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《水文雜志》2014年第三期

1陸面模型

1.1VIC模型概述VIC水文模型基于SVATS（SoilVegetationAtmo-sphereTransferSchemes）思想，通過空間網(wǎng)格化和土壤空間概率分布函數(shù)來反映氣候和下墊面因子的時空變異性，也被稱為“可變下滲容量模型”。新一代VIC模型將土壤分為3層，從上自下分別為頂薄層、上層和下層，在蒸散發(fā)計算上，采用冠層濕部蒸發(fā)、植被蒸騰和裸土蒸發(fā)三種蒸發(fā)模式。在產(chǎn)流機制上，將產(chǎn)流分為直接徑流和基流兩個部分，其中直接徑流包含蓄滿和超滲兩種產(chǎn)流機理，分別用于飽和面積和未飽和面積上的產(chǎn)流計算；采用ARNO方法描述基流，且不考慮頂薄層和上層中的側(cè)向流，并假定基流只發(fā)生在最層土壤[7-8]。在匯流計算上，VIC模型假定各個網(wǎng)格之間產(chǎn)流計算相互獨立，通過耦合Routing網(wǎng)格匯流模型[9]來計算網(wǎng)格內(nèi)和網(wǎng)格間匯流，網(wǎng)格內(nèi)匯流采用經(jīng)驗單位線法，網(wǎng)格之間匯流則采用線性圣維南方程組方法求解。陸面過程模擬流程見圖1。

1.2模型參數(shù)確定VIC－Routing模型參數(shù)可以分為產(chǎn)流和匯流參數(shù)，產(chǎn)流參數(shù)包括網(wǎng)格植被類型、植被參數(shù)庫以及土壤參數(shù)，匯流參數(shù)包括網(wǎng)格面積比例、網(wǎng)格流向、流速以及擴散系數(shù)。利用ArcGIS軟件，通過水文分析和空間統(tǒng)計等處理先后生成網(wǎng)格面積比例、網(wǎng)格流向，網(wǎng)格植被類型分布等參數(shù)文件，通過參考LDAS（LandDataAs-similationSystem）相關(guān)成果來制作植被參數(shù)庫文件。而對于網(wǎng)格土壤參數(shù)文件的制作，由于土壤參數(shù)較多，分與土壤類型相關(guān)的參數(shù)和與產(chǎn)流相關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，需采用不同的方法確定，前者采用基于網(wǎng)格優(yōu)勢土壤類型查表和公式計算相結(jié)合的方法確定，后者則通過模型率定來確定。為方便與數(shù)值天氣預(yù)報模式耦合，VIC網(wǎng)格目標(biāo)分辨率與數(shù)值天氣預(yù)報模式一致，取為10km，統(tǒng)計結(jié)果表明，寸、宜區(qū)間共由680個10km×10km網(wǎng)格覆蓋，其中共有642個網(wǎng)格產(chǎn)流量匯入三峽水庫。

1.3模型輸入本文中VIC模型只對水量平衡進(jìn)行計算，采用24h的時間步長，模型輸入為日降水和日最高、最低氣溫。在降水、溫度數(shù)據(jù)網(wǎng)格插值上，利用寸灘等87個雨量站的實測降雨數(shù)據(jù)和奉節(jié)等7個氣象站的溫度數(shù)據(jù)，采用倒距離平方和插值法將站點數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格上，考慮到三峽庫區(qū)內(nèi)雨量站和氣象站點分布不均，且雨量站比溫度站密集，故采用動態(tài)搜索法確定插值范圍，取距網(wǎng)格中心點最近的六個雨量站和最近的三個溫度站分別對雨量、溫度進(jìn)行網(wǎng)格插值計算。

