美国海洋和大气管理局的水文预报服务系统

[美] John Mcenery等 魏国强 译；冯翠娥 校译

　　美国海洋和大气管理局（简称NOAA）、美国商业部和美国气象局（简称NWS），通过13个河流预报中心（简称RFCs）和122个天气预报机构（简称WFOs）提供水文预报服务。这些机构共同为3,400个预报位置提供河流径流量的预报信息。通过改进洪水预报预警系统，提供综合的河流径流预报和洪水预报图，使得水文预报服务系统（简称AHPS）变得更加现代化。随着新的水文学，气象学和气候学的结合，预报服务正不断得到改进（Carter，2002）。AHPS利用NOAA在遥感技术、降雨预报、气候预测、数据自动化、水文学和可操作性预报技术等方面的投资，重新定义并扩大了未来水资源预报的用途。

一、实 施

AHPS于1997年3月，首次对美国爱荷华州得梅因河流域提供了预报服务（美国国家气象局，1997）。这些预报提供了持续3个月的河流水位和排泄量等相对不确定的水文信息。这就是AHPS实施的第一个阶段。此次预报之所以选择得梅因河流域作为目标，是因为1993年的特大洪水（美国国家气象局，1994）使爱荷华州得梅因市发生了严重的洪灾。目前，AHPS已经在美国东北部、东南部、中西部和西部的关键地区展开了部署。

AHPS下一步的目标是在已经建立水文预报系统的地区加快预报服务的实施，并使其扩大到美国南部、西部。NOAA的目标是，到2014年为全美大约4,000个地方提供AHPS预报服务。

二、新的水文服务

先进的水文预报服务优先解决的问题是，继续目前美国气象局的水文服务，为决策制定提供更好的水情预报。至此，AHPS将会改进致洪气象、河流和水资源预报系统。AHPS将提供更为及时准确的河流预报信息，详细说明洪水的发生情况，并用综合的河流径流预报信息预测水资源的前景。

1、新的基础设施

需要升级用于河流预报中心的计算机硬件系统，以满足不断增加的处理和存储的需求。因为综合的河流径流预报、水文模型处理、大量历史和地理资料的档案处理以及数据的校验都要依赖于计算机的性能。

在气象学模型的运行过程中，数据是自动进行处理的；与此不同，NWS的水文预报模型则采用人工和自动两种方法。因此，点对点的显示在观测和模拟河流径流过程中就显得非常重要。NWS正不断开发新的工具以提高原有的技术手段，以实现预报员能够再次检查输入到模型中的所有的降雨或温度数据，在观测期对模型的运行进行修正，或者再次运行模型，然后对所有的数据进行检查。另外，NWS正在开发新的预报信息平台，以显示新的高分辨率的水文模拟数据。

2、新产品

AHPS预报系统联合利用了水文学、气象学和气候学等综合的信息技术。应用于AHPS的先进科学成果包括：新的模型校正方法、分布式模型方法、预报和数据利用技术、新的数据分析程序、洪水预报图、水力传导模型、多传感器的降雨评价技术等。水文预报产品的形式和内容也在不断得到改进，新的预报特征有：

