基于多源降雨数据的山洪灾害预报技术初探

基于多源降雨数据的山洪灾害预报技术初探

周宁，沙海飞，军，李宏恩，徐海峰

（南京水利科学研究院，江苏南京，210029）

摘

要：山洪灾害是地质条件、气象条件、人类活动等多种因素综合作用的结果，降雨与山洪灾害的关系一直是研

究关注的重点。探究多源降雨数据如何有效地应用于山洪地质灾害预报预警中，依据卫星与雷达估算降雨技术，融合站点观测数据，有效弥补无资料地区的降雨预报方法。通过引入集合数值预报，提高了山洪灾害降雨预报的预见期。建立山洪灾害预报预警体系，以风险识别、风险预报、风险模拟和风险评估4个层次为主要框架，初步设计基于多源降雨数据的预警平台。关键词：山洪灾害；多源数据；集合预报

Title:Studyofmountaintorrentearlywarningbasedonmulti-sourcerainfalldata//byZHOUNing,SHAHai-fei,HEYong-jun,LIHong-enandXUHai-feng//NanjingHydraulicResearchInstitute

Abstract:conditionsMountainandhumantorrentsactivities.areThetheresultrelationshipofmanybetweenfactorsrainfallsuchasandgeologicalmountainconditions,meteorologicalthethefocusofresearch.Itisexploredthathowthemulti-sourcerainfalldatacanbetorrenteffectivelyhasalwaysappliedbeeninoutpredictionwithdatastationaremadeandobservationup,earlybasedwarningdata.onThetheofmountaintechnologytorrentofsatellitedisasters.andRainfallradarestimationpredictionofmethodsrainfall,andinareascombinedwith⁃sightperiodofrainfallforecastformountainensembletorrentsnumericalisprolonged.predictionAmethodforecastingisintroduced,andwarningandsystemthefore⁃mountainfalldataistorrentsdesignedisestablished.withfourlevels,Andnamelyapreliminaryriskidentification,earlywarningriskplatformprediction,basedriskonsimulationmulti-sourceforassessment.

andrain⁃riskKeywords:torrentialflooddisasters;multisourceprecipitationdata;ensembleforecast

中图分类号：P333

文献标志码：A

文章编号：1671-1092（2019）03-0019-05

0引言

群防体系，国内多个省市分别研究并建立具有地区特色的山洪灾害预报预警系统。

山洪灾害一般是指由复杂地形与暴雨气候特

降雨是诱发地质灾害的主要因素之一，持续性征共同引起的山区河流骤发洪水，特别是指荒溪及降雨和局地暴雨对地质灾害影响较大。近年来，针山区小河流中的突发洪水[1]。我国属于东亚季风性对山洪泥石流事件与降雨之间关系的研究很多，成气候，夏季常有强降雨发生，山区面积更占全国陆果表明山区的复杂地形使中小尺度天气系统易于地面积的三分之二，造成山洪灾害呈现出多发、易形成并发展，配合充足水汽的供给，区域性强降雨发、频发、重发等特点。近年来，全球气候变化异极易发生。引发强降雨的大气环流及中尺度系统常，极端降雨事件增多[2]，引发山洪灾害频繁发生。的研究虽已很成熟，但还未能在山洪灾害预报预警为有效防御山洪灾害，2006年正式批复《全中得以应用，数值预报的优势也没能有效应用于区

国山洪灾害防治规划》，并初步建立以监测、通信、域山洪灾害分析预报中。大多的山洪灾害预警体预报、预警等非工程措施为主，与工程措施相结合系仍依据不完整历史灾害数据作为预警指标，缺乏的防灾减灾体系。2012年水利部组织编制《全国山精准的统计理论。随着全球极端事件频发，仅利用洪灾害防治项目实施方案（2013-2015）年》，并已初历史数据已不足以满足变化气候条件下的山洪灾步建成覆盖全国的山洪灾害监测预警系统和群测

