1集合数值预报在水文集合预报中的优势和应用概况随着全球气候变暖和人类活动的加剧,洪水灾害的发生越来越频繁。提供洪水及其引发的次生灾害的早期预警成为越来越急迫的任务。洪水过程是一个复杂的动态过程,其预报运用了许多概念化的水文模型与参数,依赖于对输入、输出信息进行的解释和判断。这些参数和模型在洪水预报时会对预报产生不确定性,并且制约着防洪决策。有研究表明引入数值天气预报的洪水预警能够将预报时效从几小时延长到几天。但是单值的数值预报不足以将其预报内在的不确定性定量地表达出来。由一个集合预报系统集成的降水预报用于流域的洪水预报时可以改进预报效果并且可以将有些不确定性定量化。集合预报发展了多模式-多成员集合及概率预报技术,根据多模式、多预报成员的集合预报,不但可以得到丰富的降水预报,而且降水预报的技巧有了一定提高。降水预报的不确定性是产生其下游专业用户预测(例如水文预报)不确定性的重要部分。在进行诸如像洪水预警的重大风险决策时,水文预报的用户希望气象做出的定量降水预报能够有助于对水文预报的不确定性进行定量估计。为达这一目标,世界各国预报机构开始采用集合预报技术来进行水文预报。集合预报系统能对未来的水文事件进行最大可能的估计,并给出了一个广泛的结果区间,这个区间综合了所有造成预报不确定性的因素。这些因素包括降水和其他气象强迫输入的不确定性,水文边界条件和初值条件估计的不确定性,水文预报模型的不确定性以及模型参数的不确定性等。集合预报系统还能够潜移默化地让水文学家和河流管理者受益。其优势已经得到了国内外众多水文气象学家的肯定,并促使国际上初步形成了一些新的大型国际水文气象集合预报计划——水文集合预报试验(HEPEX)。国际上十几个主要的水文气象预报中心先后采用集合数值预报与洪水预报模式耦合的这一技术路线作为洪水预报的主要技术支撑。目前,除了单一预报中心的集合预报系统在水文集合预报中应用之外,多个预报中心的集合预报大集合也逐渐被应用到流域水文预报中,甚至一些小流域的洪水预报。我国也有部分科研工作者开展了相关的集合预报在洪水及其概率预报研究。2集合数值预报在洪水预报中的研究热点多模式超级集合预报的水文集合预报应用方面。相比多个预报中心的集合预报大集合而言,单一预报中心的集合预报系统仅仅能解决一些数值天气预报内在的不确定性。而大集合预报系统,即多个预报中心的EPS大集合,可以改善数值模拟和资料同化引起的不确定性计算结果。因此,多模式系统能够更好地代表真实的概率分布预测,这在其他研究领域也适用。此外,集合预报大集合提供了运行具有不同次网格尺度参数化过程和不同潜在物理过程的气象模式方案的途径,解决了计算机能力的限制。而超级集合预报大集合与流域水文模型耦合,可以提供改善后的早期洪水预警。模式分辨率和集合成员数对水文集合预报系统的影响方面。气象数值天气预报的研究和实践已经证明了极端天气数值模拟对模式的分辨率是非常敏感的。因此,采取增加集合预报模式分辨率的方式能够提高极端天气预报概率的可能性。如何将模式分辨率与集合预报系统相联系,发挥分辨率高的单一模式确定性预报和分辨率低的集合预报各自的优势且建立它们之间良好的平衡,是集合预报技术业务应用中需要考虑的关键技术之一。多模式超级集合预报在中小尺度流域上的应用方面。利用集合预报和流域分布模型可以进行洪水实时预报。但在采用高分辨率的气象集合预报与分布式水文模型结合的流量预报时,大多数集合预报成员有低估河流量的倾向,且定量降水预报是不可靠的,在预报时间和预报量级上都出现偏低的误差。这些研究结果表明,利用集合预报在洪水预报的潜在价值的同时,也揭示了一个共识,那就是更高的精细尺度降水的低估导致流量预报的(低)偏差。充分说明从天气领域到洪水领域的不确定性传播是值得考虑的,这种不确定性导致了河流量集合预报较大的发散度,从而导致洪水预报较大的发散度。水文集合预报的前后处理方面。虽然近年来降水预报的准确性有了很大提高,但仍难以满足洪水预报的需求。因此,对集合数值预报的输出要针对洪水模型的需求做后处理,相对于洪水预报模型来讲就是前处理。目前的水文集合预报前处理方法除了类似气象上使用的传统完美预报法、模型输出统计法和贝叶斯方法外,还有层次模型法和可靠性集合平均方法等。和气象数值预报的后处理类似,水文集合后处理方法主要目的是根据已知的历史观测流量和模型模拟或预报的流量建立一个回归统计模型。从概率上讲,水文集合后处理就是求水文集合预报对应的观测值的条件概率密度函数。例如利用模拟和观测流量来校正集合轨迹消除误差的方法,对观测和模拟流量进行小波变换与状态空间模型相结合的方法,来量化预报与实际观测之间的误差。基于实际观测和模拟流量之间的差异来源,对四种不同的水文预报误差估计方法的研究其中使用最广泛的就是,把实际流量看作是模型输出与一个误差项之和,通过更新输出变量来做到衡量预报中误差的方法。利用贝叶斯理论为莱茵河流域的水文集合预报系统设计了后处理方案的研究,结果证明后处理过程有效地降低了水文集合预报模拟中的误差,等等。水文集合预报的检验方面。评估不同的预报方法需要一系列标准的预报验证工具。对于确定性预报,检验方法通常有皮尔森相关系数,均方根误差技巧评分等。对于概率预报,检验方法有布莱尔技巧评分、连续的分级概率评分、可靠性曲线等等。3讨论与展望在过去的十年里,国际上各个洪水预报机构在预报中增加了水文集合预报系统,研究表明基于水文集合预报的洪水预报增加了预报附加值和延长了预警时间。水文气象概率预报的应用已经成为未来的发展趋势。尽管如此,水文集合预报广泛使用的巨大挑战依然存在。目前还没有一个合适的途径来表示水文预报的不确定性,以及如何将这种不确定信息传递给洪水预报的使用者,水文集合预报其发布还需要做大量的普及推广和培训工作。此外,中国在面向TIGGE的集合预报关键应用技术方面已经做了大量工作,为水文水力领域中应用该技术做好了准备工作,这可以促使集合数值预报产品在实际洪水预报中尽早发挥作用。