水文气象在防汛抗旱水文气象在防汛抗旱中的应用中的应用

水利部水文局 周国良( 无锡， 2011 年 4月 18 日 )

提 纲• 引言• 一、气象学科简介• 二、气象观测系统• 三、气候形成与中国气候特点• 四、降水与天气系统• 五、新疆洪旱与气象• 六、水文气象业务系统简介

引言 ——水文气象在防汛工作中的作用

• 国家防总会商常规内容：• 雨情、水情、工情、旱情、人情——信息• 调度、指示（批示）、宣传

水文气象水文气象：最先汇报，必不可少：最先汇报，必不可少

（续）• 水文气象汇报：• 过去降雨、未来降雨预测及依据、台风活动、历史规律分析、建议未来

防汛抗旱的主要关注点

• 业务发展过程：• 1975 年 8 月淮河暴雨洪水后，原水利电力部反思总结，一是全面开展了

暴雨洪水的调查研究，二是加强了水情、气象的业务化监视工作• 开始组建了水文水利调度中心，设立气象业务部门， 1994 年并入水利

部水利信息中心。 1998 年大水后重新设立水利部水文局• 目前，除部水文局外，流域机构设有水文气象建制或配备人员（含丹江

口等大型水利水电工程）

一、气象学科简介一、气象学科简介

• 气象——大气中的物理与化学现象• 大气科学——关于大气及其运动规律的科学• 地球系统——大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈• 与水文、地质、地理等同属地学（地球科学）

太阳——地球——大气太阳——地球——大气

•大气运动的基本能源来自太阳大气运动的基本能源来自太阳—主要经地面长波转换后

大气垂直分层

对流层对流层

对流层：对流层：

平均高度平均高度 11km11km

（热带（热带 12-18km)12-18km)

温度随高度递减温度随高度递减

垂直运动强烈垂直运动强烈

主要天气现象均在此发生主要天气现象均在此发生

大气运动特点

• 流体——流动性和不可压缩性

• 准地转——风向与等压（高）线平行（高层明显）

• 准水平运动——水平比垂直速度高两个数量级

水汽与降水• 水汽压与饱和水汽压：• 饱和水汽压随温度升高而升高——汛期温度高，降雨强度

大

• 凝结与云• 云分类与降水现象——对流云、层云

• 主要降水系统：气旋（台风）、锋面、槽、切变

（线）、急流、低压

（续）• 降水——水汽凝结成云滴，云滴碰撞增大而脱离云层，

降落至地面，包括降雨、降雪、冰雹等

• 降雨形成的重要条件——水汽、上升运动

动力抬升动力抬升 热力抬升热力抬升 地形抬升地形抬升

水的状态变化水的状态变化 湿空气上升—降温—过饱和湿空气上升—降温—过饱和—— 凝结—碰并—降水凝结—碰并—降水

气象预报

• 发展阶段：• 看云——早期资料奇缺——只看局地云况

• 天气图——传统工具

• 数值天气预报（现代）

• ——数值模式结果加人工智能修正

二、气象观测系统

1. 地面常规观测——人工气象站： 4 或 8 次 / 天常规观测，全国 2400 多站——要素包括降水量、蒸发量、湿度、气温、风速、风向、气压、地温、能见度、天气现象等

——自动气象站：目前，全国约 30000 站 特点：空间密度大，时间间隔小

（续 1 ）

• 2. 高空探测• ——全国 120 站，每天 2 次；覆盖全球• ——探测高空气温、风向、风速、湿度• ——从地面一直探测到平流层，至少 10 多公里

( 续 2)

• 3. 气象卫星• ——极轨、静止、其它

卫星：静止与极轨云图：红外与可见光

常见：静止卫星红外云图

卫星云图

对流云

云顶越高温度越低

副高

（续 3 ）• 4. 雷达——探测半径 230km （ 150km ）• —— 规划全国将建设超过 200 部多普勒雷达

• 5. 海洋浮标——类似地面观测

三、气候形成与中国气候的特点三、气候形成与中国气候的特点

• （一）气候的形成1. 辐射——温度、降水随纬度递减（一级近似）

2. 地球自转——三圈环流（经向垂直环流） （二级近似） 举例：副高的形成及地球沙漠带

暖 冷

对流层顶

下垫面

•3. 海陆分布——纬向差异（三级近似）•—— 欧洲西岸比俄罗斯东岸同纬度冬季温度高 20 度

温度对辐射的滞后——

气温、海温

（续）• 4. 大地形影响——（四级近似）• 如亚洲的青藏高原、美洲的落矶山脉

• 5.Walker 环流与厄尔尼诺现象（五级近似）

• 纬向垂直环流 赤道东太平洋海温显著升高

（二）中国气候主要特点

• 季风气候——降水量季节分布差异悬殊（汛期、非汛期）——我国大部地区是，但新疆例外

• 大陆性气候——气温年较差在同纬度最大（除沙漠）

• 类型多样——赤道、热带、温带、寒带；高原、

沙漠、丘陵

要素特点

• 气温自南向北递减——冬季南北差异最大

• 年降水量大体上自南向北、自东向西递减

• 降雨量年际差异大，旱涝频繁；暴雨强度大

• 湿度与降水量基本一致，自东南向西北递减

我国降水时空分布特征我国降水时空分布特征年降水量 全国平均年降水量 全国平均 648mm648mm

400400 毫米毫米 : : 漠河漠河 -- 张家口张家口 -- 兰州兰州 --拉萨拉萨

800800 毫米毫米 : : 淮河淮河 ------ 秦岭秦岭

长江流域长江流域 :1000—1500mm:1000—1500mm

东南和华南大部东南和华南大部 :1500—2000mm:1500—2000mm

华南及滇藏部分华南及滇藏部分 :2000mm:2000mm 以上以上

最多最多 : : 台湾 台湾 4000mm4000mm 、滇藏交、滇藏交界界最少最少 : : 柴达木、塔里木、吐鲁番柴达木、塔里木、吐鲁番盆地 盆地 20mm20mm 以下，如新疆南以下，如新疆南疆疆