害分析，对山洪有效监测与预报是我国现阶段防灾

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19ByZHOUNing:Studyofmountaintorrentearlywarningbasedonmulti-sourcerainfalldata减灾及预报预警工作中急需解决的重点问题。如气象中应用的高分辨率、全天候的卫星与雷达何合理利用多源气象数据于山洪灾害预报中是文数据能极大地弥补低密度雨量站的缺陷，采用多源章探究的重点。

数据可对山洪易发区的降雨时空特征进行分析，改善临界雨量中缺少数据的定义方法，并客观分析山1临界雨量在山洪预报中的应用

洪灾害易发区的预警指标。目前山洪灾害预警仍以实时监测降雨量为主，将达到临界雨量时才进行预警

引发山洪灾害的原因涉及气象、水文和地形地处理，致使山洪防治的预警时间短而难有成效。集合貌等，从根源上研究并寻求解决山洪灾害的方法并数值预报作为数值预报中重要的技术，其在中长期预不现实。国内外防治山洪灾害的研究工作重点多报上的优越性以及其准确度不断得到认可[6]，若能应在于研究山洪灾害的预报预警，有效减少人员伤用于山洪预报预警中，可有效延长预见期，为决策及亡及财产损失，即多以降雨强度和降雨量等作为防治灾害提供更长的应急保障时间。

警示性指标，实现对山洪灾害预警，提出临界雨量综上所述，合理利用多源降雨信息是提高山用于山洪预报预警。由于山区观测资料的缺乏，区暴雨监测能力及预报水平的有效途径，更是客观山洪灾害临界雨量的定义方式对于有资料地区和定义山洪灾害预警指标的基础，不仅能加强对无资无资料地区的统计方法有所不同[3]。通常应用统料山区暴雨的监测，更能发展利于山区的水文预报计归纳法对有资料地区提出临界雨量的定义，无技术。

资料地区常采用比拟法等计算方法确定临界雨量（见表1）。

2多源降雨数据的适用性

临界雨量的计算方法一直是山洪灾害防治的研究重点，除了现有常用方法外，近年来，国内外对降雨作为山洪暴发的主要外界因素，受到研究临界雨量预警指标及山洪预报预警技术的研究逐学者们的关注。与其他水文和气象参数不同，降雨渐拓展到动态临界雨量研究方法。美国国家气象在时间和空间上存在很大的变率，因不连续性以及局水文研究中心研发的山洪预警指南系统（FFG）空间监测困难的特征，其成为最难测量的大气变量是依据流域当前状态比较预警指标和预报降雨来之一。目前获取降雨资料的方式主要有三种：地面决策预警[4]；刘志雨等[5]基于动态临界雨量的分布式站点观测、卫星反演降水和雷达反演降水。山洪灾水文模型和新安江模型，分别对江西遂川江流域、害多发地区地理地质形势复杂，观测站网布设密度淮河淠河流域进行分析。然而，国内临界雨量始终往往不足以满足分析强降雨的要求，对于非均匀性面临不确定性的难题，其原因在于基础资料的匮乏降雨过程，易漏掉强降雨中心，而不能准确地反映与缺失。触发山洪的降雨多为对流单体尺度至中降雨时空特点。

尺度对流天气过程，而低密度的雨量站网观测只能雷达能够实时探测高精度、高时空分辨率的降有效捕捉到中尺度或大尺度的锋面天气，因此高分雨结构，并在一定程度上解决山区流域缺少资料地辨率的观测才能满足山洪预报的精度要求。

