基于集合预报的淮河流域洪水预报研究_包红军

收稿日期：2010-05-23

基金项目：公益性行业（气象）科研专项（GYHY200906007；GYHY20100637）；国家自然科学基金项目（41105068）

作者简介：包红军（1980-），男，博士，高级工程师，主要从事水文气象流域水文模型及洪水预报研究。

E-mail ：baohongjun@

水

利学报SHUILI XUEBAO 2012年2月

第43卷第2期

文章编号：0559-9350（2012）02-0216-10基于集合预报的淮河流域洪水预报研究

包红军1，2，赵琳娜1，2

（1.中国气象局公共气象服务中心，北京100081；2.国家气象中心中国气象局，北京100081）

摘要：建立基于集合预报的淮河具有行蓄洪区流域洪水预报及早期预警模型。在洪水预报中引入数值天气预报以延长洪水预报的预见期。集合预报采用多模式和多分析集合预报技术，考虑初始场的不确定性和模式的不确定性，避免“单一”确定性数值天气预报结果易存在的预报误区。THORPEX 项目支撑的THORPEX Interactive Grand Global Ensemble （TIGGE ）集合预报目的是建立全球交互式预报系统。本文以淮河流域为试验流域，以TIGGE 集合预报（加拿大气象中心（简称CMC ，集合成员数为15个）、欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF ，集合成员数为51个）、英国气象局（简称UKMO ，集合成员数为24个）、美国国家环境预测中心（简称NCEP ，集合成员数为15个））驱动构建的水文与水力学相结合的具有行蓄洪区流域洪水预报模型以达延长洪水预报的预见期，新安江模型用于降雨径流计算、一维水动力学模型用于河道洪水演算，实现洪水预报及早期预警。为了进行比较，同时采用地面雨量计观测降水驱动构建的洪水预报模型，对2007和2008年淮河汛期洪水进行检验。结果表明，基于TIGGE 集合预报驱动的洪水预报预见期延长了72~120h ，证明了TIGGE 集合预报可以应用于洪水预报及早期预警。

关键词：洪水预报及早期预警；TIGGE 集合预报；新安江模型；一维水动力学模型；淮河

中图分类号：P333文献标识码：A

1研究背景

降水是洪水预报中最重要的信息之一

［1-2］。洪水预报业务中往往直接采用水文站/雨量站观测降水和雷达测雨资料［3］。而对于中期预报，应用预见期内的降水预报，是延长洪水预报预见期的最有效途

径之一。现行的降水预报方法对于中期的定量降水预报（15d 内）主要依靠数值天气预报（Numerical Weather Prediction ，简称NWP ）。随着近年来数值天气预报水平的逐渐提高，利用定量降水预报来延长中期洪水预报的预见期、实现洪水早期预警已经成为可能。“单一”的确定性数值天气预报模型，由于初值误差、模式误差以及大气自身的混沌特性，其数值预报结果存在很大的不确定性。在洪水预报中，直接使用“单一”模式的预报结果，仅追求提高模式分辨率，期望以此改善对暴雨等强对流天气的预报能力，可能会将数值天气预报在洪水预报领域的应用引入一个误区，导致洪水预报结果存在较大的偏差。近年来，集合数值天气预报技术的发展，为降水预报、洪水预报及早期预警提供了新的思路［4］。由于集合预报系统（Ensemble Prediction System ，简称EPS ）能够很好地考虑到模型的不确定性、边界条件的变化以及数据同化，国外学者已经尝试将集合预报应用于洪水预报及早期预警和洪灾风险评估中［5-10］，而国内这方面的研究相对较少。［11］

本文基于THOPEX 项目，尝试将TIGGE 集合预报应用于中国河流的洪水预报及洪水早期预报中。选择淮河流域作为试验流域，以TIGGE 集合预报中的加拿大气象中心（简称CMC ，集合成员数为15个）、欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF ，集合成员数为51个）、英国气象局（简称UKMO ，集合成员数为24个）和美国国家环境预测中心（简称NCEP ，集合成员数为15个）的降水资料（0~240h ）驱—

—216

图1淮河王家坝以上流域分块

图2淮河王家坝至鲁台子段河系概化

动构建的水文与水力学相结合的淮河洪水预报模型进行洪水预报及早期预警研究。

2流域简介与概化

淮河流域发源于河南省桐柏山，在江苏省境内三江营注入长江，干流全长约1000km 。淮河流域分上、中、下游，洪河口以上为上游，落差大，水流急。洪河口至三河闸为中游，河道坡降平缓，沿干流两侧多湖泊洼地，淮河中游洪水在此蓄滞回旋。三河闸以下为下游。鲁台子处于中游，鲁台子以上流域汇水面积为8.86万km 2

