流域水文预报是水文学领域的重要研究内容,是水利工程规划建设、水资源高效利用及水电能源系统安全运行的基础和重要支撑。近年来,受全球气候异常变化和水电能源大规模开发的共同影响,流域水文特性和水资源时空分布规律发生了深刻变化,对流域水文预报研究提出了新的挑战。本文围绕变化环境下流域短期天气-水文过程模拟和预报中面临的关键科学问题,以金沙江流域为主要研究对象,探索流域水文分析、陆气耦合预报和短期径流区间预报等方面的先进理论与方法,取得的主要结论及创新性成果包括:(1)研究工作首先对变化环境下流域气象水文时空演变情势进行了分析,由于传统的单变量趋势分析方法无法检验出整体气象水文事件是否存在显著变化趋势,本文首次引入多变量Mann-Kendal趋势分析方法,检验了金沙江流域主要控制站点的降水和径流联合变量变化趋势。研究结果表明,金沙江流域年降水量和年径流总体呈上升趋势,其中龙街站、乌东德站和白鹤滩站控制区域的年降水通过了单变量MK显著性检验,流域面平均年降水量的上升趋势较为明显。进一步,通过降水和径流的多变量Mann-Kendal趋势分析发现,龙街站控制区域的年降水和年径流存在显著的整体增大趋势,表明该区域气象水文循环强度正逐渐加剧,而在单变量MK显著性检验中,并未发现龙街站的年径流存在显著增大趋势。由分析结果可知,采用多变量Mann-Kendal趋势检验方法能够有效揭示降水和径流的联合变化趋势,有助于完整刻画气象水文事件的变化特征。(2)结合流域气象水文要素演变特征,本文优选了金沙江流域降水物理过程的参数化方案和嵌套模式,进而建立了适合金沙江流域的WRF数值天气模式,并提出了考虑不同初始场和参数化方案的降水集合预报方法,为金沙江流域提供具有一定精度的高时空分辨率短期降水预报。研究表明微物理过程方案选择Lin et al.方案、边界层方案选择MYJ方案和积云对流参数化方案选择New KF方案时WRF模式在金沙江流域的模拟效果最优。对于金沙江流域,双层嵌套模拟相较于单层模拟方案并没有明显优势,且在网格精度划分得当的情况下,网格到站点的三种降尺度方法效果较为一致。同时,通过构建金沙江流域多初值和多物理过程的中尺度降水集合预报系统,研究表明集合预报能够有效反映降水的预报不确定性,降水预报区间和集合成员中值预报结果对于预报调度具有重要指导意义。(3)在采用数值天气模式WRF进行流域短期天气预报的基础上,本文建立了金沙江流域短期天气-水文过程耦合预报系统。为克服传统水文模型单目标参数率定方法的不足,本文设计了径流总量相对误差、确定性目标和洪峰相对误差三目标MOSCDE算法,进行了新安江模型多目标参数优化率定,并引入模糊理论与信息熵原理研究了多目标非劣解模糊优选准则。结果表明,耦合数值天气预报的金沙江流域径流预报系统可以提供较高精度的水文预报信息,且有效延长了短期径流预报的预见期。同时,多目标参数优化率定可以协调不同目标达到整体最优,从而实现对洪水过程的洪峰流量、峰现时间、整体洪量以及洪水起涨消落等多个要素的准确模拟。进一步,为充分考虑降水预报的误差影响,本文进行了金沙江流域径流集合预报研究。结果表明,集合预报能够综合不同集合成员的预报优势,基于集合预报生成的径流预报区间能够较好的反映径流预报误差的变化规律,可以为流域管理提供更加丰富的预报信息。(4)耦合天气预报的短期水文预报可以提供确定性的径流预报,然而流域天气-水文过程的演变也具有不确定性特征。短期洪水区间预报在每个时刻都能给出预测变量的上下边界,可以反映预报结果的不确定性程度,相较于确定性预报更为先进。为此,本文首次引入对称性指标改进传统单目标LUBE区间预报方法,并将LUBE区间预报方法扩展到多目标框架下进行实现。结果表明,引入对称性指标使建立的LUBE区间预报覆盖率高且宽度较窄,预报区间的中值基本与实测流量曲线吻合,预报性能良好。同时,将LUBE方法扩展到多目标框架之后,极大地减少了单目标LUBE区间预报方法中CWSC目标函数参数选择带来的工作量,通过引入多目标非劣解模糊优选准则,有助于研究人员在PICP、PIARW和PIS等指标间做出决策,从而得到符合实际需求的径流区间预报。(5)在以上理论研究的基础上,综合考虑流域径流预报管理的实际工程需求,本文基于C/S结构模式,研究了跨平台数据传输与数据库高效读取技术,探索实现了后台业务自动预报计算功能,构建了满足分布式并行计算、松耦合业务处理和高性能人机交互需求的硬件拓扑结构和系统软件体系架构,开发了金沙江流域陆气耦合短期预报子系统,并在金沙江梯级调控中心水调管控平台集成、部署和应用。