暴雨引发的洪涝灾害一直是威胁人类生存和发展的最严重的自然灾害之一，据统计我国每年因洪灾造成的直接经济损失达数百亿元^[1-3]。20世纪50年代以来长江流域 (包括江淮地区) 的历次洪水都给国家造成巨大损失。据不完全统计，我国约有水库8.6万座，许多流域、水库、湖泊等迫切需要高水平的水文气象模式用来开展水文预报与防汛决策服务，提高防御洪水能力。当前综合气象观测能力的明显增强，数值预报预测能力的逐步完善，定量降水估算和预报水平逐年提高，水文模型构建技术的不断创新，地理信息技术的逐渐成熟，网络通讯与计算机技术的飞速发展等，给我国洪水预警预报技术发展奠定了坚实的基础和发展机遇。汉江丹江口流域水文气象预报系统就是为了适应这样的发展以及需求而研制的。

汉江丹江口流域水文气象预报系统在GIS技术的支持下，以水文气象监测网、定量降水估算 (QPE)、定量降水预报 (QPF)、洪水预报技术为基础，充分利用现有的降水信息，在同一平台上实现水文气象的预报，为提高流域暴雨洪涝灾害的预报能力和延长洪涝灾害的预见期提供了有力支持。

本系统的研究思路是基于气象监测、预报、洪水预报以及GIS技术，构建流域水文气象预报系统平台，目标是在系统建成后可以在网络平台上浏览、查询流域水文气象监测、预报信息。系统总体逻辑结构采用B/C/S 3层结构，即通过C/S系统完成流域降水监测、雷达定量降水估算、中尺度数值模式降水预报、洪水预报、水文水情等信息的处理，通过B/S系统完成水文气象监测预报产品的显示发布。系统的开发遵循实用、先进、扩展、开放、标准、规范的原则^[4-6]。

本系统服务器端运行在Microsoft Window XP操作系统上，系统的网页平台制作工具选用Asp.Net 4.0，编程采用C#语言，网页数据库系统平台采用Microsoft SQL Server，通过ODBC与后台数据库连接，Web服务器采用Microsoft IIS 5.0，客户端使用IE浏览器来访问系统。

系统在C/S层面首先通过处理雨量站监测、雷达探测、模式预报等数据信息，获取流域实况以及预报降水信息，并制作相应的图形产品文件，然后将其转化为水文模型所需的文件格式输入水文模型进行流域水文预报，最后将这些预报信息、图形产品文件在B/S层面上通过Web网页进行显示发布，系统结构及数据流程见图 1。

图 1

图 1. 系统结构及数据流程 Fig 1. The system structure and data flow

用户管理是否合理在一定程度上决定了系统能否安全运行，也决定了系统中数据的安全性和保密性。系统通过用户数据管理实施对用户信息的管理以及用户权限赋予。对于用户权限管理，首先通过对用户登录所使用的用户名和密码调用数据库服务器对其进行验证，判断用户的类型 (超级管理员和普通管理员)，然后授予不同的操作权限，系统的超级管理员可对普通管理员用户进行权限的维护。

系统以流域为研究对象，针对不同流域系统通过流域数据管理对流域增减、属性等进行操作管理，通过管理员登录来实现流域的增减，并完成流域名称、代码、描述等属性信息的输入，然后存入数据库服务器中相应的流域管理属性列表中，以供调用。

本系统通过集成雨量站监测、雷达探测、中尺度模式预报以及洪水预报等技术，研发流域水文气象预报系统平台，其平台建设目标是用户可通过Internet浏览、查询该集成系统中流域水文气象监测、预报信息。针对这一目标，系统平台设计包括如下功能。

· 流域概况：该功能模块主要是通过文字描述、图形显示等方式为浏览用户提供流域地理、地形地貌、水文气象等基本信息。

· 流域实况降水：该功能模块主要利用国家自动气象站、区域加密站、水文站等监测资料实现流域逐小时、12 h和24 h降水实况显示。

· 流域雷达估算降水：该功能模块主要利用短临预报系统SWAN中的雷达估算降水产品结合流域地理边界实现流域雷达估算降水显示。

· 流域预报降水：该功能模块主要利用数值模式 (AREM模式、T639模式、WRF模式等) 降水预报结果结合流域地理边界实现流域1 h，3 h，6 h, 12 h, 24 h时段预报降水显示。