区地面观测信息不足的问题，同时满足大尺度实时表1常用临界雨量的定义方法

Table1Commondefinitionsofcriticalrainfall

方法名称统计归纳法

模型分析法

数据需求

足够的历史山洪灾害调查资料、气象站或水文站降雨系列资料降雨-径流关系、水文模型、下垫面特征参数等（1）目前国内山洪灾害实际应用中的主要方法；

（1）需求资料较多，原理较为简单，从河道的临特点

（2）不关注山洪发生发展过程涉及到的物理机制，通过对历史数据进行分析推求雨量预警指标；

界流量反推临界雨量；

（3）受限于资料的完整性，不能直接得出无资料区域的临界雨量

（2）模型参数的设定，会增加模型的不确定性

主要手段

区域临界雨量法、实例调查法、单站临界雨量法、比拟法、内插法、降雨灾害同频率分析法、相关性分析等

流量反推法、动态临界雨量等

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水文监测与预报的应用需求。研究指出，天气雷达预报降雨，指出模式可以较好地应用于山洪灾害预定量降雨产品非常适合应用于山洪模拟与预报[7]。警系统。单一确定性数值预报会影响预报的可信另外，空间卫星作为全天候、无缝隙反演估测的高度，以多个初值模拟得到多个预报值方法的集合预时空分辨率降雨数据，同样也是有效克服观测站网报概念随之被提出，其中TIGGE数据正是目前使用缺点的技术之一。

比较广泛的集合数值预报集，集中包括了欧洲中期然而雷达虽能较好地改善资料欠缺，但由于山天气预报中心、美国气象环境预报中心、日本气象体，仍存在雷达覆盖不到的地方，即使将地基厅以及中国气象局等10个成员气象预报中心的集雷达与空基雷达结合，也会出现雷达拼图误差的问合预报资料。大量研究证明，集合预报数据能够很题。同样，卫星数据存在其自身的系统误差和随机好地应用于水文及山洪预报中。包红军等[12]利用误差等，大大降低卫星估算降雨的适用性。为避免降雨集合预报对流域洪水进行预报，结果表明集合这样的问题，融合降雨数据成为一种主流方法（雷预报能够应用于洪水预报。李俊等[13]探讨集合预达与卫星数据融合、卫星与站点数据融合等），通过报技术在山洪预报领域的应用前景，并指出利用集优势互补，更合理地估算降雨量。部分研究已表明合预报能引导对山洪采取分类的应对措施。因此，融合降雨数据能更好地反映区域的降雨情况，可应合理应用集合预报产品，能大大延长山洪预警预见用其进行降雨估算及预报[8-10]。利用融合多源数据期，为灾害防治和救援提供更精准的预报。

分析区域强降雨时空特征将是山洪灾害防治技术多源气象数据在目前山洪灾害预报预警中的的下一步研究重点。

综合应用相对较少，大部分预警仍停留在设计并提除了建立有效的监测与分析方法外，高质量和出临界雨量的阶段，经验性过强，缺乏一定的理论高分辨率的降雨预报同样是山洪灾害预报预警欠依据，而且实时观测降雨量进行预警，也降低了预缺的重要技术依据。

警发布的准备时间。全球气候异常变化趋势导致数值模式预报目前已然成为定量降雨预报的极端降雨事件发生频繁，过往运用的预警方式并不主要手段，casting[11]等人利用model其中以）WRF等气象模式的应用最为广泛。邱

WRF（WeatherResearchandFore⁃适合当今的山洪预报预警，采用科学客观的方法，综合应用多种气象数据（见表2），才能提高山洪灾辉模式构建了中小尺度预报系统

害预报预警的能力。

表2不同气象数据的典型特征

Table2Typicalcharacteristicsofdifferentmeteorologicaldata

数据来源应用

主要特点

地面观测站

雨量观测自动站历年数据资料作为山洪灾害临界雨量计算的基础；驱动测量累计降雨量易于操作；但精（气象站或水文站）

水文模型的可靠数值；其他降雨数据用作订正的依据

度不够，覆盖面不够全

测量极化和多普勒频谱，测量空

雷达观测地基雷达、空基雷达估测雨量；临近降雨预报间范围有限，回波转为降雨量的计算方法存在误差

时空分辨率高，测量范围大，易于

卫星观测

CMORPHNRLReal、TimeTRMM、GSMaP、PERSIANN等

、资料同化，估测降雨量；弥补站点无法观测区域

操作，获取数据容易，反演降雨的估算计算方法仍存在误差

卫星和雨量计融合数据，如

融合数据

CMAP；雷达和雨量计融合数统计分析降雨时空分布特征；弥补单一降雨数据所带来有效利用地面观测降水、雷达和据，如CMORPH；卫星和雷达的误差缺陷；短时临近预报卫星降水各自的优势

