降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展

降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展

李红芸

云南省水文水资源局保山分局  云南保山  678000

摘要：极端天气频发并呈现多尺度时空变异特征随着全球气候变化、自然变化和陆表生境变化，预报预警始终是气象水文领域关注的焦点。临近预报可以对未来短时间内的天气发生明显变化进行比较准确的预报，是目前对强降水等极端事件进行预报的一种主要手段。将临近预报引入气象水文耦合方式进行水文预测，是提高水文预测精度、从源头上保证水文预测效果的主要方法。本文基于对降水临近预报的发展整体情况研究，对其在水文预报中的应用进展进行详细分析，最后做出总结，以此为相关部门和人员提供一些有效参考。

关键词：降水临近预报；水文预报；融合临近预报

前言：

传统水文预报中的水文模型输入多为“落地雨”，相对稀疏，时空代表性有限，不能较好地反映流域降水的时空变化，增加了水文预报的不确定性，尤其是对突发性强洪水过程的中小尺度流域、不能满足变化环境下极端水文事件预测需求的预测能力极为有限。降水预报在气象雷达基础上提供重要技术支撑，提高水文预报准确率，这是随着气象雷达场站布设的广泛和外推算法的逐步完善而形成的。实现降水临近预报时效延长、预报精度得到充分保障的高时空分辨率降水预报也取得了一些成功经验，为流域水文精细化预报奠定了基础，同时能够提供较长降水预见期的中尺度数值大气模式也在水文预报领域得到了广泛应用。近年来，在高强度人类活动影响下陆表生境发生的重大变化、降水输入的分析、结构演变的分析、参数率定等不确定性来源的研究中，地理信息系统的应用、流域坡面离散化技术的提高、高分辨率分布式水文模型的广泛开发和应用、水文预测精度的提高、预测有效时限的延长等都是重要挑战。

1、降水临近预报的发展

Dopler天气雷达自1950年代以来取得了突飞猛进的发展，国外有关学者也在1980年代提出，临近预报是指在天气发生现状变化的短时间内，根据雷达的回波外推实现高时空分辨率的预报内容，一般短时间是指0~3h，其中对强对流天气的预报是重点，正式将其纳入天气预报范畴。同时也有学者认为，临近预报是为了预报未来断档期的强对流天气而强调预报的短时间、短时间的特点，可以提供足够的预警和防御时间，如冰雹、洪水等各种灾害。且临近预报的时间范围随着中尺度大气模式的不断发展而变得越来越模糊，而将雷达外推与大气数值相互结合的模式也被相关学者认为可以有效地延长最长可达6小时的临近预报时效。在国际气象大会上其认为在0~6小时的时间范围内进行临近预报。外推临近预报融合数值模式也被作为延长临近预报时效的主要研究和发展方向，在2011年世界气象组织临近预报工作会议上提出。

我国学者在对临近预报的研究中一直认为，短时效性和高时空分辨率是其两个关键要素，但是每个国家与地区对于临近预报的定义也存在一定的差异性[1]。英国气象局把“接近预报”的概念界定为一种技术，它可以描绘当前的气候，假定它没有明显的改变，从而可以预测大气成分的运动趋势和速度，以及在短期的短期内对气候的短期预报。瑞士气象部门相信，接近预报技术是一种能够在未来数分钟至6个小时内对高空间和时间分辨率的气象变化做出准确的预报。

世界气象组织（WMO）关于临近预测的界定有一些不同，其认为临近预报是一种在详细描述现有天气情况基础上使用外推预报和数值模式相互融合的方式来预测未来0~6h天气情况的方法[2]。现阶段我国和国外在天气预报业务方面的临近预报系统多数均为以下几种（如图1）：

