基于数值天气预报产品的气象水文耦合径流预报

以福建金溪池潭水库流域为例,采用TIGGE数据中心的ECMWF、UKMO、NCEP等7种模式控制预报产品驱动新安江模型,开展径流集合预报。通过集合挑选、多模式集成前处理以及基于BMA模型的后处理等过程,探讨不同处理方案和初始集合质量对气象水文耦合径流预报精度及不确定性的影响。结果表明,不同的处理方案均能有效提高径流预报的精度和稳定性,同时进行前处理和后处理能从降低误差输入和控制误差输出两方面减小预报误差,相对于其他方案表现更好。初始集合质量对气象水文耦合径流集合预报有一定影响,但前处理或后处理对预报误差的有效控制使得该影响并不显著。总体而言,前处理和后处理过程是提高气象水文耦合径流预报准确性和可靠性必不可少的环节,应予以重视。

气象水文耦合中的降尺度方法研究进展

简述遥感技术特别是雷达估算降水技术发展对缓解气象水文尺度不匹配的贡献,着重介绍目前国内外研究应用较多的统计降尺度模型(SDSM)、EOF迭代方法、主分量分析与逐步回归相结合、动力与统计相结合等4种降尺度方法。同时,简要介绍中国气象局武汉暴雨研究所改进的一种降尺度方法,并选取一次降水过程,对利用该方法降尺度后的降水预报结果与其实况进行对比分析。结果表明,该降尺度方法有效地提高了降水预报结果的空间分辨率(2km×2km),有利于天气模式与水文模式相结合。

基于气象水文耦合的中小河流枯季径流短期预报

开展枯水期径流过程的模拟预报对水资源配置、生态环境需水量的研究、抗旱救灾等十分重要,为延长预见期,以数值天气预报未来7 d预报成果及水文实时观测数据为资料,以中小河流枯季短期径流为研究对象,优选了预报因子,基于二次回归正交旋转设计,探索了气象水文耦合在中小河流枯季径流预报方法。经在南汀河姑老河水文站未来3、5、7 d枯季径流模拟中应用,构建的气象水文耦合的预报模型拟合精度达到甲级,精度较高,效果理想,该方法操作简单,易于实现。

气象水文耦合的洪水预报研究进展

从洪水预报中定量降水预报应用进展、面向洪水预报的流域水文模型研究进展、气象水文耦合预报不确定性研究进展三个方面系统介绍气象水文耦合的洪水预报研究进展。研究指出,融合预报员预报的格点化定量降水预报技术是提高面向洪水预报的流域降水预报精度的重要方法,中尺度集合预报技术是提升流域局地性强降水预报能力的主要途径;概念性与物理性相结合的分布式水文模型是面向洪水预报的流域水文模型发展方向;水文集合预报是考虑气象水文单向耦合预报不确定性有效解决技术,贝叶斯系列模型可为分析气象水文预报不确定性提供重要的借鉴意义。

驮娘江八达水文站气象水文耦合的洪水预测探讨

八达水文站是驮娘江上游第一个控制水文站,也是驮娘江龙头水电站威后水电站主要入库控制站,同时位于西林县城,也是西林县城的防洪水文站,但控制流域面积小,汇流时间短。探讨了该水文站洪水预报模型建立、应用条件和基于气象降雨数值预报的模型应用,以延长洪水预报预见期。

WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式的误差传递特征——以漳河流域径流预报为例

在中小流域,有效的洪水预见期对调度决策、防洪减灾尤其重要。以漳河流域为研究区域,基于WRF模式和WRF-Hydro水文模型建立WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式,探讨不同预见期WRF模式预报降雨对径流预报效果的影响,以及气象-水文模型之间的误差传递特征。(1)不同预见期下WRF模式预报的降雨峰值随预见期增长偏差越大。预见期为06 h和12 h时较预见期较长时(24 h、48 h),降雨量和峰值出现时间预报误差较小,降雨落区预报明显较好。(2)基于WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合的径流预报结果表明,预见期越长洪峰流量及径流总量偏差越大。06 h和12 h预见期下的径流预报结果都较好,平均相关系数、平均纳什系数分别提高0.15、0.69。(3)模式之间的误差传递会因预见期长短和降雨预报效果有一定的差异。预见期为06 h和12 h时,数值天气预报误差传递给水文模型后有放大、有缩小。预见期较长时(24 h、48 h)随预见期加长,水文模型放大数值天气预报误差的程度越大,但是通过定量分析发现降雨误差和径流误差之间没有明显的线性关系。

