气象在水利山洪灾害预防中的作用

张晨阳，任慧芳，袁甲坤，刘方

1.内蒙古自治区大气探测技术保障中心；2.土默特左旗气象局

山洪灾害覆盖面大、破坏性强、防治难度大，是当前我国防洪减灾的突出薄弱环节。之所以实施防范如此困难，是因为山洪灾害具有突发性和快速性，而大部分灾害主要是由于预警系统的缺失造成的，因此可以延迟预测时间，为应对山洪灾害的预防和管理创造必要的决策时间和机会，有着特殊而重大的意义。当前在我国山洪预警工作当中仍以监测预警为主，即采用实时雨量的监测，对超出预警指标的城镇及相关人员预警发出信号。但由于监测预警预报周期短，在一定程度上也给山洪灾害的预防造成了障碍[1]。因此，如何延长山洪预警周期，提高山洪预警的准确性，成为山洪灾害防治的关键。水文耦合预测科学技术是回答这个问题最科学的方法。一方面，通过水文建模实现黄河流域的防洪预警，已通过流域汇流时间综合处理上游流域暴雨和下游流域灾害的监测预警问题，再将预测降雨量作为防洪预警水文模型的有效输入，延长预警周期，实现基于防洪的预报预警；另一方面，可以通过水文模型动态测量临界降水量，并与预测降水量值进行对比，判断预警级别，从而实现基于降水量的预测预警[2]。

一、我国区域暴雨主要特征

降雨是我国水文资料环流中主要发展过程之一，在我国大气环境中可分为水汽从地面或地物垂直向低空移动的水凝聚物和水汽从高空向地面移动的水凝聚物两种类型。降雨是指在一定的特定时间内，从空中向地面移动的雨水，在一定的水平上形成一定的集中深度，不会出现挥发、侵蚀、流失等问题；而降水只是指与后者方向不同的可以垂直管理的降水。暴雨是指短时间内发生的大范围降雨，可以是5分钟、10分钟以上、1小时甚至24小时。以1971年7月1日山西省太原市梅洞沟53.1毫米的降雨为例，以1967年10月17日24时中国台湾省李心寮1672.0毫米的降雨为例。降水分类（GBU002FT28592—2012）和中央气象台划分了不同时段的降水等级（表1）。但鉴于我国幅员辽阔，南北、海陆气候变化差异较大，降水强度差异较大，暴雨标准不能同时讨论。比如新疆农村地区，24小时暴雨的标准为24.1-48.0毫米。另外，对于相同的降水量，在较短的时间内下降更容易导致灾害或更严重的灾害，要特别注意“短时暴雨预报（中央气象台业务规程规定1小时降水量≥20毫米）”。

表1 不同时段降雨量等级划分表

一年中我国每个月都会出现暴雨、大暴雨，其中大部分都集中在暖季，和大气环流的季节变化、季风系统的影响有关。华南第一个汛期的暴雨一般集中在4-6月份，暴雨多并且发生在副热带高压北部的西风带。同时在5月中旬以前，暴雨带在华南北部，大部分为北方冷空气入侵造成的锋面降雨。在5月中旬以后，受东亚季风气候影响，暴雨带逐渐向华南及沿海地区移动，地面雨量持续增多，但大部分暴雨降落在冷锋型前的暖区。在6-7月，由于西太平洋副热带高压第一次季节性向北抬升，我国强气候雨带将逐渐进行北移进入我国长江中下游地区，在这期间持续的阴雨天气也被称为“梅雨”。对流层中低层维持一条较高的江淮切变线，并保持地面准静止锋（又称梅雨锋）。暴雨多发生在梅雨期，是我国夏季最主要的暴雨灾害。大部分时间，是从7月下旬到8月上旬，副热带高压第二次向北跳跃时，华北和东北地区进入重要的雨季。

我国城市暴雨，尤其是暴雨极值的划分，与我国的地质环境密切相关，多发生在我国山区迎风坡，以及平坦山区与河谷的过渡地带[2]。比如华南极端暴雨一般出现在石湾山、云开山、南岭山脉的迎风坡；海南岛极端暴雨一般出现在五指山的迎风坡，中国台湾省极端暴雨值一般出现在其中东部丘陵的迎风坡。东南沿海的极端降雨值一般分布在东南丘陵和武夷山的迎风坡。华北暴雨极值也与区域气候密切相关。暴雨一般发生在华北平原与周边山区的过渡地带。而我国西南地区极端暴雨多发生在青藏高原东部地形梯度区、秦巴山区南部和大庙岭地区。