融合数据等

数值预报

ECMWF、NCEP、中国气象局中长期数值预报；短临数值预报；驱动水文模型进行水通过大气数学物理公式以及构建CMA以及TIGGE集合预报等

文预报

模型得出的后期天气的预报结果http://magtech.dam.com.cn2019·3大坝与安全

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3多源降雨数据的山洪灾害预报框架

关关系，进一步提高临界降雨的预警有效性。3.2风险预报基于多源降雨数据的山洪灾害预报预警技术框架可分为4个层次设计平台流程：（1）风险识别，3.2.1短临预警

依据气象降雨以及地形地质等基础数据，对区域山短临预报技术主要基于多源融合数据修改并洪进行风险等级区划，即对降雨时空分布特征予以完善后的临界雨量，通过雷达短时测雨技术与数值分析验证，并提出各区域临界雨量的界定方法；（2）模式推求0~6h降雨信息。国际上已发展了诸多的风险预报，参考气象数值预报方法，分短时期与中短临预报系统，并在业务中得到应用。我国的融合长期两种对山洪降雨进行预报；（3）风险模拟，若所预报技术虽在不断的探究与应用中，但还未能应用预报的降雨量超过由风险识别所定义的临界雨量，于山洪灾害预报预警。利用预报雨量值驱动水文模型模拟，对山区降雨造3.2.2中长期预警

成的影响进行淹没风险分析；（4）风险评估，针对模拟的结果判定山洪风险的等级，并向各部门发布预依赖于数值预报的中长期降雨预报较少被应警信息，采取应急响应（见图1）。用于山洪灾害预警系统中，一是由于大部分山洪灾3.1风险识别

害更注重短临降雨预报，二是数值预报的准确度计算方法还在不断研究中。汇集各预报中心的利用历年的站点降雨数据以及融合卫星、雷达的降雨数据产品，对山洪灾害易发区的降雨时间、GE率，集合预报能很好地提高数值天气预报的准确TIG⁃将预报结果应用于山洪灾害的中长期预报，可空间特征进行分析。结合地形地质等基本数据，合成统计分析历年来强降雨易于发生的时间与区域，有效地延长强降雨预报的预见期，同时为防止灾害对不同强度的降雨区域进行等级划分并提出临界值，提供参考性的概率降雨预报，增加灾难救援准备的据此可对降雨预报提供预警参考，并在一定程度上判有效时间。断数值预报降雨情况的可信度。另外，还可基于融3.3风险模拟

合数据探究不同区域前期累计降水与山洪暴发的相

对于短临与中长期降雨预报，若预报雨量超出

风险识别

历史灾

站点观融合害数据

测数据

数据

DEM形数据

地区域山洪风险等级区划

短临山洪预报

中长期山洪预报实测观测雷达测雨ECMWF集合数值预、NCEPCMA风险预报

前期累计降雨量

站点估算降雨量降雨量

通过前期实测数据进行订正预报降雨强度超过临界降雨指标

水文模型

风险模拟蒸散发数据

地形数据（高程、河网、坡度、土

地规划等）

历史数据

淹没风险图

风险评估

山洪风险等级评价与预警发布

图1结合气象多源数据的山洪预报预警框架

Fig.1Forecastingandearlywarningframeworkformountaintorrentsbasedonmulti-sourcemeteorologicaldata

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临界雨量值，即可利用洪水演进计算强降雨后山区上合理应用，依然是今后研究的重点。当下在没能的淹没情况，更好地为决策与应急指挥提供技术支达到高水平预报的情况下，如何管理山洪预报预警持。以预报降雨量驱动适合的水文模型，MIKEZERO、delft3D和ArcGIS等软件模拟洪水水可利用的决策系统亦是亟待解决的问题。

■

流在山区范围内的演进过程，并生成山区可能造成

参考文献：

的淹没范围，提供灾害可能带来的损失预估。[1]左东启北京:中国建筑工业出版社,王世泽.中国土木建筑百科辞典3.4风险评估

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Basis.

