應(yīng)用天氣雷達(dá)定量估算降雨的分布式流域洪水模擬研究.pdf

1、我國(guó)南方地區(qū)洪水災(zāi)害發(fā)生頻繁，特別是暴雨、臺(tái)風(fēng)雨等強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣常常引起暴雨洪水，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。利用天氣雷達(dá)估測(cè)流域降雨，并結(jié)合水文模型進(jìn)行流域徑流模擬和預(yù)測(cè)，是防洪減災(zāi)工程應(yīng)用比較有前景的方法，也是目前水文及氣象等多學(xué)科交叉研究的前沿和熱點(diǎn)。天氣雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)大面積降水并可對(duì)降雨預(yù)報(bào)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，作為定量測(cè)量降水的手段具有測(cè)量范圍廣、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。但天氣雷達(dá)在水文應(yīng)用中存在一些誤差，雷達(dá)估測(cè)降雨的誤差可能來(lái)自于雷

2、達(dá)數(shù)據(jù)估計(jì)的錯(cuò)誤、系統(tǒng)誤差或缺少對(duì)復(fù)雜氣象過(guò)程的理解。早期的應(yīng)用側(cè)重于利用雨量站與估測(cè)降雨的偏差因子來(lái)校正雷達(dá)降雨。目前隨著對(duì)雷達(dá)估測(cè)降雨理論的深入理解，研究更多地關(guān)注地物阻擋、垂直廓線等，特別是垂直廓線的變化被認(rèn)為是造成雷達(dá)估測(cè)降雨誤差的主要因素。分布式水文模型能耦合應(yīng)用高分辨率降雨數(shù)據(jù)，并模擬實(shí)際暴雨洪水產(chǎn)匯流的空間分布特征，是少資料地區(qū)水文模擬、預(yù)報(bào)有潛力的工具。但分布式模型建模及應(yīng)用中也面臨很多挑戰(zhàn)：過(guò)參數(shù)化、參數(shù)空間高維、計(jì)算

3、效率低及不確定性等。構(gòu)建高效適用的分布式水文模型，并建立相應(yīng)的參數(shù)化和模型率定的方法是分布式水文模型應(yīng)用的基礎(chǔ)。
　　 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金“耦合水文氣象遙感技術(shù)的新一代流域洪水預(yù)報(bào)方法(50479033)”和英國(guó)環(huán)境局基金“FRMRC2(Flood Risk ManagementConsortium Phase2)"，從模型與方法的角度，對(duì)上述問(wèn)題開展研究。本文的研究區(qū)域選擇了中國(guó)廣州的流溪河流域和英國(guó)西英格蘭的Tone流

4、域。論文擬以暴雨洪水模擬為目標(biāo)，旨在研究應(yīng)用天氣雷達(dá)估測(cè)降雨的分布式水文模擬的相關(guān)的方法及技術(shù)手段。取得的主要研究成果與結(jié)論如下：
　　 (1)構(gòu)建了一個(gè)流域暴雨洪水預(yù)報(bào)的網(wǎng)格分布式物理水文模型。模型特別考慮了單元內(nèi)參數(shù)不均，及壤中流出流的尺度變化，并用多叉樹遍歷算法確定模型單元匯流計(jì)算順序。模型具有計(jì)算高效、可耦合高分辨率定量降雨數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。模型可以較容易根據(jù)DEM、土壤覆蓋、土地利用空間數(shù)據(jù)建模，文中給出了兩個(gè)研究流域模型建

5、模的參數(shù)化過(guò)程。
　　 (2)采用高效的Extend FAST全局敏感性分析方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并以敏感性分析結(jié)果作為模型率定的依據(jù)。文中給出了敏感性分析方法框架，包括參數(shù)采樣和敏感度評(píng)價(jià)的過(guò)程。對(duì)兩個(gè)流域分析，結(jié)果表明：不同的流域、不同的時(shí)間尺度、及流域上下游，模型中的部分參數(shù)敏感性不一致。根據(jù)模型參數(shù)敏感性分析的結(jié)果，用手工試錯(cuò)法對(duì)研究區(qū)的參數(shù)進(jìn)行率定，兩個(gè)流域模型的驗(yàn)證表明，使用該模型進(jìn)行流域洪水模擬的結(jié)果是可信

6、的。
　　 (3)分析了CINRAD定量估測(cè)降雨的主要誤差：地物阻擋、地面雜波、垂直廓線，并對(duì)各誤差進(jìn)行了校正。文中對(duì)天氣雷達(dá)估測(cè)降雨的原理及主要可能誤差進(jìn)行了綜述，對(duì)2005，2006年主要降雨期間廣州雷達(dá)和韶關(guān)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量、累積統(tǒng)計(jì)、累積-距離統(tǒng)計(jì)分析，確定了研究區(qū)域的定量估測(cè)降雨的主要誤差源。針對(duì)地物阻擋，建立了可采用高分辨率的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算不同仰角下雷達(dá)波束地物阻擋損失的能量方法，并對(duì)廣州、韶關(guān)雷達(dá)地物阻擋進(jìn)行了校正

7、。建立了模擬地面雜波產(chǎn)生的方法，并模擬了廣州雷達(dá)的地面雜波圖。對(duì)兩場(chǎng)典型降雨實(shí)例的雷達(dá)回波反射率因子垂直廓線分布進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域亮帶和對(duì)流體的分布特征。總結(jié)出該區(qū)域氣候條件下降雨的垂直廓線特征，提出了分類平均法垂直廓線生成算法，用于校正垂直廓線誤差。
　　 (4)以網(wǎng)格分布式水文模型作為降雨-徑流的模擬平臺(tái)，對(duì)比雷達(dá)估測(cè)降雨和雨量站輸入的模擬效果。對(duì)比雷達(dá)估測(cè)降雨和雨量站降雨，發(fā)現(xiàn)不同雨型下雷達(dá)估測(cè)降雨的表現(xiàn)差異較大。對(duì)

8、于層流雨，雨量站可以較好地代表面雨量的分布，而雷達(dá)估測(cè)降雨精度受亮帶存在的影響；對(duì)于對(duì)流雨，地面雨量計(jì)不能較好地代表降雨的空間分布，而雷達(dá)高空間分辨率可以捕捉到局部降雨。模擬結(jié)果表明，應(yīng)用雷達(dá)估測(cè)降雨和雨量站降雨輸入的模型模擬結(jié)果相差不大，取決于雨量站網(wǎng)密度。在流溪河水庫(kù)流域，6個(gè)雨量站降雨輸入比雷達(dá)估測(cè)降雨輸入模擬結(jié)果要好；在Tone流域，NIMROD1km的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果要優(yōu)于雨量站，而NIMROD5k的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果比雨量站差。應(yīng)用半

9、變異函數(shù)對(duì)CINRAD數(shù)據(jù)進(jìn)行空間變異分析，發(fā)現(xiàn)半變異函數(shù)曲線可分為兩類：第一類變程在6km和17km之間，反映了該區(qū)域?qū)α饔甑膶?duì)流體尺度，第二類在最大統(tǒng)計(jì)間距內(nèi)沒有明顯拐點(diǎn)，反映了該區(qū)域的層流雨。將1km分辨率的雷達(dá)測(cè)雨數(shù)據(jù)聚合為2km、4 km、8 km、16 km和32 km的分辨率，分別對(duì)三場(chǎng)降雨模擬對(duì)比。降雨分辨率是否影響模擬的效果與降雨的尺度有關(guān)，尺度越大的降雨，模擬結(jié)果對(duì)分辨率的變化不敏感。而半變異函數(shù)的變程反映了這個(gè)尺度