周洋(商丘水文水資源勘測(cè)局,河南商丘 476000)

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氣象集合預(yù)報(bào)在水文領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

周洋
(商丘水文水資源勘測(cè)局,河南商丘 476000)

【摘 要】氣象集合預(yù)報(bào)主要針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定研發(fā)出的一種概率預(yù)報(bào)技術(shù),水庫(kù)控制過(guò)程中使用集合預(yù)報(bào)能夠延長(zhǎng)水文預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期、提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。當(dāng)前氣象集合預(yù)報(bào)已經(jīng)得到諸多國(guó)家的應(yīng)用,本文主要從集合預(yù)報(bào)的洪水預(yù)警、徑流預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度三方面的應(yīng)用來(lái)分析集合預(yù)報(bào)當(dāng)前的研究進(jìn)展,并綜合探討出當(dāng)前集合預(yù)報(bào)應(yīng)用在水文領(lǐng)域應(yīng)該注意和改善的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】集合預(yù)報(bào) 水文領(lǐng)域 徑流預(yù)報(bào)

隨著當(dāng)前氣象集合預(yù)報(bào)的不斷發(fā)展，其與水文領(lǐng)域間的聯(lián)系愈加緊密。氣象集合預(yù)報(bào)能夠降低單值預(yù)報(bào)的不確定性，由此來(lái)提高水文預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，增加水文預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期，提高水文預(yù)報(bào)的利用價(jià)值。諸多實(shí)踐證明，氣象集合預(yù)報(bào)對(duì)洪水預(yù)警、水資源的持續(xù)利用和緩解水資源的供需矛盾等方面具有重要作用，同時(shí)集合預(yù)報(bào)在防災(zāi)、保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)等上具有可觀的應(yīng)用前景。

1 氣象集合預(yù)報(bào)在水文領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

1.1 洪水預(yù)警

洪水是當(dāng)前世界上最頻繁且毀滅性較高的自然災(zāi)害，可見(jiàn)對(duì)于洪水的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)于人們的生存安全具有重要影響。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)集合預(yù)報(bào)應(yīng)用于洪水預(yù)警中進(jìn)行研究，取得驕人成果。國(guó)外諸多學(xué)者針對(duì)小流域地區(qū)使用水文模型獲取概率預(yù)報(bào)的徑流數(shù)值，并將該數(shù)值與十年內(nèi)實(shí)際測(cè)得的洪水過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，充分說(shuō)明了集合預(yù)報(bào)應(yīng)用在洪水預(yù)警中的優(yōu)勢(shì)。部分學(xué)者基于全球預(yù)報(bào)模式的概率大氣預(yù)報(bào)建立當(dāng)前的水文氣象集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于流經(jīng)瑞士主要城市的一條河流。2003年，歐洲的洪水預(yù)警系統(tǒng)正式建立，使用中尺度氣象預(yù)報(bào)使洪水預(yù)警的預(yù)見(jiàn)期達(dá)至10d。國(guó)內(nèi)的研究中，彭濤，沈鐵元等人構(gòu)建了基于TIGGE驅(qū)動(dòng)的水文和水力學(xué)結(jié)合的洪水預(yù)報(bào)模型，使得集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)過(guò)程驅(qū)動(dòng)洪水預(yù)報(bào)模型，由此得到和集成預(yù)報(bào)成員數(shù)量一致的洪水預(yù)報(bào)過(guò)程，以該種概率預(yù)報(bào)的方式對(duì)洪水進(jìn)行早期的預(yù)警和預(yù)報(bào)[1]。韓焱紅，矯梅燕等使用中尺度暴雨數(shù)值模式結(jié)合降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過(guò)模型對(duì)我國(guó)湖北省內(nèi)的某河流域進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)集合數(shù)值預(yù)報(bào)的方式能夠準(zhǔn)確反映洪峰、洪量和時(shí)間等信息，增強(qiáng)了水文預(yù)報(bào)的利用價(jià)值[2]。

1.2 徑流預(yù)報(bào)

集合徑流預(yù)報(bào)最早由美國(guó)學(xué)者DAY提出，其工作原理主要通過(guò)計(jì)算流域土壤狀況和未來(lái)氣象輸入的集合對(duì)河道的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。DAY在研究中發(fā)現(xiàn)，集合徑流預(yù)報(bào)可以用來(lái)分析春汛期的供水峰值，能夠可以用來(lái)分析干旱狀況。劉永和，嚴(yán)中偉等提出以丹江口水庫(kù)為例利用降雨和氣溫等驅(qū)動(dòng)水文模型，生成未來(lái)流量的過(guò)程集合，得出集合徑流預(yù)報(bào)能夠提高預(yù)報(bào)徑流的準(zhǔn)確性，能夠提高預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見(jiàn)期[3]。有關(guān)學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，徑流集合預(yù)報(bào)的水平較于降雨預(yù)報(bào)水平更高，冬季預(yù)報(bào)水平高于夏季。部分學(xué)者從大尺度的氣候變化對(duì)水文預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，不同氣候條件下對(duì)集合徑流預(yù)報(bào)的成員進(jìn)行不同方式的處理，由此提高了徑流預(yù)報(bào)的利用性。