（1）覆盖了所有范围内的水文事件（包括小流域和小城市的短期洪水、大河流域潜在的洪水、干旱或径流量小的地区的河流等）；

（2）把新的校正方法应用到模型中，更有效地把时间尺度上的大气和水文模型与预报信息结合起来，提高预报的准确度；

（3）包括了洪水发生频率和覆盖面积的信息，使用户可以利用辅助的决策工具来提高风险管理；

（4）为了利用能够突出小流域受大降雨影响的工具，确定过度降雨的分布范围，预测洪水发生的时间和程度，需要更多及时的洪水信息；

（5）保持核心产品的形式和信息的一致性；

（6）利用地理信息系统（GISs）将洪水预报绘制成图，预测大坝决堤后可能造成的影响；

（7）丰富基于因特网的预报信息以扩大获取水文信息的途径，方便水资源管理者制定决策；

（8）让合作者和消费者更多参与，使水文服务能不断得到改进和完善。

三、科学策略

1、进步的基础

AHPS运作的基础是美国国家气象局的河流预报系统（简称NWSRFS）（美国国家气象局，1972）。NWSRFS是一个计划与数据库的集成，这些计划与数据库为NWSRFS提供了一个完善的模拟和预报的平台。自20世纪80年代中期NWSRFS开始运作以来，已经增加了许多数值模型和功能。这些基础设施正不断得到升级以减少预报所需要的时间，并使新模型的执行变得更为容易。其中河流综合预报（简称ESP）系统（Day，1985）是NWSRFS中的一个关键部分。

2、科学灌输的领域

（1）水文学中的或然性方法

或然性河流预报为风险决策提供了附加信息。NWS已经利用系统方法来量化河流预报中的不确定性问题。传统的ESP计划主要依赖于历史上的水文气象学时间序列资料。新的AHPS ESP计划则利用了天气和气候预报以及由NOAA国家环境预测中心（简称NCEP）提供的相关信息。增强的ESP利用了预处理程序，其后期处理程序也正处在开发之中。这种后期处理程序将用于减少NWSRFS模型的偏差，保证预测的水文输出结果与已观察到的事件保持一致。后期处理程序以一种固有的方式考虑了由于初始条件、模型参数和模型结构所产生的径流预报中的不确定性。一旦哪一项因素明确有不确定性包含在综合处理中，那么后期处理程序将会据此而进行相应的修正。

（2）水文模型

NWSRFS正不断得到改进，以提高水文预报模型的精确度和有效性。这些改进包括数值模型以及收集和处理降雨、蒸发及温度等观测资料的管理程序等。

其中一项重要的研究是开发分布式水文模型（Koren等，2004）。这种分布式水文模型是针对流域内降雨和径流有较大的可变性而开发的。一些研究显示，这种模型优于目前的集总式模型（Zhang等，2001；Reed等，2004）。分布式模型的应用使得对更多小尺度范围内的预报分析成为可能；同时，也缩小了水文预报的时间。美国气象局水文开发处（以下简称OHD）最近已经进行了分布式模型的比较，分析了分布式水文模型和其它方法在同一种预先确定的条件下的分析结果。

提高对植被、冻土、冰雪和非均质对降雨和入渗带来的影响的研究，能够增强预报的准确性（Koren等，1999）。AHPS支持水文预报模型中的能量分布和水均衡的研究，以提高对雪的积聚和消融以及冻土状况的认识。

（3）河流动力学和水力模型

水力模型在主要河流的应用，需要实现对整个流域进行水体特征的预测，而不是仅仅局限于对河流的局部特征的研究。如果具备了高分辨率的地形信息，就可以预报洪水发生的概率及其空间上的范围（Cajina等，2002）。因此需要获得某一特定地理区域内的水力特征，并利用水面高程信息和其它数据，生成基于GIS的洪水预报图。紧急事件的管理者和其它用户可以通过因特网来获得这些图形信息。另一个开发领域是利用水面高程的概率估计，产生基于GIS的洪水预报图。

（4）水文气象学数据分析技术

水文预报需要准确的实时数据（例如河流水位，降雨和温度等）。这些数据可能需要通过河流沿线的地面传感器或者遥感手段来获取。NWS的现代化观测计划（可以通过www.nws.noaa.gov/om/coop/index.htm在线获取信息）将利用水文和气象联合监测网络提供地面数据。由美国地质调查局和其它合作者提供的径流资料可以满足对河流数据的需求。遥感数据产品为缺少数据的地方提供了最好的模型输入系统，在时间和空间上提高了预报的准确性。

