未来的水文气象观测平台

气象综合观测的现代化,为我国洪水预警预报技术发展奠定了坚实的基础和带来了发展机遇,随着气象观测的定量降水估算(QPE)和定量降水预报(QPF),是提高流域暴雨洪涝灾害预报能力的必要支撑。此外,在不同频段运行的地基、星载和机械雷达对水文多变量(地面降水、径流量、地表水高、土壤水分和地下水位等)的高时空分辨的遥测将会孕育新的水文气象学革命。     

气象水文耦合的洪水预报研究进展

从洪水预报中定量降水预报应用进展、面向洪水预报的流域水文模型研究进展、气象水文耦合预报不确定性研究进展三个方面系统介绍气象水文耦合的洪水预报研究进展。研究指出,融合预报员预报的格点化定量降水预报技术是提高面向洪水预报的流域降水预报精度的重要方法,中尺度集合预报技术是提升流域局地性强降水预报能力的主要途径;概念性与物理性相结合的分布式水文模型是面向洪水预报的流域水文模型发展方向;水文集合预报是考虑气象水文单向耦合预报不确定性有效解决技术,贝叶斯系列模型可为分析气象水文预报不确定性提供重要的借鉴意义。     

汉江丹江口流域水文气象预报系统

汉江丹江口流域水文气象预报系统在GIS技术的支持下,以水文气象监测网、定量降水估算、定量降水预报、洪水预报技术为基础,通过雷达估算降水技术、中尺度数值模式预报技术获取高时空分辨率的降水信息输入水文模型来进行水文气象预报。以Web形式为基础的汉江丹江口流域水文气象预报系统平台在2010年7月以及2011年9月汉江丹江口两次洪水过程中及时、准确地显示了流域实况降水、预报降水,准确地预报了洪水入库过程。目前系统已成功移植到三峡区间、清江水布垭、淮河王家坝、漳河水库等流域开展汛期试验与服务,取得了较好的应用效果。     

水文气象预报研究述评

简述了水文预报及水文模型、面雨量的计算及应用和水文气象耦合预报方面的研究工作。数值天气预报模式与流域水文模型的耦合，既可提高短、中、长期水文预报预警预见期，又为数值预报模式提供较为科学的陆面过程方案，改善数值天气预报模式预报性能，这种耦合研究，成为了水文气象预报研究的重点方向。     

水文气象预报研究述评

简述了水文预报及水文模型、面雨量的计算及应用和水文气象耦合预报方面的研究工作。数值天气预报模式与流域水文模型的耦合,既可提高短、中、长期水文预报预警预见期,又为数值预报模式提供较为科学的陆面过程方案,改善数值天气预报模式预报性能,这种耦合研究,成为了水文气象预报研究的重点方向。

     

国家级水文气象预报业务技术进展与挑战

近年来,国家级水文气象预报业务已经取得了明显进展,但与国外先进水平相比还有一定的差距.总结了近十年来国内外水文气象预报业务现状和技术进展,目前国家级的技术支撑状况和所面临的挑战,并提出未来发展计划.目前,水文气象预报技术主要是以基于统计学的致灾阈值模型和分布式水文模型等为主,结合大数据分析与人工智能的气象水文地质耦合预...     

1998年宜昌水文站水文气象耦合预报试验结果

为检验是否考虑预见期降雨对水情预报的影响,选取长江上游1998年6月28日至7月2日和8月2～7日两次典型暴雨洪水事件,在作宜昌水文站洪峰流量预报时,将预见期降雨预报应用到水文模型之中,尝试进行水文气象耦会预报试验;其中降雨量由常规降雨预报和气象模型（HIRLAM）定量预报两种方法获得,对宜昌流量预报采用三峡区间降雨径流方案。经试验发现：若预见期发生强降雨天气过程,考虑预见期降雨比不考虑的水情预报效果要好。     