。王家坝以上为淮河上游，王家坝站是上游的总控制站，集水面积为30672km 2。王家坝至鲁台子河段内支流多、水量大量集中，集中淮河水量达80％；地形复杂、位置重要，有3个行洪区：南润段、润赵段和邱家湖；4个蓄洪区：蒙洼、城西湖、城东湖和姜唐联湖。淮河中游一直是淮河流域防汛的重点。本文以王家坝站分界点将研究流域的洪水预报分为王家坝以上流域（淮河上游）（图1）与王家坝至鲁台子河系（淮河中游）（图2）两部分进行研究。淮河王家坝以上流域根据流域内水文站的布设和自然流域的边界，将流域划分为10个子流域，王家坝站为流域出口断面，进行降雨径流预报（如图1）。干流王家坝至鲁台子段河系洪水预报是河道汇流为主线，源头及区间降雨径流的分布式结构（如图2），采用考虑行蓄洪区的水动力学模型进行预报，水动力学模型的上边界条件为王家坝站的预报过程，淮河干流支流洪水作为旁侧入流进行水动力学模型计算，从而实现整个淮河鲁台子以上流域的洪水预报。—

—217

3TIGGE集合预报驱动的水文与水力学相结合的洪水预报模型的构建

气象集合预报系统（EPS）从其实质上讲又可称之为概率预报系统，其最终目的是提供大气变量的完全概率预报。集合预报技术经历了不断的发展完善，从以前仅考虑初始场的不确定性发展为同时考虑模式的不确定性，进而发展到多模式和多分析集合预报技术。TIGGE（THORPEX Interactive

Grand Global Ensemble）集合预报是世界气象组织“观测系统研究和预报实验”项目的重要组成部分，在全球范围组织各气象业务中心的集合预报开发与合作，并计划发展成为未来的“全球交互式预报系统”。世界上各个气象中心加入TIGGE的时间基本均在2007年之后。

本文构建一个TIGGE集合预报驱动的水文与水力学相结合的洪水预报模型，实现具有行蓄洪区复杂水系的洪水预报及早期预警预报：即将集合预报系统中每个成员（世界上各个气象中心的集合预报系统都包含若干个成员，每个集合成员产生一组预报降水，如表1中所示：加拿大气象中心、欧洲中期天气预报中心、英国气象局、美国国家环境预测中心分别含有15、51、23、15组集合预报降水。）预报的降水过程分别驱动洪水预报模型，得到与集合预报成员相同数目的洪水预报过程，从而进行洪水概率预报过程研究。由于2007年淮河大洪水发生时，加入TIGGE数据库的气象中心只有6个：加拿大气象中心（CMC）、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、英国气象局（UKMO）、美国国家环境预测中心（NCEP）、日本气象厅（JMA）和中国气象局（CMA）。在TIGGE数据解压缩过程中JMA和CMA的TIGGE数据在解压过程出现了错误，因而本文使用CMC、ECMWF、UKMO和NCEP等4个气象中心预报的TIGGE数据，见表1。

世界气象中心成员

表1本文使用的TIGGE

TIGGE集合预报降水数据为分布式的栅格数据，本文使用的栅格数据分辨率为25km×25km［10］。国内外研究表明，对于洪水预报中降水的时空分布而言，水文模型的空间分辨率并不是越小越好，而是与降水的时间和空间尺度大小有关［12-15］。分布式水文模型所要求的栅格降雨空间分辨率一般在1km×1km［12，14］。将TIGGE降水应用于分布式水文模型首先必须进行尺度转换（降尺度），这一直是水文气象耦合技术中难点之一［10-11］。而对于概念性水文模型，如新安江模型，在洪水预报中其子流域大小一般为200~800km2，与栅格雨量的空间分辨率相近，只需要对子流域内TIGGE降水量按面积比例合并尺度转换即可［15］，这样可以大大减少雨量尺度转换导致的误差。在我国，新安江模型被广泛应用于洪水预报中，并取得不错的应用效果。因此，本文选择新安江模型［16］对王家坝以上流域进行流域降雨径流预报，淮河干流王家坝至鲁台子干流洪水预报研究采用一维水动力学模型［17］，淮河上游出口断面王家坝站洪水预报过程作为中游水力学模型的上边界条件。考虑到流域汇流时间，鲁台子站的洪水预报预见期有5d以上，时间步长取为6h。水文与水力学模型是由1980—2006年的淮河流域历史水文资料率定。

淮河流域存在水库、水闸和行蓄洪区等多种水利工程，流域水文系统的降雨径流及洪水过程预报是一个十分复杂的问题［17-19］。淮河流域中下游为丘陵和平原区，河底比降平缓，不太适合建大型的水库，防洪工程主要堤防以及借助于沿河道及两岸地形条件修建的行蓄洪区。本文构建的淮河洪水预报模型中对行洪区采用分流比法进行行洪流量分配，蓄洪区作为水库处理。行洪区内洪水演算采用马斯京根法，行洪区只有蓄满时，才会有出流；蓄洪区内部，不考虑洪水演进，只进行水量平衡以判别是进洪或者出流。具体行蓄洪处理方式以及水文模型、水力学模型率定请参见文献［17-20］。

—218

—