北方中小尺度流域基于数据同化的陆气耦合实时洪水预报研究

This research proposal aims at constructing a coupled atmospheric-hydrologic system for real-time flood forecasting in small and medium sized basins in semi-arid and semi-humid region of Northern China. The mesoscale numerical weather prediction model, WRF (Weather Research & Forecasting) model is used to integrate with a grid-based distributed hydrological model, named Hebei model. The 3DVar/4DVar variational data assimilation technique is adopted in the coupled system to assimilate real-time observations from surface and upper-air meteorological stations and weather radars. This can largely help to enhance the accuracy of WRF rainfall prediction and to extend the flood forecast lead time, which are especially meaningful for small and medium sized basins. Meanwhile, during the coupling process, several key technical issues are considered, i.e., generating WRF perturbation ensembles based on sensitivity studies of WRF parameterisations and downscaling methods, building a two-dimensional rainfall evaluaton index system, and selecting the most appropriate spatial resolution for atmospheric-hydrologic coupling, etc. Based on the conclusions from the research, a mature coupled atmospheric-hydrologic system will be set up, to provide supports for real-time flood forecasting and flood risk management in small and medium sized basins of Northern China.

项目以在北方中小尺度流域构建陆气耦合的实时洪水预报系统为研究目标，选择中尺度数值大气模式WRF（Weather Research & Forecasting Model），与基于网格的分布式河北模型进行单向耦合。在陆气耦合过程中，配合变分数据同化技术（3DVar/4DVar），实时同化气象和雷达监测数据，以提高WRF模式预报降雨的精度和可靠性，延长洪水预报的预见期。同时，针对陆气耦合中存在的关键问题开展相关研究：包括基于敏感性分析确定WRF模式的扰动集合预报集、构建预报降雨的二维评价指标体系、探讨适用于研究流域的陆气耦合最佳空间尺度等。项目拟在研究成果的基础上构建陆气耦合实时洪水预报系统，为我国北方半干旱、半湿润地区的中小尺度流域的洪水预报预警与风险管理提供技术支撑。

项目针对当前国际洪水预报的发展趋势与热点技术，结合我国北方地区中小尺度流域的实际问题，开展了中尺度数值大气模式WRF（Weather Research & Forecasting Model）与流域水文模型耦合的实时洪水预报研究。研究以数据同化为重点突破方向，探索了基于多普勒天气雷达和传统气象监测数据的多源高效数据同化模式，攻克了大气模式存在的预报降雨精度不高、稳定性低的难题，有效提高了模式的降雨预报精度；对积云对流、微物理过程和大气边界层等影响降雨的主要物理参数化方案进行了分析比选，配合降尺度网格嵌套方案，构建了适用于研究流域的降雨扰动集合预报集，降低了模式降雨预报的不确定性；提出了预报降雨的二维时空评价指标体系，为基于网格的大气模式降雨输出提供了更科学和全面的评价支撑；在传统概念式水文模型的基础上，构建了基于网格的分布式河北模型，实现了WRF模式和水文模型的单项耦合；结合水文预报的实时校正技术，建立了适用于研究流域的陆气耦合实时洪水预报系统，有效延长了洪水预报的预见期。项目期间，研究按照预期计划顺利开展，并取得了大量创新性研究成果：发表文章23篇，其中SCI论文9篇，EI论文5篇，中文核心期刊论文9篇；出版中央级出版社著作1部；授权国家发明专利8项、实用新型专利4项，取得计算机软件著作权9项。完成了1名博士研究生和1名硕士研究生的培养工作，项目负责人作为第一获奖人荣获省部级科技进步一等奖1项。研究成果为北方半干旱、半湿润地区中小尺度流域的洪水预报预警和风险管理提供了技术支撑，进一步促进了我国现代水文预报技术理论的发展和完善。