气象水文模型耦合的郑州城区内涝预警研究

随着城市化进程不断加剧,地区气候、下垫面等因素发生变化导致城市内涝频发。水文模型预见期有限,气象预报难以明确洪涝对城市的影响,因此构建WRF-SWMM气象水文耦合模型对地区洪涝进行预警预报。通过对郑州城区多场暴雨内涝事件和7·20极端降水事件的模拟分析验证了气象水文耦合模型在郑州城区进行洪水预报的可行性和合理性。结果表明:WRF模式耦合UMC城市冠层方案模拟的降水过程与实测降水过程更接近,可提前6~8h生成降水预报;基于WRF-SWMM耦合模型可以预测出城市洪涝灾害的洪水过程和量级,生成有效的洪水预报,为城市地区防洪排涝和减灾救灾提供参考。

流域水文气象耦合的洪水预报研究及应用进展

洪水预报在防洪减灾中具有重要的理论意义和现实意义。论文从流域暴雨的定量降水估算与预报、流域洪水预报水文模型、流域水文气象耦合、流域洪水实时预报系统研发及业务应用等方面回顾了国内外流域水文气象耦合的洪水预报研究与实践的进展,并从洪水预报与气象预报的集成耦合、有物理基础的分布式水文模拟、洪水风险灾害评价等展望了流域洪水灾害预报的一些关键技术和问题。

气象水文模型耦合研究及在西苕溪流域的模拟试验

为了提高洪水预报的精度,延长洪水预见期,利用WRF模式和HEC-HMS水文模型对太湖西苕溪流域2009年8月的一次典型暴雨洪水过程进行了降雨模拟和流量耦合预报,并与实测降雨和径流过程进行了对比分析。(1)WRF模式能够较好模拟出位于天目山的强降水中心,位置较实况略偏北;预报子流域面雨量时空分布与实况较一致,定量检验合格率达50%左右。(2)HEC-HMS模型对西苕溪流域日径流过程和场降雨洪水过程均有较好的模拟效果,模型参数验证和率定期间,确定性系数、洪峰流量相对误差和峰现时差等指标均小于业务预报许可误差。(3)采用单向耦合法,将WRF模式(5 km网格)48 h预见期的滚动预报降雨场输入HEC-HMS水文模型进行流量滚动预报,耦合预报结果明显优于不考虑预见期内降雨的传统预报方法,在保证精度的前提下,有效延长了洪水预见期。

气象水文模型耦合在黄河三花间洪水预报中的应用

水文预报的有效预见期越长,预报精度越高,其对防洪减灾的价值就越大,而气象水文模型的耦合是延长水文预报有效预见期的一个重要研究方向。选取黄河流域三门峡水库以下、花园口水文站以上集水面积为研究区域,基于空间分辨率为90 m×90 m的数字高程模型数据构建数字流域水系,利用中尺度非静力模式MM5进行降雨预报和气温预报,并将之作为分布式时变增益水文模型降雨和蒸发计算的输入进行关键站点的水文预报,实现了分布式时变增益水文模型与大气中尺度非静力模式MM5的单向耦合及定量降水预报与洪水预报的结合,为花园口防汛工作提供了一定的参考价值。2012年与2010年的流量滚动预报结果相比,2012年预报结果的效率系数较大,径流深相对误差较小,说明2012年预报效果较好。对预报结果分析表明,实测的水情资料完整性直接影响预报结果,而滚动预报时间段的增加,水文预报的初始场对径流预报的影响逐渐减弱,水文预报的精确度逐渐提高,预报的效果变好。

基于气象-地形-水文-地质-人文耦合的滑坡灾害空间预警研究

广东省小流域地区滑坡灾害具有多发性、广泛性和严重性的特点,严重影响山区社会安定和经济发展。长期以来区域滑坡灾害预警和单体地质灾害稳定性研究总是在两个不同的体系下进行,二者缺乏有机联系,常用的滑坡灾害预警单元也不能反映成灾机理。以广东省梅州市程江流域的松岗小流域为研究区域,以斜坡单元为基本单元,以气象、水文、人文过程为主要参数,通过分析各参数与灾害形成的内在关系,结合GIS技术,构建气象-地形-水文-地质-人文耦合模型,并通过历史数据对模型进行验证,结果表明,该模型不仅提高了滑坡预测的空间精度,而且可对特定降雨条件下的滑坡灾害进行客观有效地预测。