1.3 水庫(kù)調(diào)度決策

伴隨當(dāng)前降雨預(yù)報(bào)水平的提高，諸多探測(cè)手段和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)中，水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度中可以使用預(yù)見(jiàn)期的降雨預(yù)報(bào)，該項(xiàng)也是水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度應(yīng)用的主要發(fā)展趨勢(shì)。防洪調(diào)度較多應(yīng)用于短期預(yù)報(bào)信息，興利調(diào)度較多應(yīng)用于中長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)。根據(jù)當(dāng)前降雨預(yù)報(bào)信息，可以增加防洪和發(fā)電調(diào)度的預(yù)見(jiàn)期，為預(yù)泄和預(yù)蓄做好準(zhǔn)備，由此來(lái)增強(qiáng)水庫(kù)的防洪能力、提高洪水的利用率。國(guó)外學(xué)者通過(guò)集合徑流預(yù)報(bào)使用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型對(duì)水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)搅髯兓驼`差及時(shí)記錄，幫助調(diào)度決策的有效執(zhí)行。當(dāng)前國(guó)內(nèi)將集合預(yù)報(bào)應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度上的研究較少，張熙通過(guò)集合預(yù)報(bào)和水文模型對(duì)水庫(kù)實(shí)施優(yōu)化調(diào)度，開發(fā)出新型建立在集合預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上的水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)。當(dāng)前水庫(kù)的運(yùn)行狀況與預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有關(guān)系，同時(shí)與預(yù)報(bào)信息的利用方式有關(guān)，由此可見(jiàn)，如何正確選擇集合預(yù)報(bào)方式值得進(jìn)一步研究，對(duì)提高水庫(kù)的調(diào)度水平具有重要意義。

2 氣象集合預(yù)報(bào)在水文應(yīng)用中需注意的問(wèn)題

2.1 如何使用集合預(yù)報(bào)結(jié)果

人們可以通過(guò)集成方式將集合預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為單一值預(yù)報(bào)，由此能夠獲得較為標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)報(bào)值。還可通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)信息進(jìn)行修正，由此來(lái)提高集合預(yù)報(bào)的可利用價(jià)值。集合預(yù)報(bào)可以通過(guò)概率對(duì)使用者做出決策指引，該項(xiàng)是集合預(yù)報(bào)的重要作用之一，且集合預(yù)報(bào)較于單一值預(yù)報(bào)經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高。根據(jù)不同概率條件下降雨量的發(fā)生率，并結(jié)合流域調(diào)度的決策模型，選擇適合該流域的可信概率，由此實(shí)現(xiàn)利益的最大化。有關(guān)學(xué)者通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析法綜合集合預(yù)報(bào)對(duì)暴雨災(zāi)害天氣進(jìn)行研究，為科學(xué)決策提供依據(jù)。除此之外，小概率預(yù)報(bào)對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)用戶應(yīng)用價(jià)值較高，但對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)用戶價(jià)值較小。

2.2 如何雙向耦合集合預(yù)報(bào)與流域水文模型

集合預(yù)報(bào)的目的在于提供大氣變量實(shí)行概率預(yù)報(bào)，但礙于水文過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性，不同的氣候條件和時(shí)空適用狀況適用于不同的流域水文模型，因此針對(duì)分辨率較高的水文模型，集合預(yù)報(bào)中的時(shí)間和空間無(wú)法滿足其需求，需要對(duì)氣象模式同高分辨率的分布式水文模型耦合進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。

2.3 如何改進(jìn)水文模擬技術(shù)

水文模型的不確定性包含模型參數(shù)的合理性和適用性，對(duì)于預(yù)報(bào)信息的可利用性起到限制作用，由此可見(jiàn)，水文模型本身的模擬和技術(shù)條件也是學(xué)者對(duì)于集合預(yù)報(bào)的未來(lái)研究關(guān)鍵點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

氣象集合預(yù)報(bào)較于單一初值的確定性預(yù)報(bào)更具優(yōu)越性，伴隨集合預(yù)報(bào)的廣泛應(yīng)用，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能夠在概念、理論和實(shí)踐上使用新型技術(shù)取得新成果，熟知天氣預(yù)報(bào)將集合預(yù)報(bào)信息引用在徑流預(yù)報(bào)中是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和重要方向。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠極大程度減少誤差、修復(fù)降雨的不確定性，由此提高我國(guó)水文預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，促進(jìn)我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的規(guī)劃和發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1]彭濤,沈鐵元,高玉芳,等.流域水文氣象耦合的洪水預(yù)報(bào)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].氣象科技進(jìn)展,2014,02(10):52-58.

[2]韓焱紅,矯梅燕,陳靜,等.基于貝葉斯理論的集合降水概率預(yù)報(bào)方法研究[J].氣象,2013,01(08):1-10.

[3]劉永和,嚴(yán)中偉,馮錦明,等.基于TIGGE資料的沂沭河流域6小時(shí)降水集合預(yù)報(bào)能力分析[J].大氣科學(xué),2013,03(11):539-551.