（1）天气雷达的优势使用：0~1小时；

（2）雷达外推+数值模式：1~3小时；

（3）数值模式预报：3~6h，以此来实现0~6h之间降水情况的无缝临近预报。

图1：临近预报失效范围与其对应的技术图示

2、降水临近预报在水文预报中的应用进展研究

2.1基于雷达外推的临近预报应用研究

气象雷达能够获取具有较高的时间和空间分辨率的降雨资料，而利用气象资料建立的水文模式能够有效地改善预测精度。目前，国内外已经广泛地使用了国外的外延预测技术，而美国的天气站已经将其运用到了水文学预测服务中；英国的外推法与江河模式 RFFS共同组成了降雨与流量预测体系，WMO的水文学理事会则把它视为未来的重要发展方向，而我国新一代多普勒雷达网（CINRAD）的部署时间比较短，目前使用的大多是单一极化多普勒，其预测效果与国际上的双极化相比仍有差距，所以目前国内的多普勒雷达站大多用于气象部门的业务预测。

目前国内的雷达外推临近预报SUNMIN等将在日本夏秋降水的径流预报中应用TM临近预报，指出外推临近预报与实测比较吻合的径流预报结果，能够实现有效的预见期延长1~2h。彭建东等在佛子岭流域应用基于雷达的临近预报与TOPMODEL相结合，通过与雷达雨量计共同估测降水获得的流量进行1h临近预报降水对比，得出可延长0.7h径流预见期的流量[3]。IECHTI等将外推逼近预测引入了 PREVAH的水文模式，结果表明：降雨的时空分布不均匀，使得预测数据的数值模拟不能满足期望的要求，相反，增加了许多区域的数值模拟。余建华等运用外延预报方法，对美国科罗拉多州山区的降雨进行了数值计算，结果表明：预报雨量在15~45mA区间，其误差最小；30mA预报后，预报结果急剧下降，降雨时间的时间和空间上的差别造成了较大的偏差。

因此，在水文预测中，应用最广泛的是利用雷达法进行近距离预测，但在此基础上，还存在以下问题：如何完善降雨站点的外部预测实时修正技术，并在此基础上完善与外推预测的时空分辨比对技术。

2.2基于融合临近预报的应用研究

利用气象-水文耦合的方法将降雨临近预报引入到水文预报中，已经有了一些成果，但由于气象因素的输入错误等因素，使得预报自身的不确定性也随之增大，通过提高临近预报的准确率，改善现有的水文预报技术和临近预报技术，发展概念性和物理机理相结合的分布式水文模式[4]。随着水文科学的发展，高精度的水文模型能够较好地反映出流域的空间特性和产汇流的物理机制，从而有效地解决这一技术中的参数率定问题，必须从科学的视角出发，对其参数的确定、参数的确定、参数的确定、参数的确定等问题进行研究。利用贝叶斯理论进行水文预报的不确定性分析，可以减少水文预报的不确定性，实现对水文预报的高效利用。同时，还可以利用气象集合预测的理论和方法，把所有预测环节中的不确定因素都包括在内。由此可以明确，未来气象水文预报发展的新趋势就是临近预报与其耦合预报的研究。

3、结语

综上所述，根据本文所研究的临近预报以及其在水文预报中的应用研究进展与发展情况分析，可以明确的是，未来气象水文领域的发展趋势就是如何进一步去完善与融合降水预报在水文预报中的实际应用。我们应当在了解临近预报的发展情况基础上，以科学的耦合方法，保障融合预报技术的精度与时效性，发展出可以确定预报和不确定信息输出的水文集合预报技术。

参考文献：

[1]糜佳伟,田济扬,薛海,等.雷达测雨及临近预报在中小流域水文视角下的应用评估[J].科学技术与工程,2022(023):022.

[2]刘昱辰,刘佳,邱庆泰,等.基于网格追踪算法的雷达外推降雨临近预报在大清河流域的应用[J].水利水电技术(中英文),2021,52(7):10.

[3]彭建东,余建华,张丽凡.微波辐射计在闽北夏季对流降水预报中的应用[J].2022(10).

[4]贾丽红,马诺,孙鸣婧,等.ECMWF极端天气指数在新疆强降水预报中的检验评估[J].2022(3).

作者简介：李红芸（1991-05-），女，汉族，硕士研究生，云南保山人，工程师，研究方向：水文水资源。