基于气象数值预报的高精度融雪径流预报技术研究

王冉旋

摘   要：水文预报对于水电企业来说是做好水库调度工作的关键，是进行水调决策的重要依据，高精度的水文预报对于梯级水电站优化调度显得尤为重要。新疆YLKSH流域处于高寒地区，洪水分为消融型洪水和消融与暴雨叠加的混合型洪水，传统的水文预报方法已经不能满足目前流域梯级电站智慧调度的要求，在此背景下开展基于高精度气象数值预报的融雪径流预报技术的研究迫在眉睫，针对KSH流域特性和需求，拟定研究内容包括资料收集整理、技术方案研制、预报方案编制和预报系统研制四大部分。

关键词：气象数值  高精度  融雪径流  预报技术

中图分类号：P333.1                                 文献标识码：A                        文章編号：1674-098X（2019）11（b）-0021-02

1  资料收集整理

1.1 资料收集

融雪径流预报除所有水文预报必需的水雨情资料外，还需要气温、降雨等气象和积雪信息。KSH流域融雪径流预报资料内容收集、整理概况为四类。

（1）水雨情信息。

流域测站、传播时间等的描述性信息，和与预报时段等时长的降水、水位、流量信息。

（2）气候、气象信息。

与水雨情资料时间匹配的流域内各站点气温资料，时段长与实时预报时段相同;与水雨情资料时间匹配的蒸发资料，时段长可为日。

（3）积雪信息。

与水雨情资料时间匹配的流域内积雪覆盖面积、深度、密度信息，资料以日为时长。积雪覆盖面积通常为≤ 500m 的网格信息;深度、密度可为气象观测站点信息或更精细的网格信息。

（4）地形、地貌信息。

在流域水文模拟研究中充分考虑地形因素，可以从物理成因机制上更深入地研究水文规律。地貌、土壤信息对流域产流、土壤蓄水、蒸发等众多水文过程有重要影响，地表覆盖、土壤信息也是资料收集整理的重要信息。

1.2 资料整理

资料整理内容为将上述资料规范化整理为同一时间序列内，与实时预报同时段类型的数据资料，其中包括数据插补、时段处理、插值、错误判别处理等工作。

地形信息需借助 GIS 相关软件自动计算各网格的水流方向、集水面积，生成水系单元等，并提取流域的边界、等高线等信息。

土地利用类型信息需提取出各网格的土地覆盖类型，如森林、草地、农田等。

土壤类型信息需提取各网格的土壤类型信息，如薄层土、粗骨土、沙丘等。

2  技术方案研制

KSH流域水源主要是河源区融冰雪水，以及夏季降雨，河道呈现上游相对较陡、中游相对较缓、下游出口次之，整体自然落差大，水流湍急，汇流时间相对短促，各梯级电站间距小，依据KSH流域洪水特性、洪水传播时间分析，可将流域划分为3个预报断面，平均预见期约为15、23、34 h，由此可见通常以日为时段的预报难以满足上游电站的预报需求，因此在资料条件许可的情况下拟采用3h与日预报两种方式，并将不同时段的预报相结合，层层设防，逐步校正，提高预报的精度。主要研究技术包括：

（1）数字流域信息提取处理技术。

依据地形信息提取流域的边界、河长、等高线等，同时依据地貌信息提取流域的植被、土壤等信息;所有数字流域信息需与水文预报单元进行匹配，以满足水文预报需求。

（2）积雪信息提取处理技术。

积雪覆盖面积、深度是融雪径流计算的重要基础信息，信息的准确度和时空分辨率是影响融雪预报精度的重要因素。气象部门通常有当地较为精细的积雪覆盖信息，美国地球观测系统的 MODIS 数据可作为积雪信息的一种补充。基于可获取的积雪覆盖面积、深度、密度的时间、空间尺度进行数字化处理，并与水文预报模型匹配衔接。