· 流域水文预报：该功能模块主要利用自动雨量站、雷达估算降水、中尺度暴雨预报等技术获取高时空分辨率的降水监测预报信息输入水文模型来进行水文预报，并将流域水文预报信息列表成数据文件, 保存在数据库中，最终以Web形式形成图形产品来显示。

· 流域水文监测：该功能模块主要包括流量和水位信息显示，并实现日数查询的控制。

流域是一个天然的集水区域，是一个从源头到河口自成体系的水文单元, 是一个以水流为基础、以河流为主线、以分水岭为边界的特殊区域。流域不同，其分水岭、面积、水系发育、形状、方向等基本属性也不同。以流域为研究对象的水文气象预报系统的首要任务就是对流域边界 (即分水岭)、水系等基本信息进行提取及处理。基于DEM数据，首先利用GIS技术对试验流域边界进行界定，在此基础上获取流域水系信息，并结合实际水系进行校正，然后对流域内的地名、水域等进行界定，最后完成流域基本信息的数字化工作 (图 2)。

图 2

图 2. 汉江丹江口流域概要图 Fig 2. The sketch map of the Danjiangkou Basins in Hanjiang

降水是流域最主要的要素之一，对某一特定的流域而言，流域是以分水岭为边界的闭合区域。为此，如何获取流域这一闭合区域内的雨量站监测、雷达估算、数值模式预报等一系列降水信息，并将其转化为水文模型的输入对以水文气象预报为核心内容的系统研发显得尤为重要。在实际研发过程中，按如下步骤提取降水信息产品及设计降水信息产品与水文模型接口：① 熟悉了解定量降水估算、定量降水预报、实况监测等降水信息要素产品的时次、存储方式、数据结构等；② 系统采用引射线裁剪算法^[7]，结合流域边界利用VC或VB语言设计开发程序将在流域边界外的降水信息去除，保留流域内降水信息，自动获取试验流域范围内的定量降水估算、定量降水预报、实况监测等一系列降水信息；③ 系统采用Kriging插值算法^[8-9]，利用VC或VB语言设计结合Surfer8.0图形系统作为开发工具，自动生成流域1 h，12 h，24 h实况监测；1 h雷达估算降水产品；1 h，3 h，6 h，12 h, 24 h时段预报等降水场的图形产品，并存放服务器端指定流域目录以便Web服务器调用；④ 系统根据所选择水文模型的降水信息输入方式，首先将降水实况和定量降水估算等降水信息进行转化，然后将定量降水预报的预报降水信息在人工订正的基础上进行转化，最后将雨量站监测、雷达估算的实况降水以及订正后的数值预报降水相结合，形成从过去到未来一段时间的连续降水场序列，为流域水文预报模型提供降水输入。

流域所处地理位置不同，其气候特征也存在明显差异，流域水文预报模型构建首先需要根据流域区域地理气候特征，选择并确定合适的水文模型 (例如三水源新安江模型适用于湿润半湿润地区)，其次需结合流域已知的大气降水量和蒸发量以及河流、水库的历史水文气象资料等对流域水文模型参数进行率定，获取合适的流域水文参数^[10-12]，最后建立可业务运行的流域水文模型。

根据试验流域的气候特点，选择在国内外水文预报工作中得到较好应用的新安江模型作为流域水文预报模型^[12-17]。该模型应用了蓄满产流与马斯京根汇流概念, 有分单元、分水源、分汇流阶段的特点, 结构简单, 参数较少, 各参数具有明确的物理意义, 计算精度较高。模型通过将全流域分成多个单元流域, 在每一个单元流域内, 降水经过蒸散发的消耗后, 以蓄满产流的方式经产流量水源划分后对各单元流域进行产汇流计算, 得出单元流域的出口流量过程；再进行出口以下的河道洪水演算, 将各个单元流域的出流过程相加, 就求得了流域的总出流过程。

