陆气耦合洪水预报技术应用研究

胡春歧，赵 才

(1.河北省水文水资源勘测局，河北石家庄050031；2.山东水利职业学院，山东日照276826)

0 引 言

洪水预报是依据已知的水文、气象信息，采用预报技术和方法，对未来一定时期内的洪水状态进行定性或定量的预测。灾害防御有关部门依据这些预测预报信息，进行提前调度和做好防范工作，洪水预报可最大限度地减少洪水灾害损失。洪水预报作为流域防洪减灾的重要非工程措施，在历年防洪减灾工作中发挥了巨大作用。

近年来，随着计算机、遥感、雷达、地理信息等技术的飞速发展，洪水预报有了更多新技术和手段，使洪水预报逐渐向水文—气象耦合、水文学与水力学相结合的方向发展。

根据河北省水利流域气候特点，本文以大清河系阜平水文站以上流域为研究对象，采用当前国际洪水预报学科的新理论和新技术，结合该流域实际特点，通过陆气耦合和实时预报校正等先进技术，对流域洪水进行预报。该洪水预报系统大大提高了北方地区流域的暴雨数值预报精度和可靠性，有效延长了洪水预报预见期，对主动应对洪水灾害、降低洪灾损失以及监管下游水库的入库流量等工作具有十分重要的现实意义。

图1 大清河水系及阜平以上流域示意

1 流域概况

阜平以上流域地处太行山区西北部，位于大清河水系南支沙河上游，流域面积2 210 km2。多年平均降雨量在600 mm左右，土地利用以林地和耕地为主，水土流失情况较为严重。流域内洪水均主要产自汛期暴雨，有暴涨暴落、断面冲淤变化较大、水位流量关系不稳定等特点。阜平以上流域能够基本反映太行山区流域下垫面状况和降雨产流特性，在北方半干旱、半湿润地区具有较强的代表性。大清河水系及阜平以上流域地理位置见图1。

阜平以上流域受低纬度天气系统影响，是大暴雨相对较多的地区，降雨具有历时短、强度大、雨量集中等特点，暴雨产生的洪水陡涨陡落，汇流时间短，洪水预报的预见期较短，大大增加了洪水预报的难度。根据流域1958年～2015年的暴雨洪水资料统计，十年一遇以上的洪水共发生5次，最大洪峰流量出现在“63·8”洪水，实测最高水位为254 m，最大洪峰流量为3 380 m3/s。建立陆气耦合洪水预报模型，提高暴雨洪水的预报精度，延长洪水预报预见期，对保障流域下游地区的防洪安全以及监管下游水库的入库流量具有重要的现实意义。

2 基本思想

本研究以延长洪水预报预见期为目标，采用陆气降雨数据同化技术，改进数值大气模式的降雨预报成果精度，并与分布式河北雨洪模型进行耦合进行洪水预报。研究思路是：首先，将中尺度数值大气模式(即WRF模式)的物理参数化方案进行本地化筛选分析，形成适合阜平以上流域气候特点的集合预报集；其次，利用三维变分数据同化(3DVAR)技术对以天气雷达为主的多源气象监测数据进行同化，为洪水预报模型提供更可靠的降雨数值预报成果；最后，把WRF模式输出的降雨数值预报信息，作为分布式河北雨洪模型的输入实现陆气耦合洪水预报系统。具体思路如图2所示。

2.1 WRF模式

WRF模式由预处理、主程序、后处理3部分构成。WRF模式采用高度模块化和分层设计，程序结构分为驱动层、中间层和模式层，用户可根据实际情况做出不同选择，使比较模式性能和进行集合预报成为可能，WRF模式系统组成如图3所示。从云尺度到天气尺度是WRF模式预报的重点，主要考虑1～10 km的水平分辨率。垂直方向采用地形跟随的质量坐标(即从0-1的eta分层)，水平方向采用大气模式的Arakawa-C网格，时间积分采用时间分裂积分法，声波项采用时间分裂小步长方案，非声波项多采用三阶Runge-Kutta算法。

2.2 三维变分数据同化

三维变分数据同化技术是实现对常规监测信息和非常规监测信息同化的主要方法，三维变分同化技术能够体现复杂的非线性约束关系，分析结果更有连续性、物理一致性和动力协调性。其实质是求解一个分析变量，使得一个衡量分析变量与背景场和观测场之间距离的目标泛函达到极小值。该目标泛函为