1.4模型參數(shù)率定VIC-Routing模型待率定的參數(shù)有7個與產(chǎn)流相關(guān)的土壤經(jīng)驗參數(shù)和2個匯流參數(shù)。對于土壤經(jīng)驗參數(shù)的率定，考慮到VIC為基于網(wǎng)格的分布式水文模型，對每個網(wǎng)格內(nèi)的經(jīng)驗參數(shù)都進(jìn)行率定，計算量巨大，計算時間過長，可行性較低；而三峽庫區(qū)土壤類型分布較又較為均勻，上層土壤（0~30cm）主要是壤土類，下層土壤（30~100cm）主要是黏壤土和黏土，且以萬縣為界，萬縣上游主要為黏壤土，萬縣下游主要為黏土，并沒有必要對每個網(wǎng)格內(nèi)的土壤經(jīng)驗參數(shù)都進(jìn)行率定。結(jié)合三峽庫區(qū)水文控制站點流量資料情況的基礎(chǔ)上，將三峽庫區(qū)以萬縣為界，分為兩個區(qū)間，分別進(jìn)行參數(shù)率定，萬縣以上區(qū)間以寸武、清溪場子區(qū)間為代表流域，萬縣以下分左右岸，左岸以大寧河（巫溪站）代表流域，右岸以磨刀溪（長灘站）為代表流域。寸武、清溪場流量資料系列較長，取2001~2006年為率定期、2007~2008年為檢驗期，而巫溪和長灘站徑流資料有限，取2004~2005為率定期、2006年為檢驗期，采用SCE-UA優(yōu)化算法，以Nash模型效率系數(shù)R2（確定性系數(shù)）為目標(biāo)函數(shù)，參數(shù)率定結(jié)果詳見表1。至于匯流參數(shù)的率定，三峽庫區(qū)雖然匯流地貌條件復(fù)雜，但庫區(qū)兩岸支流較短，匯流速度均較快，且Routing模型中匯流速度和擴散性系數(shù)都有較明確的物理意義，故可先利用相關(guān)資料估算初值，再選取洪水過程進(jìn)行調(diào)試，最終調(diào)試結(jié)果表明，流速可取3.5m3/s，擴散性系數(shù)可取1000m2/s。

1.5VIC模型檢驗為檢驗VIC模型在三峽庫區(qū)的模擬情況，利用2006~2008年庫區(qū)氣象、水文以及徑流資料，分別對三峽庫區(qū)年徑流量、汛期產(chǎn)流量（5月1日~11月1日）以及重要洪水過程等模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，所選取的場次洪水均對三峽入庫洪水有重要影響，統(tǒng)計結(jié)果詳見表2~3。由表2~3可知，2006年~2008年VIC模型三峽庫區(qū)年徑流模擬總量和汛期模擬產(chǎn)流量的相對誤差均較低，年徑流模擬總量相對誤差分別為3.08%、3.10%、4.18%，汛期模擬產(chǎn)流量，分別為0.13%、0.73%和1.66%。進(jìn)一步分析可知，在7場洪水模擬中，洪峰和洪量相對誤差均在20%以內(nèi)，且模擬峰現(xiàn)時間和實際峰現(xiàn)時間均完全擬合。根據(jù)水文情報預(yù)報規(guī)范（SL250-2000）[10]相關(guān)評判標(biāo)準(zhǔn)，三峽庫區(qū)VIC模型模擬精度較高，可以用于三峽水庫入庫洪水作業(yè)預(yù)報。

2氣象模式

2.1WRF模式簡介WRF模式是由美國多家研究機構(gòu)共同研發(fā)的新一代中尺度預(yù)報模式和同化系統(tǒng)，采用模塊化、并行化以及分層設(shè)計等技術(shù)，在計算精度、快波處理以及預(yù)報時效等方面優(yōu)于其他中尺度氣象模式，有著良好的降水、氣溫模擬精度

。2.2WRF模式設(shè)置本文WRF模式以三峽庫區(qū)為計算區(qū)域的中心，采用粗細(xì)網(wǎng)格雙重嵌套劃分方法，粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格的水平分辨率分別為30km和10km，分別覆蓋影響長江中上游的主要天氣系統(tǒng)和影響三峽庫區(qū)的主要天氣系統(tǒng)，并根據(jù)網(wǎng)格水平分辨率將WRF模式積分步長設(shè)置為180s。在預(yù)報作業(yè)上，下載美國環(huán)境預(yù)測中心（NCEP）的全球分析場和預(yù)報場作為WRF模式的初始場和側(cè)邊界條件，并以3h為計算步長預(yù)報未來168h之內(nèi)的天氣狀況。由于NCEP每天在北京時間8點20分左右資料，預(yù)報資料下載和WRF模式計算耗時約3h（本文采用8核惠普工作站，CPU主頻3.3GHz，12GB內(nèi)存，F(xiàn)edoraCore14_X64系統(tǒng)和并行計算環(huán)境），因此，每天可在11點20分左右有效預(yù)見期為165h的天氣預(yù)報成果。本文通過自動運行腳本成功的控制了預(yù)報資料下載、預(yù)報計算以及預(yù)報結(jié)果輸出等過程的自動運行。