在预报中，系统在服务器端启动水文模型调用利用由自动雨量站、雷达估算降水、中尺度模式预报等降水信息获取的高时空分辨率的降水场，输入新安江水文模型来进行水文预报，形成文件，并存放服务器端指定流域目录下以供数据库调用。

水文监测 (水位、流量等) 是流域防灾减灾必不可少的重要环节。系统中水文监测数据来源于水利部水情网，系统基于VS平台开发程序自动获取水文数据存放在指定的流域目录以供数据库调用。

该显示平台主要采用Asp.Net (C#)4.0开发，Asp.Net作为一种先进的Web应用程序开发技术，响应时间短，具有更强的安全机制^[18]。

· 流域概况显示:利用Asp.Net数据库控件，根据所选取的流域名称，在数据库服务器中流域属性列表中查找该流域的属性信息，对其进行显示，简要介绍该流域的地理、暴雨、洪水等概况。

· 流域实况、雷达估算、预报降水图形产品显示:首先通过在显示平台上建立流域实况、雷达估算、预报降水显示控件，在后台 (即C/S层面) 将调用或处理的内容写入控件；然后在前台 (即B/S层面) 构造js函数，通过在前台或后台调用js函数，激发click事件，访问后台 (即C/S层面) 服务器中的图形产品文件，从而将其在前台显示。

· 水文预报及监测产品显示:Asp.Net擅长服务器端的Web编程，操作后台数据库能力强，但用Asp本身并不支持图表功能，只能借助第三方控件进行开发 (如VB语言的MSChart控件、微软的.Net Framework，Flash) 来解决这个问题。系统开发过程中首先通过Asp.Net调用数据库中的水文预报及监测数据，然后利用Flash控件对其显示。

2010年汛期以来，该系统在汉江丹江口、清江水布垭、淮河王家坝、漳河水库等流域开展水文气象预报试验，并取得了初步的应用效果。下面就汉江丹江口水库流域预报试验情况进行简要介绍和分析。

2010年7月中旬以来，汉江流域发生了大范围强降水，此次降水具有过程雨量大、持续时间长、局地降水强度强的特点。以安康、郧县和南阳为例，7月16日—7月20降水量分别为467.4 mm, 269.4 mm, 349.2 mm，导致汉江上游来水过多，洪水来势迅猛，防汛形势十分严重。

2010年7月15日开始，利用该系统进行预报试验，每日两次对未来72 h流域水情做出预报，分别给出了汉江丹江口控制流域逐小时雷达估算降水、逐小时实况监测降水、实况降水24 h累积降水量及60 h模式预报降水 (图 3)。

图 3

图 3. 2010年7月洪水过程丹江口水库流域实况和预报降水 (a)18日03：00实况小时降水量，(b)18日03：00雷达估算小时降水量，(c)17日00:00—18日00:00 24 h实况降水, (d)18日03:00—20日15:00 60 h AREM模式预报降水 Fig 3. he observed and forecasted precipitation of the Danjiangkou Basins in flood process in July 2010 (a)1-h observed precipitation at 0300 BT 18 July 2010, (b)1-h radar quantitative precipitation estimation at 0300 BT 18 July 2010, (c)24-h observed accumulated precipitation from 0000 BT 17 July to 0000 BT 18 July in 2010, (d)60-h AREM precipitation forecast from 0300 BT 18 July to 1500 BT 20 July in 2010

根据降水监测与模式预报降水信息，模块后台启动水文模型对丹江口水库流域实施水文预报，7月18日03：00(北京时，下同) 水文预报结果 (图 4a) 显示，洪峰 (21442 m³·s^-1) 将于7月19日19：00到达丹江口水库，根据所获取的水文实况监测信息 (图 4b)，限于所收集的资料仅能对19日08：00实况和预报进行对比 (实况为19400 m³·s^-1；预报为20130 m³·s^-1)，结果显示系统预报较为准确。