林建[3]等人分析了1981-2010年中国暴雨日数的分布特征。我国暴雨日数自东南向西逐渐减少，淮河流域地区，包括中国南方大部分地区、四川省东部和重庆市，通常持续3天以上。包括中国南方大部分地区和江西，广西防城港，广东阳江上川岛、海丰市、陆丰市，海南岛东南部琼中至万宁，每年长江中下游、海河流域、辽河流域等地通常需要1-3天；然而，中国中西部沿海地区偶尔有暴雨。除了一般的降雨要求外，暴雨的物理要求必须有足够的水汽供应、强烈地向上运动和相当长的时间。中国区域风暴水汽的重要来源是西北太平洋、孟加拉湾和太平洋。在良好的气候条件下，低层或边界层的偏南急流持续输送。中尺度气候系统的强向上运动一般由中尺度气候系统组成，与不同尺度气候系统的功能有关。中等尺度的强向上运动速度比大尺度强1～2个数量级，是暴雨的关键因素。降雨的持续性直接影响降雨量。当天气尺度系统的运动减慢或停顿时，即使水汽供应特别充足，并伴有相应的大气分层不平衡，也更容易产生暴雨。此外，雨水的“列车效应”也容易造成累积雨水的大幅增加。

二、气象水文耦合预报研究进展

（一）降雨预报研究

（1）在20世纪50年代，多普勒天气雷达发展迅速。多普勒效应是天气雷达系统及时捕捉和分析天气快速变化规律的物质基础。通过目标回波的强度和持续时间可以判断降雨粒子的特征和空间方位，根据反射因子与降水强度统计数据的相关性可以预测降雨的分布和强度。同时，通过回波可以外推降水的发展和历史变化，对我国降水进行临近预报。利用雷达回波外推实现0～3h天气预报并逐渐成为临近预报的重点发展方向[4]。目前可分为三种类型：①识别和跟踪中强雷暴的简单跟踪算法；②识别和跟踪强降水区域的回波区域跟踪算法；③基于深度学习的邻近预测算法。现在应用最广泛的算法是回波区域跟踪算法，深度学习的近距与预测算法更具发展潜力。

（2）数值降水预测主要依靠数值大气模式的发展。在20世纪初，形成了数值大气模式的雏形，直到20世纪80年代，数值大气模式才迅速发展起来。在过去的90年里，一些中尺度数值大气模式已经相当发达，其中最经典的就是区域尺度天气场预报（Eta）模式、COAMPS模型、UKMO模型、MC2、MESO-NH、MM5、WRF等新型数值大气模式，通过更灵活的空间分辨率设置、更快速的计算、更方便的应用及其与数值同化系统的集成，可以同化各种常规和非常规气象观测数据，也可以降低降水预报的不确定性，从而增强预报的准确性[4]。目前，数值大气模式可以根据不同的需求，并且进行三维定量降雨预报和15d参考降雨预报。

（二）流域水文模拟

水文模拟技术主要利用水文模型的建立来模拟和预测复杂的水文过程。自生产汇流理论提出以来，水文分析模型得到快速发展。一般来说，可以分为集中模型和分布式模型。集中水文模拟将整个黄河流域视为一个平衡的整体，没有考察黄河流域的空间异质性，即降水的空间结构分布也是平衡的，黄河流域的边界条件和几何特征不会发生变形，因此模拟过程中的水文过程不会发生变化，这一点用斯坦福模型和水槽模型来表达。随着现代计算机操作系统能力的增强，水文学家开始考虑降水的空间异质性和地下地表条件的空间异质性。典型模型包括系统水文模型、拓扑模型、可变输入容量模型、SWAT模型等。中国最著名的水文模型是分布式三水新安江模型[5]。利用水文模型实现和设计洪水预报的例子有很多，但不同的模型在各种天气环境条件和地下地表条件下有不同的效果。目前大部分水文模型在我国南方湿润地区应用较好，但受人类活动和天气的影响，在我国北方应用不太好，这也是利用水文模型预报防洪的最大困境。

（三）气象水文耦合预报

以降水为纽带，天气模型和水文模型耦合的洪水预报方法简称为天气—水文耦合预报。目前国外雷达短时预报技术已应用于水文预报，世界气象组织水文理事会也将中小流域雷达短时预报技术作为国际水文预报的重点发展目标之一。海洋和大气环境局、日本气象厅和美国国家发展委员会土地、基础设施和运输部已经完成了雷达近距预报在国际洪水预警系统中的应用。实时降水和流量预报系统由英国雷达预报和临近河流预报系统（resettrigger）及法国国家山洪灾害预报预警系统（AIGA）联合开发，集成开发临近降水预报和分布式水文模型，取得了良好的应用效果。由于新一代天气雷达网建立相对较晚，近期预警效果仍与国外双极化雷达不同，同时受到水利部门天气组织和雷达数据共享障碍的制约。目前，我国将雷达数据近预警应用于洪水预警的成功实例很少，还处于进一步研究和探讨的阶段。数字降水预报的预报周期比雷达短时预报要长，但其预报精度通常不如雷达短时预报。目前国外一些农村地区数字降水预报的精度要求已经比较稳定可靠，并已应用于英格兰中东部地区、荷兰沿岸国家、美国中东部地区等中小型流域的防洪预报。在我国，数字降水预报技术主要用于国家大中型河流的防洪预报和管理，特别是国家重点河流和水电站的管理和蓄水建设。