水文气象学领域的水文循环研究进展

气候系统中的水循环处于不断运转演化和更新中。近年来在全球变暖和人类活动的双重影响下,水文循环发生了显著变化,引起了社会和学界的广泛关注。水文循环是气候系统的核心,是连接气候子系统的纽带,也是水文气象学研究的核心问题。近年来国内外学者采用各种观测手段及海-陆-气耦合模型检测和模拟水文循环变化,取得了丰硕成果。对其变化的物理机制和驱动因素有了深入的理解,提高了对其未来可能变化的预测预估水平。文中对最近20余年与水文气象学相关的水文循环发生的变化,引起全球、区域及流域水文循环通量变化的原因,以及未来变化的预测等问题所取得的进展做了较全面的阐述。最后对水文气象学领域水文循环变化研究应关注的问题进行了探讨。     

基于QPE和QPF的遗传神经网络洪水预报试验

以湖北省清江上游水布垭控制流域为例,利用分组Z-I关系并结合地面雨量站资料对雷达估算降水进行校准,计算出流域实况平均面雨量;再利用遗传算法和神经网络相结合的方法建立订正AREM预报降水的模型;最后,将订正前后的AREM预报降水输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明：订正后AREM预报降水能明显提高过程的累计降水量预报精度,平均相对误差减小幅度在60%以上,对逐小时过程降水预报精度也有一定提高,但与实况相比仍有一定差距;订正前后AREM预报降水的洪水预报试验的确定性系数的场次平均从-32.6%提高到64.38%,洪峰相对误差从39%减小到25.04%,确定性系数的提高效果优于洪峰相对误差,整体上洪水预报精度有所提高。     

SWAN中定量降水估测和预报产品的检验与误差分析

采用2010—2011年5—9月河南省区域加密自动站雨量和全省6部新一代天气雷达资料,用点对点统计检验评分方法,分析SWAN系统中定量降水估测(QPE)和定量降水预报(QPF)产品在河南省短时强降水过程中的误差分布,并分别讨论二者在河南省区域与局地强降水过程中的差别及产生误差的直观原因。结果表明:1)SWAN中QPE和QPF均对小时雨量低于10 mm的降水有较好的估测和预报能力;QPE以豫西南和豫北效果最好,QPF在豫中地区预报能力更强。QPE估测较实况偏大;QPF对小时雨量低于20 mm的短时强降水预报略偏大,而对更强降水预报偏小,尤以豫西和豫南最明显。2)QPE和QPF均对区域性降水有更好的估测或预报能力。3)区域降水过程中,QPE对降水中心范围和位置估测较准确,估测值较实况偏大;QPF对强降水中心位置预报略有偏差,其中心强度较实况偏弱。     

雷达定量降水估计技术及效果评估

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。     

面向流域的定量降水估测产品检验订正

伴随着多源降水融合技术的发展,我国卫星、雷达反演、地面雨量观测计定量降水估测(QPE)产品已逐步趋于成熟,有效弥补了仅基于常规雨量站降水数据时空分辨率不足的缺陷,为江河流域面雨量产品开发和应用提供了契机;而对QPE产晶进行适用性检验和汀正是其在面向流域面雨量应用中的前提和基础。本研究利用国家气象中心及国家气象信息中心开发的QPE产品,结合水文站点实测降水数据,分别从产品误差的时空分布、流域的平均误差、不同量级降水的产品质量等角度,综合利用TS评分、命中率、漏估率、空估率以及ROC曲线等多种统计检验方法总体评估降水产品的适用性;采用递减平均法对每日的定量降水估测和实况降水的误差进行相关统计,在此基础上,对初始的QPE产品进行了优化订正,建立了基于QPE的流域面雨量产品;最后以沂河临沂站以上流域的水文要素预报为例,验证了订正产品对水文模式预报改进效果。上述研究表明,基于多源降水融合的QPE面雨量产品开发,在一定程度上可弥补目前国家级流域面雨量业务精细化不足,提升了国家级水文气象业务的技术能力。     