警等级后通过预报中心的平台向负责部门下发预警[3]of程卫帅theIntergovernmental.山洪灾害临界雨量研究综述PanelonClimateChange[R].[J].水科学进展2013.通知，并由各分管部门准备山洪防治的各项工作。

2013,24(6):901-908.

,[4]NORBIATO4结论与展望

ingandinmodel-basedungaugedD,BORGAbasinsrunoffbyM,useDINALEoftheR.flashFlashfloodfloodguidancewarn⁃

提出了基于综合应用实测雨量、融合雨量及预plications,报雨量的山洪预报预警方法。从多种降雨数据的山洪预警方法及其应用杨大文2009,,16(1):胡健伟65-75.

thresholds[J].MeteorologicalAp⁃[5]刘志雨,.[J].基于动态临界雨量的中小河流

北京师范大学学报:自然科学

优势分析，利用其进一步提高和优化山洪灾害防治版,2010,46(3):317-321.

非工程措施的水平，探索未来山洪预报预警技术与[6]实践的研究方向。

empiricalBurgerG,ReusserD,KneisD.EarlyofthefloodfullwarningsECMWFfrom

多源降雨数据能提高山洪灾害预报预警工作semblePrediction(expanded)SystemdownscalingEn⁃

的精度，减少灾害带来的损失。基于站点数据、雷达数据以及卫星数据的融合降雨资料，为临界雨量的[7]2009,Liechti45(10).

[J].WaterResourcesResearch,确定提供了更好的数据基础，弥补山区部分缺失雨dar-basedK,Panziera量数据的研究，数据的提供能够全面分析山区强降inthesouthernensembleL,SwissforecastsGermannU,etal.Thepotentialofra⁃

Alps[J].forHydrologyflash-floodandearlyEarthwarning雨的时空变化特征。中长期降雨预报在山洪预报预Sciences,警中一直是被忽略的方面，文章依赖于数值预报中李哲.多源降雨观测与融合及其在长江流域的水文应用2013,17(10):3853-3869.System[8]的集合预报产品，对山区提供中长期降雨预报，为预[9][D].张狄清华大学,2015.

警提供参考，大大延长了预见期，增加应急预警时研究[D]..融合多源数据的太行山区月降水精细化空间估算南京信息工程大学,2016.

间。雨量作为水文预报模型的关键输入要素，将估[10]周璇测降雨与集合预报的降雨应用于水文预报中，以期降水数据在中国南方短时强降水分析中的应用,罗亚丽,郭学良.CMORPH卫星-地面自动站融合[J].热

利用气象数值预报推算水文预报，得到流量、水位等预报数据，并结合地形数据创建山区可能发生的淹[11]邱辉带气象学报,訾丽.WRF,2015,31(3):333-344.用[J].人民长江,2013,44(13):5-9.模型在山洪灾害预警预报中的试验应没风险图，为决策判断提供较长时间的应急准备。

综上所述，山洪预报预警技术中通过合理应用多[12]包红军究[J].水利学报,赵琳娜.,2012,43(2):216-224.基于集合预报的淮河流域洪水预报研源降雨数据，有效完善山区降雨预警的指标，同时延长[13]李俊山洪预警的预见期。但面对复杂的山洪灾害，仍然存中的初步应用,廖移山,张兵[J].高原气象,等.集合数值预报方法在山洪预报

,2007(4):854-861.在一些问题有待之后科研工作进一步解决：

（1）山洪临期预警指标大多是雨量预警指标，收稿日期：2018-10-22

还未能形成包含天气系统、雨量、流量、水位等各项基金项目：广西重点研发计划（桂科AB17195073）；级公益性科研院所基本科研业务费项目（Y718003）

指标的全面指标体系，下一步可将强降雨条件下的作者简介：周宁（1990-），女，硕士，主要从事水文气象数天气系统指标化，并作为山洪预警指标的一部分。

值模拟研究。

（2）如何将气象与水文耦合预报并在山洪预报作者邮箱：zhouning@nhri.cn

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