應用天氣雷達定量估算降雨的分布式流域洪水模擬研究.pdf

1、我國南方地區(qū)洪水災害發(fā)生頻繁，特別是暴雨、臺風雨等強對流災害性天氣常常引起暴雨洪水，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。利用天氣雷達估測流域降雨，并結合水文模型進行流域徑流模擬和預測，是防洪減災工程應用比較有前景的方法，也是目前水文及氣象等多學科交叉研究的前沿和熱點。天氣雷達可以監(jiān)測大面積降水并可對降雨預報進行短期預報，作為定量測量降水的手段具有測量范圍廣、時空分辨率高等優(yōu)點。但天氣雷達在水文應用中存在一些誤差，雷達估測降雨的誤差可能來自于雷

2、達數據估計的錯誤、系統(tǒng)誤差或缺少對復雜氣象過程的理解。早期的應用側重于利用雨量站與估測降雨的偏差因子來校正雷達降雨。目前隨著對雷達估測降雨理論的深入理解，研究更多地關注地物阻擋、垂直廓線等，特別是垂直廓線的變化被認為是造成雷達估測降雨誤差的主要因素。分布式水文模型能耦合應用高分辨率降雨數據，并模擬實際暴雨洪水產匯流的空間分布特征，是少資料地區(qū)水文模擬、預報有潛力的工具。但分布式模型建模及應用中也面臨很多挑戰(zhàn)：過參數化、參數空間高維、計算

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

4、域。論文擬以暴雨洪水模擬為目標，旨在研究應用天氣雷達估測降雨的分布式水文模擬的相關的方法及技術手段。取得的主要研究成果與結論如下：
　　 (1)構建了一個流域暴雨洪水預報的網格分布式物理水文模型。模型特別考慮了單元內參數不均，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算順序。模型具有計算高效、可耦合高分辨率定量降雨數據的特點。模型可以較容易根據DEM、土壤覆蓋、土地利用空間數據建模，文中給出了兩個研究流域模型建

5、模的參數化過程。
　　 (2)采用高效的Extend FAST全局敏感性分析方法對模型參數進行敏感性分析，并以敏感性分析結果作為模型率定的依據。文中給出了敏感性分析方法框架，包括參數采樣和敏感度評價的過程。對兩個流域分析，結果表明：不同的流域、不同的時間尺度、及流域上下游，模型中的部分參數敏感性不一致。根據模型參數敏感性分析的結果，用手工試錯法對研究區(qū)的參數進行率定，兩個流域模型的驗證表明，使用該模型進行流域洪水模擬的結果是可信

6、的。
　　 (3)分析了CINRAD定量估測降雨的主要誤差：地物阻擋、地面雜波、垂直廓線，并對各誤差進行了校正。文中對天氣雷達估測降雨的原理及主要可能誤差進行了綜述，對2005，2006年主要降雨期間廣州雷達和韶關雷達進行數據質量、累積統(tǒng)計、累積-距離統(tǒng)計分析，確定了研究區(qū)域的定量估測降雨的主要誤差源。針對地物阻擋，建立了可采用高分辨率的DEM數據計算不同仰角下雷達波束地物阻擋損失的能量方法，并對廣州、韶關雷達地物阻擋進行了校正

7、。建立了模擬地面雜波產生的方法，并模擬了廣州雷達的地面雜波圖。對兩場典型降雨實例的雷達回波反射率因子垂直廓線分布進行了分析，發(fā)現了該區(qū)域亮帶和對流體的分布特征?？偨Y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)以網格分布式水文模型作為降雨-徑流的模擬平臺，對比雷達估測降雨和雨量站輸入的模擬效果。對比雷達估測降雨和雨量站降雨，發(fā)現不同雨型下雷達估測降雨的表現差異較大。對

8、于層流雨，雨量站可以較好地代表面雨量的分布，而雷達估測降雨精度受亮帶存在的影響；對于對流雨，地面雨量計不能較好地代表降雨的空間分布，而雷達高空間分辨率可以捕捉到局部降雨。模擬結果表明，應用雷達估測降雨和雨量站降雨輸入的模型模擬結果相差不大，取決于雨量站網密度。在流溪河水庫流域，6個雨量站降雨輸入比雷達估測降雨輸入模擬結果要好；在Tone流域，NIMROD1km的數據模擬結果要優(yōu)于雨量站，而NIMROD5k的數據模擬結果比雨量站差。應用半

9、變異函數對CINRAD數據進行空間變異分析，發(fā)現半變異函數曲線可分為兩類：第一類變程在6km和17km之間，反映了該區(qū)域對流雨的對流體尺度，第二類在最大統(tǒng)計間距內沒有明顯拐點，反映了該區(qū)域的層流雨。將1km分辨率的雷達測雨數據聚合為2km、4 km、8 km、16 km和32 km的分辨率，分別對三場降雨模擬對比。降雨分辨率是否影響模擬的效果與降雨的尺度有關，尺度越大的降雨，模擬結果對分辨率的變化不敏感。而半變異函數的變程反映了這個尺度