数据分析和质量控制是水文预报中的基本要素。NWS数据分析活动旨在提高降雨、温度和蒸发观测的精确度（Bonnin，1996）。准确的降雨评价是水文预报模型所需要的最重要的输入变量之一。为了实现这个目标，已经开发了几项技术来评价利用遥感获得的降雨数据，例如可以将雨水测量和雷达观测结合起来获得数据。通过融合新的数据信息，提高了降雨评价技术（Kondragunta，2002）。另外，通过国家多普勒气象雷达获取的信息也加强了降雨的定量评价（Seo and Breidenbach，2002）。这样，用户不仅可以得到最好的降雨评价信息，而且可以获得不确定情况下最可能有价值的信息。另外对开发半自动雨水测量的质量控制技术也投入了一定的精力（Kondragunta，2001）。

四、合作与外展活动

1、合作者

尽管NWS负有为美国提供水文预报服务的责任（美国国会，1890），但是预报的最终结果仍然要通过许多数据共享和科学合作才能完成。在河流预报中，NWS的合作者包括美国陆军工程兵团、美国垦务局、自然资源保护署、美国地质调查局以及流域管理委员会、州和地方机构、私人部门和学术界等。

2、培训与外展活动

AHPS需要提供新的具有可操作性的预报信息，例如短期（几小时）或长期（几周）内降雨—径流的预报资料。通过培训可以加强预报员和顾客对这种确定性预报信息的理解。培训还可以帮助顾客理解预报服务中的一些新的概念以及如何访问和利用预报信息。

AHPS的教育活动由地方和国家共同管理。举行客户讨论会，从网络用户那里获得反馈信息，从这些活动中获得顾客对已有的和计划的产品和服务的意见。

五、运行实例

1、河流预报中心

NWS的河流预报系统在每一个河流预报中心运行。俄亥俄州河流预报中心（OHRFC）是提供AHPS预报信息的13个RFCs中的一个。OHRFC在他们负责的范围内制作AHPS的预报产品（Adams，2002）。AHPS的地图产品是在网络（http://weather.gov/river_tab.php）上公用的。OHRFC ESP 的90天预测系统（预报范围从6天到96天）利用可操作的预报系统模型，按照常规的预报计算方法得到。

2、气象预报局

天气预报机构的服务范围比河流预报中心要小的多，职责更有限。气象预报机构负责提供单个水文事件产品，其预报产品包括对覆盖区内所有河流的预报预警和陈述系统。

美国中西部上游的红河和魔鬼湖排泄区，是一个AHPS产品的产生和发布的例子。AHPS预报在明尼苏达州北部河流预报中心实现，然后把它们传给北达科他州东部的天气预报中心，该天气预报中心再把预报信息散发给用户。这些消息包括通过因特网传播的图形产品，比如水位、流程和流量的预报等。

NWS气象预报中心的ESP模型所用的温度和降雨数据，在每个月的中旬都要进行更新，因此WFO在每个月中旬发布AHPS预报信息。这比以前有所提高。AHPS现在能够为所有的河流预报中心每月提供制作的文本信息。

六、未来展望

先进的水文预报服务的实施将会到2014年完成。这项服务将包括瞬时洪水预报中的新科学和新技术的应用，短期或长期河流预报信息以及洪水预报图等。瞬时洪水预报的运作将依赖于考虑了积雪场、径流和小流域地形的高分辨率的水文模型。短期或长期河流预报将把降雨预报和温度预报信息融合到1天至3个月的河流径流预报系统中。利用新的GIS技术来显示河流水位、洪水以及干旱等信息，将有助于基于网络的水文预报系统的运作。

AHPS正通过不断寻求与学术界和其它联邦机构、州和地方机构的合作，稳步向前发展。水文预报系统联合会必将成为未来AHPS ESP计划的核心。

如果AHPS得以彻底的实现，美国国家水资源及其紧急事务的管理者们将会从中受益匪浅，因为它将有助于对减灾、干旱影响、航行、水动力、灌溉、娱乐和供水等相关方面的决策。据美国国家水文预警委员的报道，一旦在美国全国执行这项服务，AHPS每年将提供大约766,000,000美元的经济资助（美国国家水文预警委员会，2002）。 译自：American Meteorological Society, March 2005