第1章　绪论

1.1　研究背景与意义

水是万物之源，也是自然界生态圈中最重要的基础资源。就像人类的血液一般，水资源作为地球生态系统的“血液”，为大自然生态系统和人类生态系统的可持续发展提供了重要的基本要素。众多研究表明：在人类文明还未出现之前，地球环境虽然不断发生变化，但在很长一段时期内由于未受到人类干扰而变化程度不甚明显。当人类文明出现在地球上以后，随着人类文明程度不断提高、科技不断发展，人类在创造经济财富的同时，也极大地破坏和扰动了自身的栖息地。

我国领土幅员辽阔，南北纵跨纬度50°，东西横跨经度60°。如此广阔的地域空间，使得我国自然地理特征多样，下垫面时空分异巨大。我国自1979年第一次水资源评价以来已近40年。由于受到气候变化、自然变迁（自然）和人为活动（社会）等综合影响，大气、陆表生境发生了重大变化。例如：大气变暖、厄尔尼诺等现象导致流域降水量和蒸发量发生显著改变，特大洪涝、干旱灾害等事件时有发生；砍伐森林、不断扩大耕地等导致流域内土壤、植被、地形等物理因素亦相应发生变化，进而导致流域河川径流发生突变。近年来东北地区及江南丘陵地区，由于对森林的过度砍伐，山洪更加肆虐，汛期洪水量明显增加。长期对森林植被和土壤结构的肆意破坏，也严重地改变了地表径流的一致性。

此外，水库工程和调水工程的建设也在影响着水资源分布，大大改变了水循环的特点。普查数据显示：目前我国库容10万m3及以上的水库工程达9.8万多座。水库的建立会改变河流自然汇流规律，且库区蒸发量不断增大。而考虑到我国经济社会发展和对水资源的需求形势，跨流域调水势在必行，但必然会引发区域水资源重新配置。

综上，受气候变化和人类活动的影响，水资源产、汇流等物理机制会发生较大改变，进而引起水文特征值（如某些统计值：均值、偏态系数、标准差等）变异，并最终导致水文序列失去“一致性”，即所谓的水文序列“非一致性”表现。流域径流序列的非一致性现象产生，将导致现有或即将开发建设的防洪、抗旱、调度等水利工程面临极大的设计频率失真及决策判断失误等问题。

我国《全国水资源综合规划大纲》（简称《大纲》）明确指出，水文序列非一致性的存在使得观测径流不能直接取代自然径流的现象，需对观测水文数据进行还现、还原计算。同时《大纲》还提出，如果地表下垫面的变化导致天然水文序列的非一致现象发生，需要进行非一致性的处理工作。

实现还原、还现计算的方法包括构建水文模型、突变点分析法及时间序列合成与分析法。然而，部分方法由于存在一定不足导致使用效果不佳。如果预测期时间较长，时间序列合成与分解法的确定性成分预测方法可能存在很大的外延风险。此外，由于水资源调查通常具有时间的滞后性质、调查结果受到大量工作的限制而使得获得数据精度较低，预报人员不能获得理想的水资源评价效果。对于大尺度调水而言，建立耦合模型也是一种选择。然而，这要求在模式气象、地表等输入数据的精度、模型参数率定等方面均需要较好地处理。尤其对于模式参数而言，以往数值气象模式往往仅将参数限定于某一历史时刻，不能通过实时修改参数提高预报精度，导致结果不甚理想。

对于针对水库调度的预报而言，其根本风险主要来源于非一致性条件下的大气-水文预报的准确性、水利工程本身的施工缺陷及决策方面的问题。其中，大气-水文预报毋庸置疑是这几种中最为重要的，并直接决定了水库调度尤其是防洪调度的可靠性与准确性。随着近年来大气-陆面耦合技术的发展，水文预报也逐渐跟上了前进步伐。然而从我国国内目前研究来看，虽然预报信息可以反映未来的流域水文信息，但由于考虑到日内（24h）降水预报误差较小，传统降水预报为了减少预报误差均仅考虑在日内进行预报，在中长期进行雨情预报还未有效开展。同样对于洪水预报来讲，现有洪水预测与预报只能提前1～4天，然而对于一般长达数月之久的水库的防洪调度和河流的汛期而言，太短的预见期无法进行快速决策判断。然而，在非一致条件下，预见期无限增大将使决策判断可靠性大大降低。因此，如何有效地在适当延长调度预见期的同时最大可能地增加有效预见期将是研究的重点。

气象水文模型本身结构及模式参数等均不再满足其在一致性条件下的表现能力，因而需要对各方面进行非均一条件下的系统改进。气象-水文耦合模式中，下垫面质量好坏将从源头上影响模式输出结果，有必要对流域下垫面进行当地化处理，以解决模式下垫面失真的问题。大气模式由于其预见期与预报精度均受制于模式参数化方案，因此，如何利用前期参数化方案优选未来预报参数并实现月内参数化方案动态调整有待于进一步研究。此外，模式参数优化速率方面有待于进一步提高，以提高系统优化效率及全局效果。正如各类气象、陆面模式一样，由不同方法驱动的预报输出结果将得到不同的结果，集合预报也将是较为稳健的结果后处理法。

本书将从气候变化（自然）和人为活动（社会）两个方面结合，一方面通过改进非一致性条件下气候-水文模式地表下垫面参数（DEM、土地利用、土壤真实分布），以使得模式本地化，减少由“非一致性”等人为-自然因素带来的误差；另一方面，研究非一致性条件下高精度的大气模式动态调整方案，即在中尺度气象预报模式WRF（Weather Research and Forecasting）本地化基础上，改进传统单一参数化方案精度较差问题，利用异常气象事件（非一致性事件）对月内模式参数进行滚动校准，以期提高降水预报精度。在模型结构方面，将考虑水利工程和土地利用对洪水产汇流过程的影响作用，进一步分析模式产汇流过程中水利工程和土地利用对洪水的调蓄等影响作用，进一步精细化非一致性条件对径流过程带来的影响。在以上基础上，利用考虑基于非一致性条件下的WRF气象模式耦合改进的水文模式进行洪水集合预报工作。集合预报工作可最大限度地减少在非一致性条件下的大气-水文模式耦合的误差。

本书将从总体耦合模式结构优化、地表参数更新、模式参数算法优化、模型滚动预报并更新参数、集合模式预报等多个角度出发提高非一致性条件下的耦合模式预报精度，更大程度延长洪水调度有效预见期。该研究可从理论与实际上更好地为我国在非一致性条件下的水文气象预报调度决策提供支撑作用，同时也将对非一致性条件下大气-水文模式耦合及预报模式集合下的水库优化调度模式建立做出巨大贡献。