（3）数值天气预报信息提取处理技术。

通过气象数值预报，与洪水预报模型耦合进行实时洪水预报，可以延长洪水预报的预见期，提高预报精度。

（4）融雪径流模型技术。

目前通用的融雪径流模型多为 SRM 模型和新安江改进融雪型模型，模型结构中无融雪深度、密度的计算处理，且当前融雪径流模型多以日为预报时长。

（5）模型参数校正技术。

任何预报都是存在误差的，在实时预报中尽量减小误差是预报的重要环节，它可以减小因预报模型误差导致的误差累积，从而保证预报精度。

3  预报方案编制

预报方案是指根据预报任务，及时收集降雨、蒸发、水位、温度、流量、积雪及流域特性等有关资料，根据洪水的形成规律和特点，选择适当预报模型和根据站点，建立由当前采集的水文信息推算未来洪水大小和出现时间的一整套计算方法。

预报方案编制是水文预报系统研究的重要环节，好的预报方案应充分考虑当前流域特性，利用一切可以获取的数据源为系统提供高精度、长预见期的预报方案，满足现场预报需求，并应具备在实时数据获取和资料积累的基础上提高预报精度和增长有效预见期的功能。预报方案编制从业务内容上可将其划分为资料整理复核、预报方案定制、预报方案评定检验三个阶段，包含业务工作的全部内容。

4  预报系统研制

水文预报运行软件需要以实际需求为导向，满足输入、输出的开放性，设计为界面友好，操作灵活、方便，图表简洁、美观的实用型系统，力求满足预报的实时性、精度和预见期。

融雪径流预报涉及到多种类型数据的实时获取，获取的数据类型、格式多样，因此除水文预报运行软件外还需研制开发不同类型数据的自动定时获取处理软件，如数值天气预报和积雪覆盖数据自动定时下载处理模块、水文预报软件可自动读取实时遥测的水雨情、气温数据等。

5  技术难点和创新点

（1）精细时间尺度的融雪径流预报。

从KSH流域洪水特性和预报断面需求分析，因预见期限制，以日为时段的融雪径流预报难以反映上游电站实际洪水过程，因此需要根据可获取资料条件研发适宜流域预见期的更精细化的预报模型，如何在有限资料条件下开展 3h和日预报是项目研究的一个难点。

（2）结合雪深的改进型融雪径流模型。

当前的融雪径流模型均基于气温和积雪覆盖面积进行融雪径流计算，未考虑积雪深度，如何在原模型的基础上完成改造，增加雪深对融雪径流的作用，达到较好的预报效果是一个创新点。

（3）积雪信息时空尺度匹配和数据校正。

MODIS 获取的积雪覆盖信息有两种时段：1日和8日。1日积雪产品中包含了大量受云覆盖影响的图像，因云的遮蔽，使积雪面积减小，8日积雪数据则相对准确，通常采用 8 日数据，1日数据作为参考。但8日时间尺度与 3h、日的水文预报时间尺度差别较大，需着重研究如何利用各类地形、地貌、水文、气象信息降低时间尺度，使得积雪信息与水文预报时间尺度匹配并校正以减小误差。

（4）不同时段预报方案的结合。

位于KSH流域中游河段的JY水电站为不完全多年调节电站，中长期径流预报对于该电站的指导意义比较重要，在模型中增加中长期气象数值预报与水文预报的耦合，随着气象数值预报技术的发展，中长期水文预报精度将大幅提高。中长期、日和3h 为三种预报方案，模型的参数、方案配置均不同，结果也必定存在差別，如何将三种方案结合是研究的重点。

（5）实时校正参数模型研制。

通过目前大数据云计算技术，利用历次预报结果与实际数据对比，自动分析偏差原因，对预报模型的参数、状态变量、输入向量或预报值进行某种修正，以达到实时自动校正的目的。

6  结语

本文主要根据融雪径流模型的研究现状，结合KSH流域特性，在水文预报模型方面进行的创新性的研究和探索，对于高寒地区的融雪径流预报研究有很好的指导和借鉴意义。

参考文献

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