丹江口水库“10.07”洪水水文气象耦合预报调度

2010年7月中下旬,汉江上游发生两次较大洪水,安康水库出现建库以来最大入库洪水,丹江口水库发生建库以来第2大入库洪水。在本次洪水过程中,采用水文气象耦合技术方案进行洪水预报,提高了水库入库洪水预报的精度、延长了预见期。根据水雨情预报成果,制定了丹江口水库预报调度方案,并经长江防总批准实施,取得了既没有使丹江口水库承担过度防洪风险,又避免了下游杜家台分洪区分洪的"双赢"成效。

水文气象研究进展

从面向流域的定量降水估测与预报、流域水文模型、水文气象耦合预报三个方面系统介绍水文气象研究进展。研究指出,融合天气雷达、卫星遥感及实况降水等多源信息是精细化定量降水估测产品的主要发展方向;采用多模式降水预报集成技术是提高定量降水预报精度的重要途径;分布式水文模型是流域水文模型的发展方向;引入定量降水预报的水文气象耦合预报模式可以延长洪水预报预见期,水文集合预报是水文预报方法的有效解决途径,而数值预报模式与水文模型的双向耦合模式是另一重要发展方向。

黄河源区水文预报的关键科学问题

黄河源区水文预报对龙羊峡、刘家峡等黄河上游梯级水库群的洪水资源化调度乃至整个黄河流域的水旱灾害防御都起着举足轻重的作用。然而,由于降水的地面观测严重匮乏、且缺少适用于高寒山区的专用水文模型,源区水文预报成为长期困扰黄河洪水/径流业务预报的难题。在回顾国内外相关研究的基础上,从高海拔缺资料地区的降水观测与降水预报、寒区水文模型构建与气象水文耦合系统集成、高原降水发生的气象成因与形成机制3个方面,评价了黄河源区水文预报的当前现状与技术水平,提出了黄河源区水文预报面临的关键科学问题;指出新一代多源降水信息融合与同化、高寒区特殊产汇流模型构建、无缝隙气象水文集合预报、强降水与连阴雨的多影响天气系统解析等,是当前黄河源区水文预报的研究重点与发展方向。

基于SWAT模型耦合精细化格点降水预报产品的径流预测研究

为探究复杂地形下水文预报方法,以贵州省平寨流域为例,采用阳长站2017~2019年逐日和2009~2018年逐月实测径流量数据,利用分布式SWAT水文模型进行建模、率定和验证,并耦合2021年6~9月流域气象关键点降水预报数据开展入库流量预报,最后采用水文模型评价指标分析了径流量预报效果。结果表明:SWAT模型在贵州省平寨流域有较好的适用性,能够较好地模拟实际径流量变化趋势与洪峰过程,率定期和验证期R 2和NSE系数均高于0.69;预报降水未订正时,预报入库流量在6~7月基本达标,但是8~9月效果不佳;预报降水订正后,预报入库流量在6~9月的NSE系数和R 2明显提高。

基于水文地质耦合的滑坡灾害空间预警研究

我国的地形结构十分复杂,其中山区的滑坡灾害已经严重影响了社会安定与经济发展。为了加强对于滑坡灾害的空间预警,需要以气象、水文和人文作为重要参数,将斜坡单元作为预警单元,重点分析参数与灾害之间的联系,并在GIS技术的支持下,构建基于气象-地形-水文-地质-人文耦合的滑坡灾害空间预警模型。

