氣象在水利山洪災害預防中的作用

張晨陽，任慧芳，袁甲坤，劉方

1.內蒙古自治區大氣探測技術保障中心；2.土默特左旗氣象局

山洪災害覆蓋面大、破壞性強、防治難度大，是當前我國防洪減災的突出薄弱環節。之所以實施防范如此困難，是因為山洪災害具有突發性和快速性，而大部分災害主要是由于預警系統的缺失造成的，因此可以延遲預測時間，為應對山洪災害的預防和管理創造必要的決策時間和機會，有著特殊而重大的意義。當前在我國山洪預警工作當中仍以監測預警為主，即采用實時雨量的監測，對超出預警指標的城鎮及相關人員預警發出信號。但由于監測預警預報周期短，在一定程度上也給山洪災害的預防造成了障礙[1]。因此，如何延長山洪預警周期，提高山洪預警的準確性，成為山洪災害防治的關鍵。水文耦合預測科學技術是回答這個問題最科學的方法。一方面，通過水文建模實現黃河流域的防洪預警，已通過流域匯流時間綜合處理上游流域暴雨和下游流域災害的監測預警問題，再將預測降雨量作為防洪預警水文模型的有效輸入，延長預警周期，實現基于防洪的預報預警；另一方面，可以通過水文模型動態測量臨界降水量，并與預測降水量值進行對比，判斷預警級別，從而實現基于降水量的預測預警[2]。

一、我國區域暴雨主要特征

降雨是我國水文資料環流中主要發展過程之一，在我國大氣環境中可分為水汽從地面或地物垂直向低空移動的水凝聚物和水汽從高空向地面移動的水凝聚物兩種類型。降雨是指在一定的特定時間內，從空中向地面移動的雨水，在一定的水平上形成一定的集中深度，不會出現揮發、侵蝕、流失等問題；而降水只是指與后者方向不同的可以垂直管理的降水。暴雨是指短時間內發生的大范圍降雨，可以是5分鐘、10分鐘以上、1小時甚至24小時。以1971年7月1日山西省太原市梅洞溝53.1毫米的降雨為例，以1967年10月17日24時中國臺灣省李心寮1672.0毫米的降雨為例。降水分類（GBU002FT28592—2012）和中央氣象臺劃分了不同時段的降水等級（表1）。但鑒于我國幅員遼闊，南北、海陸氣候變化差異較大，降水強度差異較大，暴雨標準不能同時討論。比如新疆農村地區，24小時暴雨的標準為24.1-48.0毫米。另外，對于相同的降水量，在較短的時間內下降更容易導致災害或更嚴重的災害，要特別注意“短時暴雨預報（中央氣象臺業務規程規定1小時降水量≥20毫米）”。

表1 不同時段降雨量等級劃分表

一年中我國每個月都會出現暴雨、大暴雨，其中大部分都集中在暖季，和大氣環流的季節變化、季風系統的影響有關。華南第一個汛期的暴雨一般集中在4-6月份，暴雨多并且發生在副熱帶高壓北部的西風帶。同時在5月中旬以前，暴雨帶在華南北部，大部分為北方冷空氣入侵造成的鋒面降雨。在5月中旬以后，受東亞季風氣候影響，暴雨帶逐漸向華南及沿海地區移動，地面雨量持續增多，但大部分暴雨降落在冷鋒型前的暖區。在6-7月，由于西太平洋副熱帶高壓第一次季節性向北抬升，我國強氣候雨帶將逐漸進行北移進入我國長江中下游地區，在這期間持續的陰雨天氣也被稱為“梅雨”。對流層中低層維持一條較高的江淮切變線，并保持地面準靜止鋒（又稱梅雨鋒）。暴雨多發生在梅雨期，是我國夏季最主要的暴雨災害。大部分時間，是從7月下旬到8月上旬，副熱帶高壓第二次向北跳躍時，華北和東北地區進入重要的雨季。

我國城市暴雨，尤其是暴雨極值的劃分，與我國的地質環境密切相關，多發生在我國山區迎風坡，以及平坦山區與河谷的過渡地帶[2]。比如華南極端暴雨一般出現在石灣山、云開山、南嶺山脈的迎風坡；海南島極端暴雨一般出現在五指山的迎風坡，中國臺灣省極端暴雨值一般出現在其中東部丘陵的迎風坡。東南沿海的極端降雨值一般分布在東南丘陵和武夷山的迎風坡。華北暴雨極值也與區域氣候密切相關。暴雨一般發生在華北平原與周邊山區的過渡地帶。而我國西南地區極端暴雨多發生在青藏高原東部地形梯度區、秦巴山區南部和大廟嶺地區。

