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我国地处东亚季风区、南亚季风区交汇处,下垫面状况、周边自然环境极其复杂,既有西部的戈壁、沙漠的典型干旱区、黄土高原和草原的半干旱区又有东部的海洋和季风湿润区,还有全球最高的高原——青藏高原,天气、气候系统复杂多变,暴雨、台风等灾害性天气频频发生,由此频繁引发洪涝、滑坡、泥石流等灾害,给人民的生命财产安全带来巨大损失和危害。洪涝灾害是我国及世界范围内最常见且危害最大的一类自然灾害,而滑坡泥石流也是占自然地质灾害中比重最大、影响也较大的自然灾害。从防灾减灾的角度出发,及时的监测和预报这些灾害,可以有效地对这些灾害带来的危害提前进行规避,从而减小其带来的损失。
由于地球表面地理环境的复杂多样性以及洪涝灾害和滑坡泥石流灾害发生机理的复杂性,实时地监测和预报这些灾害是非常困难的,至今是目前国际上的研究热点和难点问题,尤其是对无观测资料地区或者观测资料较少的地区,更是研究的热点和难点。
绝大部分洪涝灾害和滑坡泥石流灾害都是由降水引起的,因此高质量、高分辨率的降水对这些灾害的监测和预报是至关重要的。本研究选择并分析了三种常用且具有代表性的红外和微波卫星遥感降水资料CMORPH、PERSIANN和TRMM在中国地区的适用情况。通过对2008年至2011年近四年与观测降水的比较分析,发现三种较高时空分辨率的卫星降水资料都可以较好地反演中国地区的实际日降水空间分布及其时间演变,与观测资料日降水的多年时间相关系数可以高达0.9以上,但是明显地存在地区差异,在东南部地区的相关系数明显较高,而在青藏高原西部等地相关系数则明显较低。三种卫星降水资料与观测资料的空间相关系数具有明显的季节变化特征,夏季空间相关系数可达0.7以上,而冬季相关系数则低至0.1左右。通过比较分析三种卫星反演、地面常规观测与自动气象站观测以及雷达反演降水对“莫拉克”台风带来的特大暴雨的比较,发现对此次极端降水事件,卫星降水严重低估了实际的特大暴雨降水。虽然CMORPH和TRMM降水资料虽然极大地低估了实际降水,但是对降水中心的位置、降水型的空间分布以及降水的时间变化还是能较好的再现;而PERSIANN降水资料则不仅对总体降水量低估,而且对降水极值中心的位置的估计也有较大偏差。综上,CMORPH降水资料不仅时空分辨率较高,精度也是几者中较高、误差也是较小的,能较好的反演降水的时空变化特征。
WRF模式是在MM5模式的基础上改进发展而来的,是当前最先进的中尺度气象模式,随着不断地开发完善,目前已经比较成熟。在NCEP实时全球预报系统GFS驱动下,建立了中国地区基于WRF的降水预报系统,实时运行了三年时间。以观测降水和之前的三种卫星降水数据验证分析了。WRF模式降水预报效能,发现WRF模式基本能较好的预报降水的时空变化特征,24小时预报降水与观测日降水的时间相关系数达到0.7左右;而3小时降水与三种卫星降水的时间相关系数也可以达到0.4左右,证明WRF基本上能较好预报中国地区的降水。通过个例分析表明,WRF模型能较好地预报降水的空间型与时间演变,但是对极端降水精确的时空特征预报还有欠缺。
在高分辨率卫星遥感DEM等地表下垫面数据基础上,选取时空分辨率和精度都较好的CMORPH资料驱动分布式水文模型CREST,以实时监测和预报中国地区洪涝灾害;并使用WRF预报降水驱动CREST以期得到更长时效的预报。经分析表明,水平空间分辨率1km的CREST模型能够较好地模拟中国地区的基本水文过程,能够较好地模拟如实际蒸散发、土壤湿度、地表径流等基本水文变量;同时通过不同流域水文站点的水文过程线分析表明,CREST模型能够较好的模拟和预报河道径流量涨落过程,能够较好的预报洪峰及其对应的流量。同时,经过几次洪涝灾害事件的分析,表明CMORPH卫星降水和WRF预报降水及CREST、模型组成的洪涝预报系统能较好的监测、预报洪涝发生的时间及其影响的范围。
基于多种高分辨率卫星遥感资料如1km空间分辨率的DEM资料及其计算的坡度资料、1km空间分辨率MODIS地面覆被资料和1km空间分辨率的地表土壤质地资料等,计算评估了中国地区1km空间分辨率的的滑坡易发程度。经过与已有的滑坡、泥石流灾害发生情况观测数据对比,证明得到的滑坡易发程度与实际发生滑坡泥石流灾害的频繁程度是对应的较好的,即实际发生滑坡灾害较多的地区滑坡易发程度值也较高。为了监测和预报滑坡灾害的发生,在结合滑坡易发程度的基础上,使用多种降水-历时阈值的方法来综合评估预报滑坡灾害的发生。使用多个滑坡实例以及CMORPH卫星降水和WRF预报降水验证分析了多个降水-历时阈值计算方法对中国不同地区的适用情况。使用基于卫星遥感资料得到的滑坡易发程度、CMORPH卫星降水和WRF预报降水以及多种降水-历时阈值算法等建成的中国地区滑坡灾害监测、预报系统可以较好的预报滑坡灾害的发生。同时,使用CMORPH降水资料验证分析了基于滑坡物理过程的动力滑坡模型原型SLIDE对滑坡的模拟预报能力,发现CMORPH卫星降水和SLIDE模型能较好的预报大雨、暴雨导致的快速型滑坡,但是对降水强度较小、历时时间较长的慢速型滑坡则暂时没有较好的预报能力。
综合以上高分辨率卫星遥感地表下垫面数据、高分辨率卫星遥感降水、WRF模式预报降水、CREST分布式水文模型、多种降水-历时阈值算法以及SLIDE动力滑坡模型,建立中国地区高分辨率洪涝、滑坡灾害的实时监测和动力数值预报系统,并将洪涝、滑坡灾害预报结果通过地理信息信息系统等方式发布、解读,从而为防灾减灾决策提供更实用的参考信息。