基于降水集合預報模式的遼西山洪預警技術研究

劉瑛楠

(遼寧省沈陽水文局，沈陽 110043)

0 前 言

由于山洪受暴雨洪水影響，洪水陡漲陡落，使得山洪災害防御十分困難[1]。山洪預警是山洪災害防御的重要措施。近些年來，采用降水預報模式是提前進行山洪預警的重要方法，為此不同降水預報模式也逐步得到研究[2-8]，但一些研究成果表明，單一降水集合預報模式在大雨量級下的預報精度不高，使得單一降水預報模式在一些區域山洪預警的合格率不高[9]。因此需要對不同單一降水預報模式進行集合分析，提高降水預報模式對于大雨預報的精度[10]。當前，降水集合預報模式已經在一些區域的山洪預警中得到應用[11-14]，具有一定的預警效果，但在遼西地區還未得到相關應用，遼西地區主要為山丘區，區域在夏季發生山洪的可能性較高，亟需對區域山洪預警進行研究，從而保障區域突發性山洪的有效防御。為此文章結合降水集合預報方法，對遼西地區山洪預警技術進行研究。研究成果對于遼西地區山洪災害防御具有參考價值。

1 預警方法

文章結合降水集合預報成果，作為水文模型的輸入，對區域山洪流量進行預報，結合預報流量成果對區域山洪進行可能預報研究，考慮到遼西地區屬于典型的干旱半干旱區，選用垂向混合產流模型作為區域山洪預警的預報模型，模型產流系數計算方程為：

(1)

式中：α為產流系數；FA為下滲水量，mm；Wmm為蓄水量最大值，mm，模型土壤水下滲曲線方程為：

(2)

(3)

RS=PE-FA

(4)

式中：FM為產流量，mm；FC為下滲速率，mm/s；WM為蓄水容量流域均值，mm；W為前期影響雨量，mm；KF為滲透系數；BF為蓄水空間分布系數；PE為降雨減去蒸發的水量，mm；RS為地表產流量，mm。

2 模型應用

2.1 區域概況

文章以遼西大凌河流域為研究區域，區域屬于典型干旱半干旱區，降水量主要集中在7-8月，多年平均降水量約為600mm，大部分山丘區山洪漲水到落水的歷時均較短，平均在2-3h之內，近些年來，受極端氣候變化影響，據統計區域發生中型山洪的次數呈現明顯遞增變化。為此文章結合降水結合預報成果，以垂向混合產流模型作為區域山洪預報模型，探討降水集合預報方法在區域山洪預警的適用性以及預警合格率。

2.2 預報模型構建

對遼西地區山洪預警模型進行主要參數設置，在完成模型參數設置后實現對預警模型的構建，研究主要預警參數的物理意義以及主要參數值，預警參數值，見表1。

2.3 預報模型精度分析

在山洪預報模型構建的基礎上，選取流域內典型山洪場次洪水進行預報模型精度分析，主要分析兩個時段，時段長為1h的預報模型精度評價結果，見表2；時段長為3h的預報模型精度評價結果，見表3。

表1 預警參數值

表2 時段長為1h的預報模型精度評價結果

表3 時段長為3h的預報模型精度評價結果

從預報精度評價結果可看出，垂向混合產流模型在遼西大凌河流域各場次山洪具有較好的預報精度，預報的洪峰誤差總體<±25%，不同時段的山洪模擬合格率>60%，具有一定的預報精度。降雨時段越短其預報合格率越低，這主要是因為預報時段越短，其降水影響越大，使得預報模型精度有所降低。因此在遼西地區山洪預警時，建議將預警時段控制在2h以上，從而可影響的提高山洪預警的合格率。

2.4 預警合格率分析

在預報模型精度評價的基礎行，對各典型場次山洪預警的指標進行分析和檢驗，1h預警指標分析，見表4；3h預警指標分析，見表5。

從分析結果可看出，相比于傳統山洪預警方法，文章提出的基于降水集合預報模式的山洪預警技術在研究區域山洪預警的合格率平均可提升約10%。傳統山洪預警方法由于只考慮單一降雨預報模式，在大雨或者暴雨預報精度要低于降水集合預報的精度，因此其預警合格率要低于采用降水集合預報模式的山洪預警。此外從對比分析結果還可看出，文章山洪預警技術相比于傳統山洪預警技術，在1h時段的預警合格率也較高。

2.5 修正后預警合格率分析

考慮到降水集合預報方法在大雨及暴雨精度不高的問題，文章基于卡爾曼濾波方法對降水預報集合模式進行修正，并結合2018年以及2017年研究區域兩場洪水進行降水集合預報模式修正前后的山洪預警效果的對比，修正前后“20180723”預警效果對比，見表6；修正前后“20190712”預警效果對比，見表7。

從兩場山洪預警效果可看出，采用卡爾曼濾波進行降水集合預報模式修正后的其山洪預警和實際預警的吻合度相比于修正前平均可提高約10%，這主要是因為修正后的降水集合預報模式提高了其在大雨及暴雨量級下的降雨預報精度，從而提高了其山洪預警的準確度。此外卡爾曼濾波方法可對傳統降水集合預報模式進行修正處理，降低了其在大雨及暴雨量級下的預報精度。因此在遼西地區山洪預警時，建議采用卡爾曼濾波對其降雨集合預報進行修正，從而提高降水集合預報的山洪預警精度。

表4 1h預警指標分析

表5 3h預警指標分析

表6 修正前后“20180723”預警效果對比

表7 修正前后“20190712”預警效果對比

3 結 論

1)降雨時段越短其預報合格率越低，這主要是因為預報時段越短，其降水影響越大，使得預報模型精度有所降低。因此在遼西地區山洪預警時，建議將預警時段控制在2h以上，從而可影響的提高山洪預警的合格率。

2)相比于傳統考慮單一降水預報模式的山洪預警方法，文章提出的基于降水集合預報模式的山洪預警技術在研究區域山洪預警的合格率平均可提升10%左右。

3)采用卡爾曼濾波進行降水集合預報模式修正后的其山洪預警和實際預警的吻合度相比于修正前平均可提高約10%，這主要是因為修正后的降水集合預報模式提高了其在大雨及暴雨量級下的降雨預報精度，從而提高了其山洪預警的準確度。