劉志雨

2013年5月下旬至6月上旬，中歐地區(qū)出現(xiàn)大范圍、長歷時(shí)的連續(xù)性強(qiáng)降雨過程，致使德國、捷克、奧地利等國家發(fā)生了“世紀(jì)洪水”，多瑙河水位超過了1954年的歷史最高水位，易北河水位接近2002年特大洪水高水位。自從2002年中歐發(fā)生特大洪水以來，歐洲在提高防范和應(yīng)對洪水事件能力方面成效明顯，洪水管理計(jì)劃得到評估，防洪措施已經(jīng)實(shí)施，部門和國家間合作得以改進(jìn)。歐盟委員會聯(lián)合研究中心與其他委員會服務(wù)組織、國家氣象水文服務(wù)中心以及其他研究機(jī)構(gòu)一道，研發(fā)了歐洲洪水感知系統(tǒng)（European Flood Alert System——EFAS）。EFAS通過耦合空間上分布的水文模型和各種高分辨率、確定性和概率性的中期天氣預(yù)報(bào)來實(shí)現(xiàn)歐洲范圍內(nèi)的極端天氣事件預(yù)測和洪水預(yù)警預(yù)報(bào)與警報(bào)，并通過網(wǎng)站等方式向政府部門和社會公眾發(fā)布，以增強(qiáng)社會防洪減災(zāi)預(yù)警意識，提高政府防洪應(yīng)急管理水平。

系統(tǒng)概述及其技術(shù)特點(diǎn)

歐洲洪水感知系統(tǒng)（EFAS）代表歐洲第一個(gè)水文業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，它以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)為主要依據(jù)，向全歐洲各國國家水文服務(wù)中心、流域管理委員會、國際民眾防護(hù)與災(zāi)害響應(yīng)組織等提供預(yù)見期為3～10天的極端天氣和洪水預(yù)報(bào)警報(bào)信息服務(wù)。EFAS是全球環(huán)境安全監(jiān)測計(jì)劃能源管理服務(wù)的一部分。歐洲一些國家有專門負(fù)責(zé)國家水文氣象服務(wù)的網(wǎng)站，用戶使用密碼登錄這些網(wǎng)站可以獲取EFAS的洪水預(yù)報(bào)與警報(bào)。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心是EFAS的計(jì)算中心，其合作伙伴包括瑞典、斯洛伐克、荷蘭和西班牙等國家。

自2012年9月以來，EFAS已在哥白尼應(yīng)急管理服務(wù)中心投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。EFAS由幾個(gè)聯(lián)合體共同負(fù)責(zé)：數(shù)據(jù)處理和模型計(jì)算及Web服務(wù)由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（位于英國雷?。┴?fù)責(zé)運(yùn)行和維護(hù)；洪水預(yù)測分析和洪水警報(bào)發(fā)布由瑞典的氣象和水文研究所、荷蘭水運(yùn)當(dāng)局和斯洛伐克水文氣象研究所負(fù)責(zé)完成；水文數(shù)據(jù)（歐洲主要河流歷史和實(shí)時(shí)水位、流量數(shù)據(jù)）的收集由西班牙安達(dá)盧西亞區(qū)域農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和環(huán)境部以及私人公司ELIMCO共同負(fù)責(zé)完成。整個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目管理的主體仍然是歐盟委員會。

在歐洲區(qū)域尺度上，EFAS的洪水預(yù)測是通過耦合空間上分布的水文模型和各種高分辨率、確定性和概率性的中期天氣預(yù)報(bào)來完成的，這些中期（3～10天）天氣預(yù)報(bào)成果是由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心、德國天氣服務(wù)中心和全球小尺度氣候模式研究聯(lián)合體提供，目的是促進(jìn)氣象水文集合預(yù)報(bào)和多輸入預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用（圖1）。

EFAS代表了歐盟委員會哥白尼應(yīng)急管理服務(wù)的早期預(yù)警功能部分，EFAS還包含一個(gè)快速繪圖功能，一旦發(fā)生洪水，在接收到受洪水影響國家的請求后，該系統(tǒng)可生成衛(wèi)星遙感圖像和洪水淹沒圖。歐盟哥白尼應(yīng)急管理服務(wù)中心提供的來源于衛(wèi)星遙感的地理空間信息參考地圖和洪水淹沒圖可以登錄相應(yīng)網(wǎng)站查閱。

