基于降水集合预报模式的辽西山洪预警技术研究

刘瑛楠

(辽宁省沈阳水文局，沈阳 110043)

0 前 言

由于山洪受暴雨洪水影响，洪水陡涨陡落，使得山洪灾害防御十分困难[1]。山洪预警是山洪灾害防御的重要措施。近些年来，采用降水预报模式是提前进行山洪预警的重要方法，为此不同降水预报模式也逐步得到研究[2-8]，但一些研究成果表明，单一降水集合预报模式在大雨量级下的预报精度不高，使得单一降水预报模式在一些区域山洪预警的合格率不高[9]。因此需要对不同单一降水预报模式进行集合分析，提高降水预报模式对于大雨预报的精度[10]。当前，降水集合预报模式已经在一些区域的山洪预警中得到应用[11-14]，具有一定的预警效果，但在辽西地区还未得到相关应用，辽西地区主要为山丘区，区域在夏季发生山洪的可能性较高，亟需对区域山洪预警进行研究，从而保障区域突发性山洪的有效防御。为此文章结合降水集合预报方法，对辽西地区山洪预警技术进行研究。研究成果对于辽西地区山洪灾害防御具有参考价值。

1 预警方法

文章结合降水集合预报成果，作为水文模型的输入，对区域山洪流量进行预报，结合预报流量成果对区域山洪进行可能预报研究，考虑到辽西地区属于典型的干旱半干旱区，选用垂向混合产流模型作为区域山洪预警的预报模型，模型产流系数计算方程为：

(1)

式中：α为产流系数；FA为下渗水量，mm；Wmm为蓄水量最大值，mm，模型土壤水下渗曲线方程为：

(2)

(3)

RS=PE-FA

(4)

式中：FM为产流量，mm；FC为下渗速率，mm/s；WM为蓄水容量流域均值，mm；W为前期影响雨量，mm；KF为渗透系数；BF为蓄水空间分布系数；PE为降雨减去蒸发的水量，mm；RS为地表产流量，mm。

2 模型应用

2.1 区域概况

文章以辽西大凌河流域为研究区域，区域属于典型干旱半干旱区，降水量主要集中在7-8月，多年平均降水量约为600mm，大部分山丘区山洪涨水到落水的历时均较短，平均在2-3h之内，近些年来，受极端气候变化影响，据统计区域发生中型山洪的次数呈现明显递增变化。为此文章结合降水结合预报成果，以垂向混合产流模型作为区域山洪预报模型，探讨降水集合预报方法在区域山洪预警的适用性以及预警合格率。

2.2 预报模型构建

对辽西地区山洪预警模型进行主要参数设置，在完成模型参数设置后实现对预警模型的构建，研究主要预警参数的物理意义以及主要参数值，预警参数值，见表1。

2.3 预报模型精度分析

在山洪预报模型构建的基础上，选取流域内典型山洪场次洪水进行预报模型精度分析，主要分析两个时段，时段长为1h的预报模型精度评价结果，见表2；时段长为3h的预报模型精度评价结果，见表3。

表1 预警参数值

表2 时段长为1h的预报模型精度评价结果

表3 时段长为3h的预报模型精度评价结果

从预报精度评价结果可看出，垂向混合产流模型在辽西大凌河流域各场次山洪具有较好的预报精度，预报的洪峰误差总体<±25%，不同时段的山洪模拟合格率>60%，具有一定的预报精度。降雨时段越短其预报合格率越低，这主要是因为预报时段越短，其降水影响越大，使得预报模型精度有所降低。因此在辽西地区山洪预警时，建议将预警时段控制在2h以上，从而可影响的提高山洪预警的合格率。

2.4 预警合格率分析

在预报模型精度评价的基础行，对各典型场次山洪预警的指标进行分析和检验，1h预警指标分析，见表4；3h预警指标分析，见表5。

从分析结果可看出，相比于传统山洪预警方法，文章提出的基于降水集合预报模式的山洪预警技术在研究区域山洪预警的合格率平均可提升约10%。传统山洪预警方法由于只考虑单一降雨预报模式，在大雨或者暴雨预报精度要低于降水集合预报的精度，因此其预警合格率要低于采用降水集合预报模式的山洪预警。此外从对比分析结果还可看出，文章山洪预警技术相比于传统山洪预警技术，在1h时段的预警合格率也较高。

2.5 修正后预警合格率分析

考虑到降水集合预报方法在大雨及暴雨精度不高的问题，文章基于卡尔曼滤波方法对降水预报集合模式进行修正，并结合2018年以及2017年研究区域两场洪水进行降水集合预报模式修正前后的山洪预警效果的对比，修正前后“20180723”预警效果对比，见表6；修正前后“20190712”预警效果对比，见表7。

从两场山洪预警效果可看出，采用卡尔曼滤波进行降水集合预报模式修正后的其山洪预警和实际预警的吻合度相比于修正前平均可提高约10%，这主要是因为修正后的降水集合预报模式提高了其在大雨及暴雨量级下的降雨预报精度，从而提高了其山洪预警的准确度。此外卡尔曼滤波方法可对传统降水集合预报模式进行修正处理，降低了其在大雨及暴雨量级下的预报精度。因此在辽西地区山洪预警时，建议采用卡尔曼滤波对其降雨集合预报进行修正，从而提高降水集合预报的山洪预警精度。

表4 1h预警指标分析

表5 3h预警指标分析

表6 修正前后“20180723”预警效果对比

表7 修正前后“20190712”预警效果对比

3 结 论

1)降雨时段越短其预报合格率越低，这主要是因为预报时段越短，其降水影响越大，使得预报模型精度有所降低。因此在辽西地区山洪预警时，建议将预警时段控制在2h以上，从而可影响的提高山洪预警的合格率。

2)相比于传统考虑单一降水预报模式的山洪预警方法，文章提出的基于降水集合预报模式的山洪预警技术在研究区域山洪预警的合格率平均可提升10%左右。

3)采用卡尔曼滤波进行降水集合预报模式修正后的其山洪预警和实际预警的吻合度相比于修正前平均可提高约10%，这主要是因为修正后的降水集合预报模式提高了其在大雨及暴雨量级下的降雨预报精度，从而提高了其山洪预警的准确度。