气象集合预报在水文领域中的应用研究进展

周洋(商丘水文水资源勘测局,河南商丘 476000)



气象集合预报在水文领域中的应用研究进展

周洋
(商丘水文水资源勘测局,河南商丘 476000)

【摘 要】气象集合预报主要针对数值预报的不确定研发出的一种概率预报技术,水库控制过程中使用集合预报能够延长水文预报的预见期、提高预报准确性。当前气象集合预报已经得到诸多国家的应用,本文主要从集合预报的洪水预警、径流预报和水库调度三方面的应用来分析集合预报当前的研究进展,并综合探讨出当前集合预报应用在水文领域应该注意和改善的问题。

【关键词】集合预报 水文领域 径流预报

随着当前气象集合预报的不断发展，其与水文领域间的联系愈加紧密。气象集合预报能够降低单值预报的不确定性，由此来提高水文预报的准确性，增加水文预报的预见期，提高水文预报的利用价值。诸多实践证明，气象集合预报对洪水预警、水资源的持续利用和缓解水资源的供需矛盾等方面具有重要作用，同时集合预报在防灾、保障国民经济和国防建设等上具有可观的应用前景。

1 气象集合预报在水文领域的实际应用

1.1 洪水预警

洪水是当前世界上最频繁且毁灭性较高的自然灾害，可见对于洪水的准确预报对于人们的生存安全具有重要影响。当前国内外诸多学者对集合预报应用于洪水预警中进行研究，取得骄人成果。国外诸多学者针对小流域地区使用水文模型获取概率预报的径流数值，并将该数值与十年内实际测得的洪水过程进行对比，充分说明了集合预报应用在洪水预警中的优势。部分学者基于全球预报模式的概率大气预报建立当前的水文气象集合预报系统，并将其应用于流经瑞士主要城市的一条河流。2003年，欧洲的洪水预警系统正式建立，使用中尺度气象预报使洪水预警的预见期达至10d。国内的研究中，彭涛，沈铁元等人构建了基于TIGGE驱动的水文和水力学结合的洪水预报模型，使得集合预报系统的预报过程驱动洪水预报模型，由此得到和集成预报成员数量一致的洪水预报过程，以该种概率预报的方式对洪水进行早期的预警和预报[1]。韩焱红，矫梅燕等使用中尺度暴雨数值模式结合降水预报产品，通过模型对我国湖北省内的某河流域进行洪水预报，发现集合数值预报的方式能够准确反映洪峰、洪量和时间等信息，增强了水文预报的利用价值[2]。

1.2 径流预报

集合径流预报最早由美国学者DAY提出，其工作原理主要通过计算流域土壤状况和未来气象输入的集合对河道的流量进行预测。DAY在研究中发现，集合径流预报可以用来分析春汛期的供水峰值，能够可以用来分析干旱状况。刘永和，严中伟等提出以丹江口水库为例利用降雨和气温等驱动水文模型，生成未来流量的过程集合，得出集合径流预报能够提高预报径流的准确性，能够提高预报的精度和预见期[3]。有关学者经研究发现，径流集合预报的水平较于降雨预报水平更高，冬季预报水平高于夏季。部分学者从大尺度的气候变化对水文预报进行研究，不同气候条件下对集合径流预报的成员进行不同方式的处理，由此提高了径流预报的利用性。

1.3 水库调度决策

伴随当前降雨预报水平的提高，诸多探测手段和网络技术应用于水文预报中，水库实时调度中可以使用预见期的降雨预报，该项也是水库预报调度应用的主要发展趋势。防洪调度较多应用于短期预报信息，兴利调度较多应用于中长期的预报。根据当前降雨预报信息，可以增加防洪和发电调度的预见期，为预泄和预蓄做好准备，由此来增强水库的防洪能力、提高洪水的利用率。国外学者通过集合径流预报使用随机动态规划模型对水库进行优化，能够将径流变化和误差及时记录，帮助调度决策的有效执行。当前国内将集合预报应用于水库调度上的研究较少，张熙通过集合预报和水文模型对水库实施优化调度，开发出新型建立在集合预报基础上的水库实时调度系统。当前水库的运行状况与预报的准确性有关系，同时与预报信息的利用方式有关，由此可见，如何正确选择集合预报方式值得进一步研究，对提高水库的调度水平具有重要意义。

2 气象集合预报在水文应用中需注意的问题

2.1 如何使用集合预报结果

人们可以通过集成方式将集合预报转化为单一值预报，由此能够获得较为标准的预报值。还可通过对预报信息进行修正，由此来提高集合预报的可利用价值。集合预报可以通过概率对使用者做出决策指引，该项是集合预报的重要作用之一，且集合预报较于单一值预报经济价值更高。根据不同概率条件下降雨量的发生率，并结合流域调度的决策模型，选择适合该流域的可信概率，由此实现利益的最大化。有关学者通过风险分析法综合集合预报对暴雨灾害天气进行研究，为科学决策提供依据。除此之外，小概率预报对于高风险用户应用价值较高，但对低风险用户价值较小。

2.2 如何双向耦合集合预报与流域水文模型

集合预报的目的在于提供大气变量实行概率预报，但碍于水文过程的复杂性和不确定性，不同的气候条件和时空适用状况适用于不同的流域水文模型，因此针对分辨率较高的水文模型，集合预报中的时间和空间无法满足其需求，需要对气象模式同高分辨率的分布式水文模型耦合进行尺度转换。

2.3 如何改进水文模拟技术

水文模型的不确定性包含模型参数的合理性和适用性，对于预报信息的可利用性起到限制作用，由此可见，水文模型本身的模拟和技术条件也是学者对于集合预报的未来研究关键点。

3 结语

气象集合预报较于单一初值的确定性预报更具优越性，伴随集合预报的广泛应用，数值天气预报能够在概念、理论和实践上使用新型技术取得新成果，熟知天气预报将集合预报信息引用在径流预报中是当前研究的重点和重要方向。伴随计算机技术的发展，集合预报系统能够极大程度减少误差、修复降雨的不确定性，由此提高我国水文预报的准确性，促进我国区域经济的规划和发展。

参考文献:

[1]彭涛,沈铁元,高玉芳,等.流域水文气象耦合的洪水预报研究及应用进展[J].气象科技进展,2014,02(10):52-58.

[2]韩焱红,矫梅燕,陈静,等.基于贝叶斯理论的集合降水概率预报方法研究[J].气象,2013,01(08):1-10.

[3]刘永和,严中伟,冯锦明,等.基于TIGGE资料的沂沭河流域6小时降水集合预报能力分析[J].大气科学,2013,03(11):539-551.