歐洲洪水感知系統(tǒng)具有4個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)：①手段方法先進(jìn)。系統(tǒng)集成了多源信息融合、氣象集合預(yù)報(bào)、數(shù)值高程模型、分布式水文模型、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等先進(jìn)信息技術(shù)和氣象水文預(yù)報(bào)方法。②預(yù)警早，范圍廣。EFAS致力于在洪水暴發(fā)前更好地保護(hù)歐洲的居民、環(huán)境和文化遺產(chǎn)。EFAS在時(shí)間上主要提供中期預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)見期長達(dá)10天；在空間上預(yù)警范圍覆蓋全歐洲，主要關(guān)注中、大河流及跨界河流流域。預(yù)警有效性很大程度取決于中期天氣預(yù)報(bào)的精度。③信息產(chǎn)品豐富。以點(diǎn)、線、面不同形態(tài)，采用圖、表的方式，展現(xiàn)降雨空間分布、流域土壤實(shí)況與變化、江河洪水警告或警戒、山洪預(yù)警、實(shí)時(shí)洪水監(jiān)視、洪水發(fā)生概率、洪水淹沒遙感監(jiān)測、應(yīng)急響應(yīng)行動等信息產(chǎn)品。此外，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心能夠借助EFAS加深對陸地表層水文的理解，并對其極端天氣的預(yù)報(bào)進(jìn)行驗(yàn)證和診斷。④全年自動運(yùn)行。自2012年9月起，EFAS已經(jīng)從一個(gè)研究項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)變成一個(gè)完整的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，每天24小時(shí)、每年365天運(yùn)行，為歐洲各國水文、氣象、防災(zāi)減災(zāi)管理部門提供有關(guān)概率性洪水預(yù)報(bào)產(chǎn)品和早期警告信息。

系統(tǒng)在2013年中歐“世紀(jì)洪水”應(yīng)急管理中的應(yīng)用

EFAS發(fā)布中期洪水概率警報(bào)，其目的主要是提供給歐洲各國水文氣象預(yù)報(bào)服務(wù)中心一種早期“洪水警告”預(yù)測信息，提醒相關(guān)人員關(guān)注可能發(fā)生暴雨洪水的地區(qū)，以便及早覺察洪水的發(fā)生。同時(shí)，也為防汛部門提前做好工作準(zhǔn)備、及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息、盡快啟動應(yīng)急響應(yīng)等提供技術(shù)支撐。EFAS自2012年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，通過提高洪水感知和實(shí)時(shí)監(jiān)視洪水災(zāi)害發(fā)生情況為歐洲各國應(yīng)急管理提供幫助，特別是在2013年夏季中歐“世紀(jì)洪水”應(yīng)急管理中發(fā)揮了作用。

2013年6月上旬，中歐地區(qū)易北河和多瑙河發(fā)生嚴(yán)重水災(zāi)，其支流遭受嚴(yán)重洪澇損害。5月底，歐洲洪水感知系統(tǒng)提前4～5天提醒了有關(guān)國家當(dāng)局和歐盟委員會的應(yīng)急響應(yīng)中心，報(bào)告中歐可能出現(xiàn)極端降雨過程，引發(fā)大洪水。EFAS發(fā)布的2013年6月3日洪水預(yù)報(bào)預(yù)警概觀參見圖2。

隨后，EFAS于6月1日作出預(yù)報(bào)，6月2—3日中歐地區(qū)可能出現(xiàn)極端降水事件（用極端降水指數(shù)EPIC的重現(xiàn)期表示），德國東南和奧地利西部可能發(fā)生突發(fā)性洪水災(zāi)害（紅色三角形）。參見圖3。