WRF模式与Topmodel模型在洪水预报中的耦合预报试验研究

基于空间分辨率90 m×90 m的湖北荆门漳河水库数字高程模型(DEM)地形数据,并从2012—2015年选取了20场洪水过程(其中16场用于模拟,4场用于检验),将华中区域数值天气预报业务模式WRF提供的三重嵌套空间分辨率3 km×3 km、9 km×9 km和27 km×27 km预报降雨与集总式新安江模型以及半分布式水文模型Topmodel耦合进行洪水预报试验。通过对比试验得到以下结论:当流域降雨的时、空分布比较均匀时,集总式新安江模型可以较准确地预报出洪峰流量和峰现时间,而当降雨时、空分布差异较大时,预报误差也会随之增大。基于DEM数据建立的Topmodel模型可以反映不同降雨时、空分布下洪水预报结果的差异,试验结果表明,3 km×3 km和9 km×9 km洪水预报的输出结果比较接近,且在确定性系数和洪峰相对误差上要优于27 km×27 km的洪水预报结果,而在峰现时差的预报上,则是27 km×27 km的洪水预报结果与实测较吻合。通过研究还发现,虽然当流域降雨的时、空分布存在一定差异时,3种空间分辨率的WRF预报降雨均无法预报出与实测一致的降雨分布,但是在某些情况下,当降雨的时间分布误差和空间分布误差相抵消时,仍然可以得到较为准确的洪水预报结果。因此,高时、空分辨率的模式预报降雨并不一定就能对洪水预报结果产生正贡献,需要通过反复尝试寻找水文模型和数值模式耦合的最佳时、空分辨率。

流域多尺度水文预报应用进展及适用性探讨

水文预报作为一项非工程措施,在水旱灾害防御、水资源综合利用,以及社会经济建设等领域发挥着越来越重要的支撑和保障作用。回顾了近年来国内外有关流域水文预报技术应用进展,梳理了流域多尺度水文预报的概念,系统性地阐述了多尺度水文预报应用中的关键技术和方法、面临的问题和不足以及未来的发展趋势,并重点探讨了流域水文预报中涉及的不确定性因素以及水文气象耦合方面的不匹配性等问题。最后,基于对流域水文预报适用性的分析,强调了在拓展流域不同预见期水文预报新业务实践中考虑水文预报适用性的重要性,提出了现状条件下拓展多尺度流域水文预报业务的指导性原则及建议。

中国暴雨洪涝预报方法的研究进展

针对中国暴雨洪涝灾害频发的现象及其带来的严重影响和损失,结合我国有关暴雨洪涝灾害预报方法的研究进展,对洪涝灾害预报方法的研究进行了总结与回顾。随着卫星遥感、地理信息系统等技术的不断发展与完善,暴雨洪涝灾害预报的方法由简单的数值统计方法发展成为水文模型预报法,从简易的经验模型、水动力学模型,到集总式水文模型,再发展到分布式水文模型;通过水文模型预报方法,结合气象水文耦合预报实现实时洪水预报并进行动态评估,不断提高洪水预报的精度和预见期,为暴雨洪涝灾害预报提供可靠数据和决策依据。最后,在总结归纳基础上,指出了当前暴雨洪涝灾害预报方法的不足,提出了不断提高水文观测技术、加强分布式水文模型与地理信息系统的耦合、加强与气象模型的耦合等方面的研究是进一步提高暴雨洪涝灾害预报准确率的主要发展方向。

基于不同物理参数化方案的中小流域降雨径流集合预报

气象水文耦合预报能够延长洪水预报预见期,针对预报结果不确定性大的问题,选取东南沿海地区的梅溪流域为研究区,以2012年8月3日“苏拉”台风和2014年6月17日“海贝思”台风引发的降雨洪水为例,开展气象水文耦合下的集合预报研究。依托WRF(weather research and forecasting)模式建立基于36种物理参数化方案组合的降雨集合预报集,并通过耦合WRF模式和梅溪流域分布式水文模型,实现降雨径流集合预报。结果表明:在不同物理参数化方案下,数值降雨预报结果有一定差异,且对降雨空间分布的预报效果优于降雨时间分布,更容易准确描述时空分布均匀的降雨,很难捕捉短历时强降雨;采用集合预报的方式能够有效降低洪水预报的不确定性,当预见期超过6 h时,对于时空分布均匀的降雨,相应洪水过程的洪峰流量预报误差R_(f)为11.30%,能够准确反映洪峰量级,峰现时间提前2 h,相比基于“落地雨”开展的洪水预报有一定优势;基于异方差扩展型Logistic算法对预报降雨进行处理后,能够有效提高降雨预报精度,但对于时空分布不均匀的降雨,洪峰流量误差R_(f)由处理前的-86.89%降低至-48.95%,仍有较大的提升空间。