2.3WRF降水預(yù)報檢驗為評價WRF在三峽庫區(qū)的降水預(yù)報精度，參考《關(guān)于下發(fā)中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法（試行）的通知》氣發(fā)（2005）109號文件相關(guān)要求，采用TS評分方法，利用三峽庫區(qū)87個雨量站點實測資料，對WRF模式2007年7月逐日降水預(yù)報進(jìn)行檢驗。為便于比較，實測值以及預(yù)報值時段統(tǒng)一整理為早8時至次日早8時，TS評分結(jié)果見表4。式中：TS為評分值，又稱預(yù)報準(zhǔn)確率，氣象上一般采用該值來評價降水預(yù)報的準(zhǔn)確率，TS評分值越高，表示預(yù)報效果越好。NA為預(yù)報準(zhǔn)確次數(shù)，NB為空報次數(shù)，NC為漏報次數(shù)。由表4可知，WRF模式降水預(yù)報結(jié)果的TS評分值與預(yù)報時效以及預(yù)報降水量級有關(guān)，隨著預(yù)報時效的延長、降水量級的增加，TS評分值有減小的趨勢。進(jìn)一步分析可知，96h內(nèi)降水預(yù)報結(jié)果的TS評分值較高且較穩(wěn)定，而96h之后的TS評分值有隨預(yù)報時效的延長而遞減的趨勢?？梢?，WRF模式在三峽庫區(qū)的降水預(yù)報應(yīng)用上，有著良好的短期定量降水預(yù)報能力和一定的中期定性降水預(yù)報能力。

3三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建

3.1WRF與VIC耦合陸面模型和氣象模式耦合的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)氣象模式輸出與陸面模型輸入之間的時空尺度匹配。在空間尺度上，WRF模式與VIC模型網(wǎng)格分辨率均為10km，且兩者在地理空間上對應(yīng)良好，可直接利用Ar-cGIS軟件實現(xiàn)VIC網(wǎng)格和WRF網(wǎng)格之間的空間匹配。在時間尺度上，WRF模式和VIC模型的預(yù)報步長分別為24h和3h，而耦合系統(tǒng)的步長為24h，統(tǒng)一以早八時至次日早八時為計算時段，依次提取WRF模式相應(yīng)24h內(nèi)累積降水量、最高氣溫和最低氣溫等預(yù)報要素，并按VIC模型氣象輸入文件格式要求輸出，從而成功實現(xiàn)了WRF模式與VIC模型間的單向耦合。

3.2陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)實現(xiàn)三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)主要由氣象模式（WRF）、陸面過程（VIC－Routing）、數(shù)據(jù)庫支撐、預(yù)報以及自動運行控制5個模塊組成。雖然天氣預(yù)報和洪水預(yù)報計算均在Linux系統(tǒng)下完成，但為便于與其它洪水預(yù)報系統(tǒng)集成，系統(tǒng)將預(yù)報平臺布設(shè)在Windows客戶端，通過采用服務(wù)器構(gòu)架和數(shù)據(jù)庫訪問策略控制技術(shù)來解決不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞問題，并研發(fā)了自動運行控制模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部自循環(huán)日滾動預(yù)報，三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)框架圖和預(yù)報界面詳見圖2~3。

4暴雨洪水預(yù)報試驗

為檢驗三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報精度，選取表4中對入庫洪水貢獻(xiàn)最大的四場三峽庫區(qū)洪水過程，進(jìn)行暴雨洪水預(yù)報試驗，各場洪水的峰現(xiàn)時間分別為2007年6月20日、2007年7月21日、2007年7月30日和2008年8月16日。結(jié)合WRF模式預(yù)報能力，同時考慮到庫區(qū)上游水文部門一般只提供未來3天寸灘站、武隆站徑流過程預(yù)報，本文選取96h為最長預(yù)見期，利用耦合系統(tǒng)分別對以上四場洪水進(jìn)行日滾動預(yù)報試驗。