林建[3]等人分析了1981-2010年中國暴雨日數的分布特征。我國暴雨日數自東南向西逐漸減少，淮河流域地區，包括中國南方大部分地區、四川省東部和重慶市，通常持續3天以上。包括中國南方大部分地區和江西，廣西防城港，廣東陽江上川島、海豐市、陸豐市，海南島東南部瓊中至萬寧，每年長江中下游、海河流域、遼河流域等地通常需要1-3天；然而，中國中西部沿海地區偶爾有暴雨。除了一般的降雨要求外，暴雨的物理要求必須有足夠的水汽供應、強烈地向上運動和相當長的時間。中國區域風暴水汽的重要來源是西北太平洋、孟加拉灣和太平洋。在良好的氣候條件下，低層或邊界層的偏南急流持續輸送。中尺度氣候系統的強向上運動一般由中尺度氣候系統組成，與不同尺度氣候系統的功能有關。中等尺度的強向上運動速度比大尺度強1～2個數量級，是暴雨的關鍵因素。降雨的持續性直接影響降雨量。當天氣尺度系統的運動減慢或停頓時，即使水汽供應特別充足，并伴有相應的大氣分層不平衡，也更容易產生暴雨。此外，雨水的“列車效應”也容易造成累積雨水的大幅增加。

二、氣象水文耦合預報研究進展

（一）降雨預報研究

（1）在20世紀50年代，多普勒天氣雷達發展迅速。多普勒效應是天氣雷達系統及時捕捉和分析天氣快速變化規律的物質基礎。通過目標回波的強度和持續時間可以判斷降雨粒子的特征和空間方位，根據反射因子與降水強度統計數據的相關性可以預測降雨的分布和強度。同時，通過回波可以外推降水的發展和歷史變化，對我國降水進行臨近預報。利用雷達回波外推實現0～3h天氣預報并逐漸成為臨近預報的重點發展方向[4]。目前可分為三種類型：①識別和跟蹤中強雷暴的簡單跟蹤算法；②識別和跟蹤強降水區域的回波區域跟蹤算法；③基于深度學習的鄰近預測算法?，F在應用最廣泛的算法是回波區域跟蹤算法，深度學習的近距與預測算法更具發展潛力。

（2）數值降水預測主要依靠數值大氣模式的發展。在20世紀初，形成了數值大氣模式的雛形，直到20世紀80年代，數值大氣模式才迅速發展起來。在過去的90年里，一些中尺度數值大氣模式已經相當發達，其中最經典的就是區域尺度天氣場預報（Eta）模式、COAMPS模型、UKMO模型、MC2、MESO-NH、MM5、WRF等新型數值大氣模式，通過更靈活的空間分辨率設置、更快速的計算、更方便的應用及其與數值同化系統的集成，可以同化各種常規和非常規氣象觀測數據，也可以降低降水預報的不確定性，從而增強預報的準確性[4]。目前，數值大氣模式可以根據不同的需求，并且進行三維定量降雨預報和15d參考降雨預報。

（二）流域水文模擬

水文模擬技術主要利用水文模型的建立來模擬和預測復雜的水文過程。自生產匯流理論提出以來，水文分析模型得到快速發展。一般來說，可以分為集中模型和分布式模型。集中水文模擬將整個黃河流域視為一個平衡的整體，沒有考察黃河流域的空間異質性，即降水的空間結構分布也是平衡的，黃河流域的邊界條件和幾何特征不會發生變形，因此模擬過程中的水文過程不會發生變化，這一點用斯坦福模型和水槽模型來表達。隨著現代計算機操作系統能力的增強，水文學家開始考慮降水的空間異質性和地下地表條件的空間異質性。典型模型包括系統水文模型、拓撲模型、可變輸入容量模型、SWAT模型等。中國最著名的水文模型是分布式三水新安江模型[5]。利用水文模型實現和設計洪水預報的例子有很多，但不同的模型在各種天氣環境條件和地下地表條件下有不同的效果。目前大部分水文模型在我國南方濕潤地區應用較好，但受人類活動和天氣的影響，在我國北方應用不太好，這也是利用水文模型預報防洪的最大困境。

（三）氣象水文耦合預報

以降水為紐帶，天氣模型和水文模型耦合的洪水預報方法簡稱為天氣—水文耦合預報。目前國外雷達短時預報技術已應用于水文預報，世界氣象組織水文理事會也將中小流域雷達短時預報技術作為國際水文預報的重點發展目標之一。海洋和大氣環境局、日本氣象廳和美國國家發展委員會土地、基礎設施和運輸部已經完成了雷達近距預報在國際洪水預警系統中的應用。實時降水和流量預報系統由英國雷達預報和臨近河流預報系統（resettrigger）及法國國家山洪災害預報預警系統（AIGA）聯合開發，集成開發臨近降水預報和分布式水文模型，取得了良好的應用效果。由于新一代天氣雷達網建立相對較晚，近期預警效果仍與國外雙極化雷達不同，同時受到水利部門天氣組織和雷達數據共享障礙的制約。目前，我國將雷達數據近預警應用于洪水預警的成功實例很少，還處于進一步研究和探討的階段。數字降水預報的預報周期比雷達短時預報要長，但其預報精度通常不如雷達短時預報。目前國外一些農村地區數字降水預報的精度要求已經比較穩定可靠，并已應用于英格蘭中東部地區、荷蘭沿岸國家、美國中東部地區等中小型流域的防洪預報。在我國，數字降水預報技術主要用于國家大中型河流的防洪預報和管理，特別是國家重點河流和水電站的管理和蓄水建設。