基于雷达资料的上海地区暴雨面雨量计算及应用

根据上海地区小时雷达资料的定量降水估测(quantitative precipitation estimation,QPE)网格产品和经过质量控制的自动站雨量资料进行暴雨面雨量计算方法研究,计算方法为:将暴雨区内自动站周围9个网格点的QPE平均值作为自动站的雷达估测雨量,计算各测站雨量与雷达估测雨量的差值,用克里金插值方法将差值场插值到雷达降水估算产品相同的网格点上,再将网格点上残差插值数据加上网格点上雷达估测雨量,得到各网格点用自动站订正后的雷达估测小时雨量资料。文中24个典型暴雨各测站订正后QPE与实测雨量的平均绝对误差比订正前减小了27%;两个典型暴雨主要降水阶段经国家气象站资料订正后QPE与实测雨量的平均误差比订正前减小了33%～39%,暴雨过程总雨量经国家气象站资料订正后减小了34%～59%。根据以上方法得到的网格点雨量计算和绘制上海地区2007—2015年24个典型暴雨降水区域的小时面雨量值和图、过程面雨量值和图、行政区和水利片面雨量值和图。最后基于.NET Framework 4.0基础架构软件开发平台,使用Microsoft Visual Studio 2012和Microsoft Visual Studio软件开发工具制作"基于雷达资料暴雨面雨量自动化计算查询系统",供业务科研人员实时查询和计算。     

卫星云图资料在降水量客观分析中的应用试验

利用葵花8号卫星资料和地面降水观测资料,采用Spark GBT (Gradient Boosted Trees Regression)学习算法对中国西部地区进行定量降水估计(QPE),采用三维Barnes插值方法得到逐时降水格点场。试验结果表明,引入卫星资料估计降水,可以有效地改进站点密度小的区域的降水格点场的客观分析精度。     

雷达定量降水估算在水文模式汛期洪水预报中的应用试验

通过雷达测雨技术获得高时空分辨率的降雨信息,作为水文模型的输入,用以提高水文预报的精度。文章以湖北省白莲河流域为例,利用分组Z-I关系转化雷达反射率为雨强,运用地面雨量站网实测雨量对其进行校准,将不同方法估算得到的雨量结果输入新安江模型进行洪水预报测试,结果表明未校准雷达估算降雨量直接输入水文模型,其结果是不理想的;利用校准后的雷达估算降雨量进行洪水预报,精度得到了很大提高。     

美国水文气象科研业务考察纪实

NOAA和USGS是美国主要从事气象和水文业务与科研的两大联邦政府部门,随着NASA将科学任务重点从太空科学转向地球科学,除了继续开展卫星观测技术和遥感数据的开发和应用之外还关注水文气象领域的研究。作为国际山地中心主持的“兴都-库什-喜马拉雅地区卫星遥感降水估算”项目的内容之一,本人于2011年5~6月参加了由国际山地中心(ICIMOD)组织的赴美交叉学习活动,先后参观和考察了NOAA和USGS的主要部门和其他一些相关单位,与NASA科学家进行了广泛的交流。本文简要介绍了这些单位开展的水文气象业务和科研工作、卫星遥感应用情况以及学习访问期间的感想与体会,对提高我们目前的相关业务和科研工作以及体制机制的创新方面有一定的借鉴意义。     

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

双偏振雷达的一个重要应用是进行定量降水估测(QPE),常用的双偏振雷达降水估测方法主要有基于反射率(Z_H)的R(Z_H)关系、基于Z_H和差分反射率(Z_DR)的R(Z_H, Z_DR)关系、基于差分传播相移率(K_dp)的R(K_dp)关系、基于K_dp和Z_DR的R(K_dp, Z_DR)关系四种。本文利用厦门X波段相控阵雷达组网试验的36个降水时段的小时降水资料,采用最优化处理法,对S波段双偏振雷达适用的四种降水估测方法分别进行优化,使其适用于X波段相控阵雷达,并将优化后估测方法的测雨效果与X波段雷达自带的定量降水估测产品(X-QPE)进行对比评估,结果表明：(1) 使用偏振参量K_dp的降水估测关系能够改善雷达的降水估测效果,R(K_dp)、R(K_dp, Z_DR)的测雨效果相对于R(Z_H)、R(Z_H, Z_DR)有明显提升。其中R(K_dp, Z_DR)在降水估测的误差以及稳定性方面表现最优,其效果优于X-QPE。(2) R(K_dp, Z_DR)对于稳定性以及混合性降水的估测效果略差于X-QPE,对于大雨量级的降水效果略差于R(Z_H),但对于暴雨量级的降水、对流性质的降水以及深对流降水,R(K_dp, Z_DR)测雨效果的提升非常显著。