乌鲁木齐逐年降水量

和田逐年降水量

新疆北部年降水量比南部高几倍

历史变化趋势也经常表现出不一致性

我国主雨带活动规律我国主雨带活动规律

44 月—月— 66 月上旬： 华南和江南南部月上旬： 华南和江南南部 66 月上中旬： 长江流域月上中旬： 长江流域 77 月上旬： 淮河流域月上旬： 淮河流域 盛夏： 华北和东北盛夏： 华北和东北

北抬较慢 南撤较快北抬较慢 南撤较快

四、降水与天气系统

天气系统• 副高的形成——前述“三圈环流”

• 西北太平洋副高的活动特点——我国主雨带

• 台风活动及与副高的关系（强度、移速）

• 西风带槽、脊

（低）槽（低）槽 （高）脊（高）脊

地面气压系统地面气压系统 锋锋冷暖气团之间狭窄、倾斜过渡地带。冷暖冷暖气团之间狭窄、倾斜过渡地带。冷暖气团之间的交界面叫锋面，锋面与地面的气团之间的交界面叫锋面，锋面与地面的交线叫蜂线。锋面和锋线统称为锋交线叫蜂线。锋面和锋线统称为锋

(1)(1) 锋面有坡度锋面有坡度

(2)(2) 气象要素有突变气象要素有突变

(3)(3) 锋面附近天气变化剧烈锋面附近天气变化剧烈冷锋冷锋

• 1 、干旱——天气层面

• 新疆干旱的成因： （ 1 ）西风带冷空气不活跃，（ 2 ）大陆高压控制；（ 3 ）冬季积雪偏少，融雪径流量小

• 2 、洪水

• 暴雨：盛夏短历时强降雨——预报：参考雨量数值预报

• 融雪：冬半年高原降雪形成积雪，遇盛夏突发高温——预报：参考 500hPa 高空场（探空站）温度、温度数值预报

五、新疆洪旱与气象

高空图中，左上方数值为温度——例图为 500hPa ，约相当 5500m 高空温度

六、水文气象业务系统简介

内网 http://10.1.18.31/

卫星云图——新疆可使用风云或印度的卫星

强台风

气象传真产品• 日本：（ 1）台风、副高、降水、流线预报• （ 2）中长期预报信息：海洋等• 欧洲： 500hPa形势预报• ——副高、经 /纬向环流• 中国：（ T639/T213——另有显示方式）• 格点化降水预报

““ 天眼”业务系统简介天眼”业务系统简介

下部 :12-24h

预报雨量

数值预报

天气雷达图像

热带气旋监视

• 目前业务常用的有：

• 欧洲中心——高空形势预报

• 日本——降雨量预报

• 中国——全部要素

数值天气预报简介数值天气预报简介

10 月 12 日 20时

例：欧洲中心 500hPa 形势预报图

副高

数值产品现状与评价

•欧洲中心的高空形势预报—— 7-8 天；较准确

•日本气象厅的降雨量预报—— 6天；前 4天较准

•中国气象局的降雨量预报——4-5天可用；准确率略次于日本的同类产品

•以上是对汛期而言的。

实例：上图为预报，下图为实况

4 月 1 日预报： 4 月 3-5 日新疆有降水

实况：强度和落区大致相近

气象学基本方程

• 最基本的是三类：

• （ 1 ）连续方程——流体力学

• （ 2 ）运动方程——运动力学

• （ 3 ）热力方程——热力学

• 其它（描述土壤等边界层的）

求解问题• 复杂的偏微分方程组• ——没有解析解• ——解的存在性、唯一性（或解的个数）目前在理论上都没有解决

• 天气学处理：比较量级，简化方程求解• ——数值解的稳定性与算法设计有关

若干理论问题若干理论问题

• 边界条件• 计算时间与空间步长• 集合预报——概率论• 预报产品的有效时效

• 全球模式与区域模式• 四维同化技术• 初始场

降雨量数值天气预报，为延长洪水预见期带来曙光！

混沌现象与预报准确率• 公认大气中存在混沌现象• 预报准确率的提高不以 100% 为渐近线• 数值解永远有出错的可能——不是误差• 目前数值扰动试验：降水场可能是双解• 单站降水预报的评估：空报率与漏报率• 预报时效：超短时、短时、短期、中期、长期、气候

相关公共网址• 日本气象厅： http://tenki.jp/typhoon/ 台风预报• 香港天文台： http://www.hko.gov.hk/wxinfo/currwx/tc_posc.htm

• 中国中央气象台： http://www.nmc.gov.cn/

• 台湾气象局： http://www.cwb.gov.tw/

• 欧洲预报中心： http://www.ecmwf.int/products/forecasts/d/charts/medium/

• 天气在线： http://www.t7online.com/China.htm

• 个人联系邮址： glzhou@mwr.gov.cn 周国良

谢 谢！

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