三、山洪災害氣象預警技術

（一）分布式水文模型的山洪災害氣象預警

我國的洪水預報，流域水文模型仍主要用于預測水文要素。根據國務院《全國山洪災害防治規劃報告》，山洪流域面積一般在200k㎡以內，流域內往往缺少降雨和水文觀測[6]。無資料丘陵區西溝小流域水文過程一直是水文和山地災害研究的難點。例如，在山洪預警中，分布式水文模擬可以更好地調查模型網格點的降雨預報輸入值和流域內下墊面的空間結構分布，從而計算流域區域的精細化水文需求，按照預警標準對流域區域網格點的山洪災害進行氣象預警。由于山洪往往是陡坡急流形成的，模型必須能夠兼顧簡單高效的預測計算特點。因此，采用控制容積法的分布式水文模擬是山洪災害預測研究中最重要的類型，它結合了概念特征和物理特征。如HL-RMS分布式水文模型、GMKHM分布式混合徑流水文模型、分布式新安江水文模型和分布式滲濾徑流水文模型（Grid-GA模型和Grid-GA-2D模型）等。

在西溝小流域QPE、QPF區域精細化的基礎上，采用分布式水文地質建模輸入，通過驅動水文地質建模實現山洪水文地質要素的預測過程。由于低丘區西溝等小流域，普遍缺乏長系列水文氣象資源作為建模參數，如何獲取參數平均值成為分布式網絡結構下水文模擬應用的難題。Foody[7]等基于小流域地貌特征和下墊面信息獲取SCS曲線參數，研究基于分布式結構水文分析模型的山洪預報。Chahinian等人比較了Horton、Philip和SCS徑流模型在山洪預報中的應用[8]。影響山洪的徑流過程經常發生，既有完全徑流，也有過量徑流。鮑等人以四川嘉陵江大溝流域為例，利用中國氣象局和驅動的GMKHM分布式混合產品逐時水文模型進行山洪預報，取得了比分布式新安江模型更好的預報精度[9-10]。

（二）基于致災雨量閾值的山洪災害氣象預警

根據中國氣象局山洪災害風險普查山通溝溪小流域信息和水文氣象資料，劃分以下四種情況計算致災雨量閾值：

（1）水文資料（包括水位、流量資料）齊全的流域，同時采用統計法和水文模型法。

（2）具有部分水文資源（僅水位資源）的小流域同時使用統計方法和水動力模擬方法。

（3）對于無水文監測資源、有典型洪水淹沒水位記錄的流域，可采用實地調查結合洪水動態模擬。

（4）既無水文觀測資料，也無典型山洪，可類比。特別是這里的類比方法，并不是用同樣地形和土地利用的山洪臨界雨量，而是用上述方法（1）至（3）之一標定的水動力模型模擬山洪淹沒場景，確定山洪臨界雨量。截至目前，中國氣象局已經完成了山頭溪溝13000多個小流域4級預警氣象閾值的確定。

四、結束語

耦合水文天氣預報技術涵蓋多個專業和科學領域，是我國山洪災害預警技術科學研究的前沿和熱點，也是我國山洪災害預警技術進一步發展的重要方向。目前，我國天氣—水文耦合天氣預報技術在我國主要河流預報和運行中的應用和研究已經普及，特別是在水電站資源優化配置方面發揮了關鍵作用。但在洪澇災害防御方面，我國天氣—水文耦合天氣預報的關鍵技術仍處于探索性研發階段。

主要因素包括：（1）降水預報精度仍有較大提升空間，局地強降水預報精度不能滿足準確的山洪災害預警需求；（2）氣象部門與水利部門數據共享存在障礙；（3）我國不同地區山洪發生的主要因素差異較大，氣候氣象條件和下墊面條件存在一定差異。天氣耦合預測技術也必須進行適應性測試。

山洪的快速發展急需一定的響應時間。氣象耦合預警最大的優點是可以延長預警周期，因此在山洪災害防御中具有非常廣闊的應用前景。我國山洪災害天氣預警研究進展順利，也為進一步研究應用奠定了堅實的基礎，增強了信心。

隨著我國經濟社會信息化的逐步推進和深入，大數據分析、云計算技術、人工管理智慧等新思路和新方法將有效應用于山洪災害防御的逐步分析中，天氣水文耦合預報能力也將快速提升。

（1）充分利用氣象觀測資源，對降水預報的研究和可行性評估，為降水預報，特別是短期定量降水估計和預報提出了新的工作思路。有科學研究證實，其預測效果高于目前雷達測量近地面預測和大氣數值模擬的預測結果，可為山洪災害防御提供更可信的預測信息。

（2）形成合理的協同聯動機制，建立全國氣象水文信息數據共享云平臺，率先開展大數據中的“氣象水文耦合”研究，為推動氣象水文信息耦合預報技術在山洪災害防治中的應用奠定堅實基礎。

（3）調查研究天氣—水文耦合預報在各種環境氣候、氣象和下墊面條件下的適應性，從而建立我國天氣—水文耦合預報技術的參數庫，解決我國天氣—水文耦合預報技術與世界各國和地區山洪災害風險防范的差異。