4.1WRF模式降水預(yù)報成果分析與傳統(tǒng)洪水預(yù)報方案檢驗不同，在檢驗陸氣耦合洪水預(yù)報精度之前，應(yīng)首先對定量降水過程進(jìn)行檢驗。本文分別從對產(chǎn)匯流影響較大的面平均雨量（P_AVE）和網(wǎng)格最大雨量（P_MAX）兩方面對降水預(yù)報精度進(jìn)行檢驗，考慮到雨量等級對相對誤差等級影響較大，所以大于5mm的降水以相對誤差為衡量指標(biāo)，而小于5mm的降水以絕對誤差為衡量指標(biāo)。本次降雨試驗共有40場降水預(yù)成果，其中面平均雨量和網(wǎng)格最大雨量預(yù)報中偏大預(yù)報場數(shù)分別為24場和28場。分析表明，小雨事件預(yù)報值大于實測值的情況較多，暴雨事件預(yù)報值小于實測值的情況較多，且整體上WRF模式偏大預(yù)報要多于偏小預(yù)報。為進(jìn)一步分析WRF模式降水預(yù)報精度的影響因素，統(tǒng)計WRF模式在不同預(yù)報時效和不同雨量等級下的降雨預(yù)報平均相對誤差水平，統(tǒng)計結(jié)果詳見表5。由表5可知，WRF模式降水預(yù)報精度同時受預(yù)報時效和預(yù)報等級的影響，對于同一預(yù)報時效，中到大雨的平均相對誤差最低，大到暴雨次之，而小雨事件則不太穩(wěn)定；對于同一雨量等級，預(yù)報精度有隨預(yù)報時效的增長而遞減的規(guī)律。此外，面平均雨量預(yù)報精度整體上比網(wǎng)格最大雨量高?？傮w上，WRF模式在三峽庫區(qū)的降水預(yù)報精度良好，能夠為洪水預(yù)報提供有效的降水預(yù)報信息。

4.2入庫洪水預(yù)報成果分析為檢驗耦合系統(tǒng)洪水預(yù)報精度，以不考慮預(yù)見期降水的傳統(tǒng)預(yù)報方法為參照，將三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)的洪水預(yù)報結(jié)果與寸灘、武隆上游來水合成為三峽水庫預(yù)報入庫洪水，再與實際入庫洪水進(jìn)行對比分析，其中寸灘、武隆洪水演進(jìn)采用馬斯京根法。圖4給出了不同預(yù)報時效的預(yù)報入庫洪水與實際入庫洪水以及傳統(tǒng)預(yù)報入庫洪水之間的對比情況，表6則給出了不同預(yù)報時效洪峰預(yù)報誤差。由圖4可知，與無降水預(yù)報相比，考慮三峽庫區(qū)洪水的三峽入庫洪水預(yù)報精度明顯提高。通過表6進(jìn)一步分析可知，在統(tǒng)計的16個三峽水庫入庫洪峰預(yù)報成果中，偏大預(yù)報為9個，最大正偏差為7.0%，偏小預(yù)報為7個，最小負(fù)偏差為11.8%?？梢?，洪峰預(yù)報精度與預(yù)報時效有關(guān)，預(yù)報時效越長，預(yù)報精度越低，24h~96h對應(yīng)的平均相對誤差水平分別為：1.1%、2.8%、5.9%和2.9%。根據(jù)水文情報預(yù)報規(guī)范(SL2502000)，以實測洪峰流量的20%為許可誤差，以上四場洪水預(yù)報試驗洪峰預(yù)報誤差均在許可誤差之內(nèi)?？梢?，三峽庫區(qū)陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)96h以內(nèi)洪水預(yù)報精度均符合水文預(yù)報作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以為三峽水庫安全高效運行提供及時、有效的決策支持。

5結(jié)論

本文在降水預(yù)報上，建立了三峽庫區(qū)新一代數(shù)值天氣預(yù)報WRF模式，降水預(yù)報試驗結(jié)果表明WRF模式對三峽庫區(qū)降水具有良好的預(yù)報能力，短期降水預(yù)報精度良好；在洪水預(yù)報上，建立了三峽庫區(qū)VIC分布式水文模型，并采用SCE-UA優(yōu)化算法對模型參數(shù)進(jìn)行率定，模型檢驗結(jié)果表明VIC水文模型在三峽庫區(qū)具有較高的確定性和預(yù)報精度。進(jìn)而利用WRF模式降水、氣溫等預(yù)報數(shù)據(jù)驅(qū)動VIC模型，實現(xiàn)了WRF模式與VIC模型間的單向耦合，并構(gòu)建了三峽庫區(qū)日滾動暴雨洪水預(yù)報系統(tǒng)。最后，選取庫區(qū)洪水對入庫洪水貢獻(xiàn)較大的四場洪水進(jìn)行預(yù)報試驗，分析結(jié)果表明三峽庫區(qū)陸氣耦合預(yù)報系統(tǒng)可以有效延長三峽入庫洪水預(yù)見期，能夠提高預(yù)見期內(nèi)洪水預(yù)報精度。綜上可知，基于數(shù)值天氣預(yù)報模式和分布式水文模型的陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)在入庫洪水預(yù)報上具有較大應(yīng)用潛能。

作者：彭艷周建中賈夢曾小凡唐造造單位：水電與數(shù)字化工程學(xué)院華中科技大學(xué)廣東省水利水電科學(xué)研究院廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心