变化环境下气象水文预报关键技术

2018-11-20

  一、项目名称:变化环境下气象水文预报关键技术

  二、获奖年份、奖项名称及等级:2016年度大禹奖一等奖

  三、主要完成单位:中国水利水电科学研究院、长江水利委员会水文局、清华大学、北京师范大学、黄河水利委员会水文局、武汉大学、大连理工大学

  四、主要完成人员:王浩、雷晓辉、蒋云钟、段青云、王俊、洪阳、廖卫红、杨明祥、王建华、霍世青、赵铜铁钢、王旭、谢先红、张云辉、李义天

  五、成果介绍:

  本成果(曾用名:非一致性条件下的气象水文预报关键技术研究) 针对变化环境下气象水文稳态性削弱的问题,以气象水文模拟及预报的误差分析为切入点,分析了气象水文预报中的不确定性因素,提出了基于陆气耦合的集合预报技术,取得了变化环境下气象水文预报成套技术成果。主要研究内容为: (1)气候变化条件下的数值降水预报技术 本研究选取中尺度预报模式WRF来实现数值降水预报,在参数化方案的空间本地化基础上,研究参数化方案的时间动态优选,并进一步对具体参数进行高效敏感性分析及自动优化。 (2)基于多源数据的降水融合、评估和预报技术 以地面雨量站、天气雷达、空间卫星为代表的多源降水观测数据虽面向同一观测对象——降水,但是各自具有不同的观测尺度与观测误差。不同方法和资料都有自身的优缺点,本研究联合多源降水融合技术,综合考虑不同观测的误差特性及观测优势,最终形成具有高度一致性和可靠性的降水产品。 (3)高强度人类活动影响的水文模拟技术 作为预报不确定性的重要来源,人类活动对产汇流规律影响较大。本研究从下垫面土地利用变化和水利工程人工调度分析入手,分别从流域产流、汇流方面改进分布式水文模型,并提出中小型水利工程群防洪调蓄规则形式及反演方法,实现了考虑人类活动不确定性的水循环模拟及预报。并针对分布式水文模型参数较多的特点,开展参数不确定性分析,以及单目标/多目标高效参数估计研究。 (4)变化环境下气象水文模型数据同化技术 除利用下垫面资料动态更新、历史雨水情数据分析来改进水文预报精度外,为适应变化环境的影响,本研究基于集合卡尔曼滤波方法,发展了参数集分解算法,可实时利用观测信息,估计气象水文模型参数、初值或边界条件,从而滚动改进模型预报精度。 (5)基于陆气耦合的水文集合预报技术 由于气象水文系统为复杂巨系统,混沌特征明显,基于数值模型的预报不可避免存在难以消除的误差,其来源主要包括模型输入、参数、状态以及模型结构本身。为得到可靠度较高的预报结果,本研究利用集合预报实现了预报不确定性的量化,并证明了集合预报对调度决策的有效性,采用相似集合预报、集合预报后处理等策略进一步降低了预报误差。 (6)基于三维可视化的预报平台开发 在陆气耦合模式研究的基础上,建立驱动水文模式的CMADS数据集,并开发流域洪水预报系统平台,实现数据的自动下载、耦合模式的自动运行以及模型参数库的动态维护等。并基于三维可视化技术实现降水预报、洪水坡面产流,河道洪水演进的全过程实时计算及展示。 本成果已广泛应用于长江、黄河、松辽等流域的防洪、水力发电、航运、生态、供水等业务中,获得了重大的经济和社会效益。自2012年至今,取得的经济效益估算为128亿元。