圖4顯示了EFAS多模型5月30日12時(shí)預(yù)測的德國東南部帕紹市的多瑙河洪水流量過程。不同的顏色顯示不同的防洪警戒區(qū)。盒線圖代表ECMWF集合概率預(yù)報(bào)結(jié)果，紅色線表示ECMWF高分辨率確定性模型預(yù)報(bào)結(jié)果，黑色線代表的是德國天氣預(yù)報(bào)中心（DWD）小尺度氣候模式的預(yù)報(bào)結(jié)果。預(yù)測明確指出，4～5天后德國帕紹市將遭遇洪水襲擊。

一旦接收到最新的洪水實(shí)時(shí)信息，EFAS會自動更新預(yù)測，以便獲得一個(gè)無縫概率預(yù)報(bào)。圖5顯示了這種無縫概率預(yù)報(bào)在多瑙河上靠近德國帕紹市的一個(gè)預(yù)報(bào)站上的應(yīng)用。圖上右邊顯示預(yù)報(bào)流量超過重要防洪閾值（最極端的閾值）的概率，從圖5可以清晰地看到，4～5天后將有一個(gè)超過最大值（最極端的閾值）的洪峰出現(xiàn)。

只有當(dāng)集合預(yù)報(bào)一致地顯示相同的洪水信號特征時(shí)，EFAS才會發(fā)布警告和警報(bào)。圖6說明了ECMWF集合預(yù)報(bào)的持久性和一致性。圖中表格的左列顯示預(yù)報(bào)發(fā)布時(shí)間（y軸），所預(yù)報(bào)的日期顯示在x軸。表格中間的數(shù)字表示集合預(yù)報(bào)中超過報(bào)警閾值的百分比。可以清晰地看出，預(yù)見 5～6天后（6月3—4日）存在一個(gè)持久的洪水信號。

關(guān)于我國大范圍早期洪水預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的幾點(diǎn)思考

我國是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家。水文監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警是防汛工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在過去的幾十年里，我國洪水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警工作發(fā)展迅速，積累了豐富的寶貴經(jīng)驗(yàn)。特別是1998年大水以后，洪水預(yù)報(bào)在模型方法、系統(tǒng)建設(shè)、作業(yè)管理、新技術(shù)應(yīng)用等方面有了新的進(jìn)展，已建成具有中國特色的專家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)日?；€(wěn)步推進(jìn)。目前，中央、流域、省級水文機(jī)構(gòu)制作和發(fā)布近1 700個(gè)水文站的短期洪水預(yù)報(bào)，這些預(yù)報(bào)站點(diǎn)主要是大江大河干流控制站、一級支流的重要控制站和重要二級支流的控制站，洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期為12小時(shí)至3天。但是，相對于國外發(fā)展前沿，我國的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警工作在新技術(shù)應(yīng)用與信息服務(wù)方面仍存在不小差距，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的時(shí)效性、預(yù)見期和精度尚不能完全滿足新時(shí)期防汛抗旱工作的新要求，需要向“兩頭”拓展，即向早期洪水預(yù)報(bào)預(yù)警拓展，為防洪應(yīng)急管理提供預(yù)警信息服務(wù)；向中長期水文預(yù)測預(yù)報(bào)拓展，為水資源管理提供技術(shù)支撐。

在借鑒歐洲洪水感知系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)外遙感、地理信息系統(tǒng)和分布式水文模擬等技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用的研究成果，針對我國實(shí)際情況，提出建立我國大范圍早期洪水預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)想。全國大范圍早期洪水預(yù)警系統(tǒng)的任務(wù)是將水文氣象監(jiān)測的多源信息進(jìn)行融合，同時(shí)對不準(zhǔn)確、不完整、不確定和不一致的信息進(jìn)行處理；從多種來源的水文氣象資料中提取有效的信息，運(yùn)用遙感技術(shù)、空間數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)技術(shù)、氣象學(xué)與氣候?qū)W理論和算法，得到全國范圍內(nèi)降水、蒸散發(fā)能力空間分布的描述；將當(dāng)前土壤含水量、水文氣象信息輸入具有一定物理基礎(chǔ)的分布式水文模型中，生成模擬全國各計(jì)算子流域出口斷面的流量（或水位）過程；根據(jù)設(shè)定的預(yù)警流量（或水位）閾值，自動發(fā)布洪水預(yù)警。系統(tǒng)主要包括：信息獲取、數(shù)據(jù)處理、信息同化、水文模擬、洪水預(yù)警、可視化和系統(tǒng)管理等內(nèi)容。