三、山洪灾害气象预警技术

（一）分布式水文模型的山洪灾害气象预警

我国的洪水预报，流域水文模型仍主要用于预测水文要素。根据国务院《全国山洪灾害防治规划报告》，山洪流域面积一般在200k㎡以内，流域内往往缺少降雨和水文观测[6]。无资料丘陵区西沟小流域水文过程一直是水文和山地灾害研究的难点。例如，在山洪预警中，分布式水文模拟可以更好地调查模型网格点的降雨预报输入值和流域内下垫面的空间结构分布，从而计算流域区域的精细化水文需求，按照预警标准对流域区域网格点的山洪灾害进行气象预警。由于山洪往往是陡坡急流形成的，模型必须能够兼顾简单高效的预测计算特点。因此，采用控制容积法的分布式水文模拟是山洪灾害预测研究中最重要的类型，它结合了概念特征和物理特征。如HL-RMS分布式水文模型、GMKHM分布式混合径流水文模型、分布式新安江水文模型和分布式渗滤径流水文模型（Grid-GA模型和Grid-GA-2D模型）等。

在西沟小流域QPE、QPF区域精细化的基础上，采用分布式水文地质建模输入，通过驱动水文地质建模实现山洪水文地质要素的预测过程。由于低丘区西沟等小流域，普遍缺乏长系列水文气象资源作为建模参数，如何获取参数平均值成为分布式网络结构下水文模拟应用的难题。Foody[7]等基于小流域地貌特征和下垫面信息获取SCS曲线参数，研究基于分布式结构水文分析模型的山洪预报。Chahinian等人比较了Horton、Philip和SCS径流模型在山洪预报中的应用[8]。影响山洪的径流过程经常发生，既有完全径流，也有过量径流。鲍等人以四川嘉陵江大沟流域为例，利用中国气象局和驱动的GMKHM分布式混合产品逐时水文模型进行山洪预报，取得了比分布式新安江模型更好的预报精度[9-10]。

（二）基于致灾雨量阈值的山洪灾害气象预警

根据中国气象局山洪灾害风险普查山通沟溪小流域信息和水文气象资料，划分以下四种情况计算致灾雨量阈值：

（1）水文资料（包括水位、流量资料）齐全的流域，同时采用统计法和水文模型法。

（2）具有部分水文资源（仅水位资源）的小流域同时使用统计方法和水动力模拟方法。

（3）对于无水文监测资源、有典型洪水淹没水位记录的流域，可采用实地调查结合洪水动态模拟。

（4）既无水文观测资料，也无典型山洪，可类比。特别是这里的类比方法，并不是用同样地形和土地利用的山洪临界雨量，而是用上述方法（1）至（3）之一标定的水动力模型模拟山洪淹没场景，确定山洪临界雨量。截至目前，中国气象局已经完成了山头溪沟13000多个小流域4级预警气象阈值的确定。

四、结束语

耦合水文天气预报技术涵盖多个专业和科学领域，是我国山洪灾害预警技术科学研究的前沿和热点，也是我国山洪灾害预警技术进一步发展的重要方向。目前，我国天气—水文耦合天气预报技术在我国主要河流预报和运行中的应用和研究已经普及，特别是在水电站资源优化配置方面发挥了关键作用。但在洪涝灾害防御方面，我国天气—水文耦合天气预报的关键技术仍处于探索性研发阶段。

主要因素包括：（1）降水预报精度仍有较大提升空间，局地强降水预报精度不能满足准确的山洪灾害预警需求；（2）气象部门与水利部门数据共享存在障碍；（3）我国不同地区山洪发生的主要因素差异较大，气候气象条件和下垫面条件存在一定差异。天气耦合预测技术也必须进行适应性测试。

山洪的快速发展急需一定的响应时间。气象耦合预警最大的优点是可以延长预警周期，因此在山洪灾害防御中具有非常广阔的应用前景。我国山洪灾害天气预警研究进展顺利，也为进一步研究应用奠定了坚实的基础，增强了信心。

随着我国经济社会信息化的逐步推进和深入，大数据分析、云计算技术、人工管理智慧等新思路和新方法将有效应用于山洪灾害防御的逐步分析中，天气水文耦合预报能力也将快速提升。

（1）充分利用气象观测资源，对降水预报的研究和可行性评估，为降水预报，特别是短期定量降水估计和预报提出了新的工作思路。有科学研究证实，其预测效果高于目前雷达测量近地面预测和大气数值模拟的预测结果，可为山洪灾害防御提供更可信的预测信息。

（2）形成合理的协同联动机制，建立全国气象水文信息数据共享云平台，率先开展大数据中的“气象水文耦合”研究，为推动气象水文信息耦合预报技术在山洪灾害防治中的应用奠定坚实基础。

（3）调查研究天气—水文耦合预报在各种环境气候、气象和下垫面条件下的适应性，从而建立我国天气—水文耦合预报技术的参数库，解决我国天气—水文耦合预报技术与世界各国和地区山洪灾害风险防范的差异。