多尺度水文水资源预报预测预警关键技术及应用研究

余钟波，杨传国

（1. 河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098）

水资源是21世纪最重要的战略资源之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将水资源问题列入重点领域的首要问题，加快水利建设，加强水利防灾减灾体系建设，是十八大以来我国生态文明建设战略任务的重要内容。我国人均水资源量低，时间和空间分布不均，洪涝干旱灾害频繁。国家水资源高效开发利用的迫切需求，对水文水资源学科及行业提出了更高的要求和挑战，为学科发展和行业能力提升带来了新的机遇，亟需提高水文水资源多尺度预报预测预警水平，实现水资源智能调度与精细化管理。

1 项目重大意义

在气候变化与高强度人类活动共同作用下，水循环时空规律发生了复杂变异，极端气候和水文事件时空格局出现了新特点，水文节律非稳态增强，不确定性加剧。现有水文科学理论和方法，无论是物理还是统计的都难以对此进行精细刻划和揭示，提高不同尺度降水和水文水资源预报预测精度仍是水文科学界和工程界面临的难题，正在发展的大数据、星地遥感技术、全景物理实验、人工智能和动力学数学模型的结合，为流域水文循环的精确模拟提供了新途径，创新变化环境下基于气陆耦合的水文水资源预报预测理论，发展降低控制不确定性的多尺度预报预测预警技术和方法十分迫切。

2 项目总体目标

项目通过水文物理实验、高强度人类活动影响下的产汇流规律、天地一体多源数据融合同化、气陆双向耦合的降水与水文水资源模型、不确定性溯源与降低技术等系统研究，预期创新多尺度气陆耦合的水文水资源预报预测理论和方法，建立多源数据融合同化及短中长降水可利用度评估规则与标准，提出不确定性降低控制技术，研发新一代水文水资源预报预测预警通用模型软件平台，延长预报预见期10%以上，提高预报精度5%以上，并在我国南北不同典型示范区应用与验证，提升我国防灾减灾能力和最严格水资源管理科学水平，为国家和地区水资源智能调度与精细化管理提供重要科技支撑。

3 项目研究内容

围绕国家重大需求，根据项目总体目标，设置了六大研究内容。

（1）在水文水资源规律解析方面，建立基于物理实验和大数据技术的多要素融合同化技术理论体系，揭示不同区域多尺度水文水资源演变规律。

（2）在降水预报预测方面，改进陆面过程参数化方案，提高降雨预测精度，研究短期降水预报和中长期降水预测产品集成方法，探究随降水预见期延长误差增长规律。

（3）在水文预报理论与模型方面，发展水利工程群/水保工程群/地下水超采下产汇流机理与地表—土壤—地下水交互的耦合技术，建立气陆耦合双向反馈模式，构建基于气陆耦合的水文水资源模型系统。

（4）在中长期水资源预方面，研究非一致性条件下基于大数据挖掘技术的中长期水资源预测模型，发展基于气陆耦合的中长期水资源预测理论与方法。

（5）在不确定性降低控制方面，发展水文水资源预报预测的不确定性描述方法，建立集输入—模型—参数多源不确定要素精细描述的概率预报方法，创新不确定性降低和控制技术及预报预测结果可靠性评估方法。

（6）在云平台集成与应用方面，基于云虚拟化、分布式计算和软件即服务技术，构建数据、算法和模型三层次的云虚拟化业务协同共享体系，在我国南北不同气候区四个典型流域实现多时空尺度水文水资源预报预警的泛在化服务。

4 项目预期效益

在社会效益方面，项目成果将创新变化环境下水文水资源机理、预报预测与不确定性控制理论方法，相关模型、技术和方法被国内外科研机构和行业管理部门采用，提高行业整体技术水平和系统创新能力；培养有国内外影响力的水文气象科研人员和行业技术骨干，为国家高层次人才培养做出重要贡献。

在经济效益方面，项目成果将在我国不同气候区典型流域上开展平台示范集成和业务应用，提升行业机构水文预报和水资源预测能力，在防汛抗旱、应急抢险、水资源调度配置中发挥作用，为国家防总和流域机构应急指挥提供技术支撑，产生显著经济效益，为国家社会经济发展和生态文明建设作出贡献。

图1 技术路线图