（1）信息獲取子系統(tǒng)

信息獲取子系統(tǒng)是對水文氣象監(jiān)測信息進(jìn)行提取。獲取的信息包括水文地面監(jiān)測信息、天氣雷達(dá)遙感圖像信息、衛(wèi)星云圖信息、數(shù)值降雨預(yù)報(bào)成果及流域氣候、下墊面地形、地貌、植被、土地利用、土壤類型、河流水系等輔助信息。

（2）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是對不同來源的水文氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，生成基于10km網(wǎng)格的全國范圍不同時(shí)段（1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)或6小時(shí)）的水文氣象信息產(chǎn)品，如基于地面雨量觀測的全國逐1小時(shí)降雨量分布圖、基于天氣雷達(dá)遙感估算降雨的全國逐1小時(shí)雨量分布圖等。

（3）多源信息融合子系統(tǒng)

信息融合子系統(tǒng)由地面信息融合、遙感信息融合、地面信息與遙感信息融合組成。地面信息融合處理主要針對地面水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，對人工觀測和遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，反映局部的水文氣象狀況；遙感信息融合是利用衛(wèi)星遙感圖像或天氣雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，反映水文氣象參數(shù)和空間分布情況；地面信息與遙感信息融合是考慮信息源和監(jiān)測原理的不同，利用二者的優(yōu)勢，得到更加準(zhǔn)確的水文氣象狀況。

（4）水文模擬子系統(tǒng)

水文模擬子系統(tǒng)中的分布式水文模型建立在數(shù)字高程模型（DEM）基礎(chǔ)之上，通過DEM可以提取大量的陸地表面形態(tài)信息，這些信息包含流域格網(wǎng)單元的坡度、坡向以及單元間的關(guān)系等，根據(jù)用戶自定的最小集水面積大小和水利工程、水文觀測站點(diǎn)的位置，同時(shí)可以結(jié)合實(shí)際的河流水系確定地表水路徑、河流網(wǎng)絡(luò)和子流域（計(jì)算單元）的邊界。在DEM所劃分的子流域單元上建立具有一定物理概念的水文模型（如VIC、TOPKAPI、新安江等水文模型），模擬子流域產(chǎn)匯流及河網(wǎng)匯流運(yùn)動，生成各子流域出口斷面的流量（或水位）過程。水文模擬計(jì)算包括植被的降水截留、融雪、蒸散發(fā)、降水入滲、非飽和帶的土壤水運(yùn)動、坡面流和河網(wǎng)的匯流計(jì)算等。

（5）洪水預(yù)警子系統(tǒng)

系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)報(bào)順序定時(shí)自動完成預(yù)報(bào)，即：系統(tǒng)定時(shí)自動從實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫和預(yù)報(bào)調(diào)度專用數(shù)據(jù)庫中獲取實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)信息、數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)報(bào)模型參數(shù)狀態(tài)，進(jìn)行水文模擬計(jì)算，完成洪水預(yù)報(bào)；并可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的告警閾值，實(shí)時(shí)檢測洪水預(yù)報(bào)值是否大于告警閾值，當(dāng)預(yù)報(bào)值超過該告警值時(shí)，系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)自動告警。

（6）可視化子系統(tǒng)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入和輸出結(jié)果的可視化通過GIS平臺來表現(xiàn)，具體可實(shí)現(xiàn)如下一些功能：①RS/GIS及水文氣象數(shù)據(jù)管理，如DEM、土地利用圖、水文氣象站點(diǎn)屬性、水文氣象數(shù)據(jù)等；②水文循環(huán)要素信息提取，如流域邊界、河網(wǎng)、坡度坡向、水流方向、子流域劃分、土地利用類型、土壤類型等；③模擬計(jì)算結(jié)果的可視化表達(dá)，如模擬結(jié)果中土壤含水量的空間分布。

（7）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是對用戶、測站、監(jiān)測信息、預(yù)報(bào)模型等的管理。