当“气象+”遇到水文——技术篇

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水是人类文明之源。回顾历史,世界文明古国的发源并非偶然:在东方,黄河和长江孕育了五千年中华文明;在印度,圣洁的恒河滋养了神圣的古印度文明;在中东,幼发拉底河和底格里斯河共同浇铸了繁荣的古巴比伦文明;在遥远的非洲,绵长的尼罗河成为辉煌的古埃及文明的滥觞之地......

一条条奔腾不息的古老河流,给予了人类最初的养份。有了水,生命才能存在,人类才能发展,世界才能生生不息。
如何看待水文气象这个交叉学科?二者如何耦合、如何共进?我们将从“气象+水文”的角度,探讨二者之间的依存关系。

作为地球系统中最敏感的圈层——大气圈和水圈,“气象”与“水象”共同掌控地球系统模拟的核心环节。从上下游的关系来说,“气象”是“水文”的上游,从服务的角度来说,气象模式的发展,也需要从水文学的角度获取更多的反馈。这样的捆绑或交叉使“气象+水文”注定会创造无限丰富的内涵。
气象与水文耦合的主要介质是降水和蒸发,气象负责在时间和空间尺度上对降水等关键要素加以预测,解决工程水文本身解决不了的问题,如:20 世纪30 年代在工程防洪设计中需要的可能最大降水估算(PMP); 洪水预报和山洪预警中定量降雨估算和预报(QPE/QPF); 以及21 世纪兴起的全球气候变化的陆一气相互作用等。可见, “气象+水文”的研究和应用, 推动了水文核心问题的发展。
同时,水文学的进步对气象及其它领域的反哺作用则表现在某些交叉学科:例如针对作物和生态系统的植物学和生态学,河流入海口过程模拟的海洋学,以及综合人类和水系统的社会经济学,这些进步融合到地球系统的模拟中,也会带来天气和气候预测能力的进步
气象和水文这对地学界的孪生小姐妹,在携手拓展陆地记忆的过程中,你中有我,我中有你,密不可分。

降水预报是水文预报中最重要的输入因子。随着近30年来数值天气预报的发展,实现水文预报预见期延长,预报精度增加以及在数值天气模式中陆面模式的改进——水气“双向耦合”模式已经逐渐变得可能。目前,国家级水文气象服务技术支撑主要分为两类:精细化降水预报技术和流域分布式水文模型的构建。

核心技术1:****无缝隙精细化智能网格降水预报

在全国多源观测资料以及多中心多尺度数值模式等大数据基础上,利用先进的人工智能等后处理技术和预报员主客观融合预报技术等,创新临近、短时、短中长预报无缝隙精细化智能网格降水,空间分辨率达到5公里×5公里,时间最高分辨率达到逐1小时。为水文预报提供无缝隙精细化的前端降水预报。

核心技术2:****分布式水文模型

基于组合架构的松散耦合型GMKHM分布式水文模型,模型包含两个基本单位、4个产流模型与6个汇流模型;并改进基于蓄水容量曲线的混合产流模型与1/2D运动波汇流模型,提升分布式水文模型的预报性能。

核心技术3:****水位流量预报模型

在分布式水文模型参数与下垫面定量关系中,提出了工程影响下复杂河流Muskingum-Cunge水位流量预报模型,减少水文气象服务中对水文资料的依赖。

基于上述自主研发的核心技术,以智能网格降水预报为驱动,建立国家级水文径流预报模型,空间分辨率实现5公里,时间分辨率可达逐6小时;针对重点区域,还可实现空间1公里分辨率,逐1小时更精细化的国家级水文预报体系。那么,水文气象预报服务如何在业务中发挥作用?服务案例有哪些?敬请期待——当“气象+”遇到水文(成果篇)。

国家级水文气象服务

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