模型和根據站點，建立由當前采集的水文信息推算未來洪水大小和出現時間的一整套計算方法。

預報方案編制是水文預報系統研究的重要環節，好的預報方案應充分考慮當前流域特性，利用一切可以獲取的數據源為系統提供高精度、長預見期的預報方案，滿足現場預報需求，并應具備在實時數據獲取和資料積累的基礎上提高預報精度和增長有效預見期的功能。預報方案編制從業務內容上可將其劃分為資料整理復核、預報方案定制、預報方案評定檢驗三個階段，包含業務工作的全部內容。

4 ?預報系統研制

水文預報運行軟件需要以實際需求為導向，滿足輸入、輸出的開放性，設計為界面友好，操作靈活、方便，圖表簡潔、美觀的實用型系統，力求滿足預報的實時性、精度和預見期。

融雪徑流預報涉及到多種類型數據的實時獲取，獲取的數據類型、格式多樣，因此除水文預報運行軟件外還需研制開發不同類型數據的自動定時獲取處理軟件，如數值天氣預報和積雪覆蓋數據自動定時下載處理模塊、水文預報軟件可自動讀取實時遙測的水雨情、氣溫數據等。

5 ?技術難點和創新點

（1）精細時間尺度的融雪徑流預報。

從KSH流域洪水特性和預報斷面需求分析，因預見期限制，以日為時段的融雪徑流預報難以反映上游電站實際洪水過程，因此需要根據可獲取資料條件研發適宜流域預見期的更精細化的預報模型，如何在有限資料條件下開展 3h和日預報是項目研究的一個難點。

（2）結合雪深的改進型融雪徑流模型。

當前的融雪徑流模型均基于氣溫和積雪覆蓋面積進行融雪徑流計算，未考慮積雪深度，如何在原模型的基礎上完成改造，增加雪深對融雪徑流的作用，達到較好的預報效果是一個創新點。

（3）積雪信息時空尺度匹配和數據校正。

MODIS 獲取的積雪覆蓋信息有兩種時段：1日和8日。1日積雪產品中包含了大量受云覆蓋影響的圖像，因云的遮蔽，使積雪面積減小，8日積雪數據則相對準確，通常采用 8 日數據，1日數據作為參考。但8日時間尺度與 3h、日的水文預報時間尺度差別較大，需著重研究如何利用各類地形、地貌、水文、氣象信息降低時間尺度，使得積雪信息與水文預報時間尺度匹配并校正以減小誤差。

（4）不同時段預報方案的結合。

位于KSH流域中游河段的JY水電站為不完全多年調節電站，中長期徑流預報對于該電站的指導意義比較重要，在模型中增加中長期氣象數值預報與水文預報的耦合，隨著氣象數值預報技術的發展，中長期水文預報精度將大幅提高。中長期、日和3h 為三種預報方案，模型的參數、方案配置均不同，結果也必定存在差別，如何將三種方案結合是研究的重點。

（5）實時校正參數模型研制。

通過目前大數據云計算技術，利用歷次預報結果與實際數據對比，自動分析偏差原因，對預報模型的參數、狀態變量、輸入向量或預報值進行某種修正，以達到實時自動校正的目的。

6 ?結語

本文主要根據融雪徑流模型的研究現狀，結合KSH流域特性，在水文預報模型方面進行的創新性的研究和探索，對于高寒地區的融雪徑流預報研究有很好的指導和借鑒意義。

參考文獻

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