基于定量降水和集合预报的北方旱区中小流域洪水预测研究

李东奎

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

暴雨引起的洪涝灾害一直是威胁人类的自然灾害之一。降水预见期对于洪水产生直接影响，降水预见期的长短直接影响洪水预测的精度。近些年来，结合降水预报和洪水耦合的研究逐步成为热点[1- 5]，目前随着降水数值预报手段的不断发展，各降水预报产品为降水预见期内的洪水预测提供强有力的技术手段。然而由于降水数值预报存在一定的不确定性，在暴雨中心、雨量等级都存在一定程度的偏差。当前，随着短期降水预报技术的兴起，结合多个降水产品进行集合预报方式相比于单一降水预报模式更具有稳定性。北方旱区中小流域洪水具有冻涨陡落的变化特点，通过提高降水预见期的方式为北方旱区中小流域洪水预测提供科学的决策手段。因此本文以辽宁西部某典型区域为研究实例，结合两种降水预报产品分别进行定量降水和集合预报，并将降水预报产品输入TOPMODEL模型[6- 9]中进行预报试验。

1 研究方法

本文结合CMA和JMA两种降水预报产品数据，两种降水预报产品的预报时间为6h，并结合TIGGE降雨集合预报产品数据进行洪水预报试验。TIGGE降雨数据为网格化数据，而实测降水为点站的监测数据，需要将两种数据源进行同化后才可进行比较，本文将降雨监测数据和网格化降水集合预报数据进行面雨量的推求，分别推算不同数据源的面雨量，通过对比分析不同数据源下的面雨量来分析降雨集合预报的适用性。

1.1 实测面雨量

结合泰森多边形法推求各雨量控制站点的权重系数，结合各站点监测降水数据，应用公式(1)进行流域面平均实测降水量的推算：

(1)

式中，ωi—各站点权重系数；pi—降雨监测数据；n—降雨监测站的数目。

1.2 预报面雨量

首先结合各网格点的权重系数，以网格中心距为格网控制面积，将相邻格网中心店的连线作为区域边界线，在流域面积Aj的中心格网面积内的计算其控制面积权重，计算公式为：

ρj=Aj/A

(2)

式中，ρj—控制格网的面积权重系数；A—整个区域面积。

结合降水集合预报每个降水产品推求的面平均雨量，街恶化预报格网点的降水量pj以及控制权重系数ρj，结合公式(3)即可推求每个预报产品的预报面平均雨量：

(3)

式中，Pl—每个预报产品推求的面平均雨量；m—计算网格点数目。

在每个降水预报产品推求的面预报降水量的基础上推求整个流域的面预报降水量，本文采用集合平均的方法来推求面预报平均雨量，即通过设定各预报产品的降雨权重来推求预报均值，推求公式为：

(4)

式中，k—预报产品的数目，本文k=2。

2 实例研究

2.1 区域概况

本文以辽西某典型区域为研究实例，该流域内多年平均降雨量为483.30mm，年平均蒸发量约为1746mm。受东南亚季风影响，降雨时空分布不均，北部少南部多，汛期6～9月占全年的78.70%。绕阳河流域大部属低山丘陵地区，土壤蓄水能力差，各支流平时都干枯无水，汛期洪水多是暴雨产生。流域内水系图及站点分布情况如图1所示。

2.2 定量降水及集合预报下的降水统计试验结果

结合降水统计试验对不同降水预报产品进行预报量级的统计试验，各降水预报产品的统计试验结果见表1、2，并统计了降雨预报产品下各实际降水的发生概率，分析结果如图2所示。

从表1、2中可以看出，各降雨预报产品在辽宁西部小雨、无雨量级下的准确率较高，而在中雨和大雨量级下的准确率相对较低。对于大雨量级下两种降水预报总体有偏小的趋势。对于大雨量级的降水预报在具体应用到小流域洪水预测中还需要进一步进行校正。从图2中可看出，大雨量级下由于点据少，其理论频率拟合度要好于小雨和无雨量级的降水预报。

表1 CMA未来6h各量级降雨预报误差检验结果

表2 JMA未来6h各量级降雨预报误差检验结果

图1 研究区域站点分布图

2.3 定量降水及集合预报下的降水精度对比分析

为对比定量降水及集合预报降水的精度，结合区域两次暴雨实例分析了降水产品的预报精度，对比分析结果见表3、4。

图3 TOPMODEL模型预报试验过程对比结果图

时刻流量/(m3/s)Pa+P+PⅡ/mmP临/mm未来6h实测降雨量/mm未来6h预报降雨量/mm定量集合预报2013/08/03 18∶0014565.382.532.518.222.12013/08/03 24∶00238126.548.345.329.545.62013/08/04 06∶00265138.421.22.58.310.52013/08/04 12∶00345175.236.50.00.00.0

从表3、4中可以看出，降水结合预报方式相比于定量降水下各时间段的降水预报值和实际降水值之间的差值较小，但两种方式下的降水预报产品总体上预报值和实际值的误差还较大，因此在具体应用时，还需要结合其他的降雨数据源对降水数值产品进行校正。

2.4 基于定量降水及集合预报方式下的预报试验结果

结合区域2011年以后的暴雨洪水数据，结合降水集合预报产品，采用分布式水文模型TOPMODEL进行预报试验，预报试验结果见表5。

从表5中可以看出，采用定量降水及集合预报方式下的降水可以充分延长降水预见期，但是在区域洪水模拟精度上还欠佳，从表5中可以看出，峰现时间和洪峰合格率较低。这主要是因为辽西旱区小流域洪水呈现陡涨陡落的变化特点，受到暴雨时空分布影响较大，较长预见期的暴雨反而对区域洪水预测影响较大；其次是降水集合预报在大雨量级精度不高，而区域洪水主要是大雨量级造成的，综上，可见定量降水及集合预报方式下辽西旱区小流域洪水预测精度总体不高，但是可以为防汛决策提供洪峰以及洪现时间的范围。

表5 基于降水集合预报方式的区域预报试验结果

3 结论

(1)在北方典型旱区，各降水产品在大雨量级的预报准确率总体偏低，在小雨量级下的预报准确率相对较高，在大雨量级的降水集合预报时还需要进行深入的校正研究。

(2)受北方旱区小流域洪水特点和降水集合预报准确率的综合影响，定量降水和集合预报下的洪水预测合格率较低，适用性不高，但是这种方式可以延长预见期，并可为防汛决策提供洪峰以及洪现时间的范围。

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