图2 陆气耦合洪水预报系统结构示意

图3 WRF模式系统组成

(1)

式中，X为所求的数值预报模式初始状态的最优解；Xb为背景场；B为背景场误差协方差矩阵；Y0为观测向量；H为观测算子，将模式变量由模式空间投影到观测空间；R为观测误差协方差矩阵，其中，R=E+F，E为仪器观测误差协方差矩阵，F为观测代表性误差协方差矩阵。

2.3 分布式河北雨洪模型原理与方法

2.3.1河北雨洪模型结构

河北雨洪模型是“先超渗，后蓄满”综合产流模型。该模型把天然径流分为地表径流和地下径流两种水源， 认为当降雨强度大于下渗强度时产生地表径流，下渗部分满足土壤缺水以后产生地下径流。地表径流和地下径流分别进行汇流计算，然后进行过程叠加形成流域出口断面的洪水过程，模型结构如图4所示。

图4 河北雨洪模型结构示意

2.3.2分布式河北雨洪模型构建

分布式河北雨洪模型以栅格作为计算单元，各栅格的降雨、蒸散发、产流及分水源的计算分别采用河北雨洪模型原理，计算出每个栅格上的张力水蓄水容量与自由水蓄水容量，得到每一个栅格单元的产流量和地表、地下二种水源，然后根据栅格汇流演算次序矩阵，将每一个栅格上的地表径流按照Muskingum法逐栅格演算至流域的出口，地下径流则采用新安江模型中线性水库的方法演算至流域出口[3]。在进行栅格演算时，如果当前栅格的土壤含水量未达到饱和，则上游栅格的产流量首先补充当前栅格的土壤含水量；如果当前栅格有河道存在，属于河道栅格，则地表径流、地下径流将按比例的把部分流量汇入河道中，河道单元采用自上而下的Muskingum法逐栅格进行演算。分布式河北雨洪模型计算流程如图5所示。

图5 分布式河北雨洪模型流程示意

表1 模型参数和参数率定成果

3 模型应用

3.1 模型参数的参数率定与检验

根据阜平以上流域近年来暴雨洪水实际情况，选取1996年～2013年内的11次暴雨洪水资料对模型进行应用研究。其中采用9场次暴雨洪水资料进行模型参数率定，2场次进行模型检验。

分布式河北雨洪模型共包括10个参数，其中产流过程参数7个、汇流过程参数3个。采用流域9场次暴雨洪水资料，利用SCE-UA (Shuffle Complex Evolution)算法自动寻优[1]，算法对模型参数进行率定，得到阜平以上流域的分布式河北模型的最优参数组合，各参数的名称、含义、取值范围以及最优解结果见表1。利用1996年～2013年间的另外2场次暴雨洪水对分布式河北雨洪模型进行检验，模型参数率定及检验结果见表2。由结果可知，模型参数取值合理。

表2 阜平以上流域模型模拟及检验分析成果

3.2 陆气耦合预报模型应用

为了充分探究陆气耦合洪水预报模型的应用效果，分别将未经过数据同化的预报降雨和经过数据同化的预报降雨作为分布式河北雨洪模型的输入，对比数据同化前后洪水预报过程的成果精度，见表3所示。由表3可知，以数据同化的预报降雨为依据进行洪水预报的成果，较未经数据同化的预报降雨为依据的预报成果精度有较大幅度提高。

表3 阜平以上流域模型率定及检验成果

4 结 语

在分析了雷达数据和传统气象监测数据的特点的基础上，制定了以天气雷达数据为主的多源数据同化方案，提高了降雨数值预报成果的精准度。采用WRF模式、基于三维变分数据同化技术构建水文预报模型，以数据同化的WRF模式预报降雨作为输入，耦合构建了适用于半湿润半干旱地区的分布式河北雨洪模型，开展天气雷达多源数据同化支持下的陆气耦合洪水预报，可以有效增长洪水预报的预见期。

在今后的研究中，应探索更加多源的数据同化方案，分析不同数据同化方案对降雨在不同空间尺度上的改进效果，为进一步提高洪水预报精度、延长洪水预报预见期奠定良好基础。