图 4

图 4. 2010年7月洪水过程丹江口水库流域水文预报、监测信息 (a)18日03:00—21日03:00丹江口水库入库预报流量, (b)16—30日08:00丹江口水库水位, (c)16—30日丹江口水库入库实况流量 Fig 4. The hydrological forecast and observation of the Danjiangkou Basins in flood process in July 2010 (a)72-h flood forecast at 0300 BT 18 July 2010, (b) water-level observation from 16 July to 30 July in 2010, (c) flow observation from 16 July to 30 July in 2010

2011年9月17—18日，汉江上游出现连续性的强降水过程，其中汉中7月18日24 h降水超过250 mm，流域汛期严重。7月17日15：00开始，运用该系统进行预报试验，分别给出了汉江丹江口控制流域逐小时雷达估算降水、逐小时实况监测降水、24 h实况降水以及60 h模式预报降水 (图 5)，并每日两次对未来72 h流域水情做出预报。9月18日03：00水文预报结果 (图 6a) 显示, 洪峰 (29640 m³·s^-1) 将于9月18日23：00到达丹江口水库，9月19日08：00入库流量将达到23253 m³·s^-1。丹江口水库入库流量实况显示9月19日08：00流量为25200 m³·s^-1，系统预报的洪峰流量与实况基本一致 (图 6b)。

图 5

图 5. 2011年9月洪水过程丹江口水库流域实况和预报降水 (a)18日03：00实况小时降水量，(b)18日03：00雷达估算小时降水量，(c)17日00：00—18日00：00实况降水，(d)18日03：00—20日15：00 60 h AREM模式预报降水 Fig 5. The observed and forecasted precipitation of the Danjiangkou Basins in flood process in Sep 2011 (a)1-h observed precipitation at 0300 BT 18 Sep 2011, (b)1-h radar quantitative precipitation estimation at 0300 BT 18 Sep 2011, (c)24-h observed accumulated precipitation from 0000 BT 17 Sep to 0000 BT 18 Sep in 2011, (d)60-h AREM precipitation forecast from 0300 BT 18 Sep to 1500 BT Sep in 2011

图 6

图 6. 2011年9月洪水过程丹江口水库水文预报、监测信息 (a)18日03:00—21日03:00丹江口水库入库流量预报, (b)16—30日08:00丹江口水库水位, (c)16—30日丹江口水库入库实况流量 Fig 6. The hydrological forecast and observation of the Danjiangkou Basins in flood process in Sep 2011 (a)72-h flood forecast at 0300 BT 18 Sep 2010, (b) water-level observation from 16 Sep to 30 Sep in 2011, (c) flow observation from 16 Sep to 30 Sep in 2011

汉江丹江口流域水文气象预报系统开发过程中，立足于在流域洪涝预报中充分利用现代气象业务中新技术、新方法来获取实况监测、雷达估算、模式预报等多源降水信息，与水文模型结合起来开展流域水文气象预报，并通过制作流域实况、雷达估算降水、模式预报降水场以及水文实况、预报曲线等直观的图形产品，为流域防洪决策提供支持。其主要特点如下：

1) 系统在GIS技术的支持下，以水文气象监测网、定量降水估算、定量降水预报、洪水预报技术为基础，在同一平台上实现了流域水文气象信息的监测显示及预报。

2) 系统总体采用B/C/S 3层结构，在C/S层面完成流域降水监测、雷达定量降水估算、数值模式降水预报、洪水预报、水文水情等信息的处理，并基于Web在B/S层面完成水文气象监测预报产品的显示发布。

2010年汛期以来，该系统在汉江丹江口、清江水布垭、淮河王家坝等流域开展水文气象预报试验，取得了较好的应用效果，但同时也发现了系统存在的问题：流域水利工程拦洪、泄洪等人工干预如何在系统中体现, 大尺度的降水预报信息如何转化为水文模型所需的降水信息。

不同地区、不同时期暴雨洪涝灾害形成的条件以及人类活动存在明显差异，因此该流域水文气象预报系统，还需进一步试验并不断更新和完善。