水文气象学–01绪论

孔冬冬，kongdongdong@cug.edu.cn

办公室：环境学院416

中国地质大学大气科学系 · 武汉

大纲

1. 水文气象学的定义

2. 研究背景

3. 研究方法

4. 发展现状

1. 水文气象学定义

• 荣艳淑等：水文与气象的交叉学科，将气象学知识应用于水文学研究（如水循环、水量平衡、各类降水问题的综合问题）

• 郭纯青等：研究水文循环、能量平衡与气象条件相互关系和作用的学科。

• 维基百科：研究气象学和水文学的一个分支，研究陆地表面与低层大气之间的水量和能量的转移。https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrometeorology

• 百度百科：研究水文循环和水量平衡中同降水、蒸发有关问题的一门学科。其研究成果主要用于河道、水库的防洪兴利，以及水资源的开发利用和水利水电工程的规划设计。

1.1. 研究对象

极端水文气象事件的过程及其成因（大气圈低层及水圈的物质和能量循环）。

1.2. 研究目标

• 学会利用水文学原理研究极端水文气象事件（如干旱、洪涝、热浪、寒潮）的发生过程、变化规律（when/where/how, 从1维生物到3维生物）；

• 学会利用气象学原理分析极端事件背后的成因与机制（学会看天气图）；

• 解决人类生存发展相关的水文气象问题（短期的水文气象灾害，长期的气候变化与社会经济发展路径）。

为何要对成因、机制进行分析?

认识事物发展的本质，才行有效地概化和改进模型，准确地预测未来发展规律，进行手术刀式的预防、预警、抗灾和减灾。

“如果我们选择了最能为人类谋福利而劳动的职业，那么，重担就不能把我们压倒，因为它是为大家而献身；

那么我们所感到的就不是可怜的、有限的、自私的乐趣，我们的幸福将属于千百万人，我们的事业将默默地，但是永恒发挥作用地存在下去，而面对我们的骨灰，高尚的人们将洒下热泪。”

马克思

2. 研究背景

1. 我国洪旱灾害频发，虽然水利设施不断完善，但是经济损失连年递增（频率高、损失重）。

2. 长江流域的特殊性：第一大河、水资源量足，洪涝频繁。

3. 气候变化情景下，极端水文气象的频次、强度、研究程度骤增，洪旱风险进一步加剧。

2.1. 洪旱灾害规律

2.1.1. 洪涝

1. 频率高

公元前206年至1949年的2155年间，全国发生较大洪涝灾害（主要是流域洪水）1092次，平均每两年发生一次较大水灾（中华人民共和国防洪法）

2. 损失重

中国水旱灾害占各类自然灾害直接经济总损失60%（中国水利部部长陈雷，2003）

http://www.npc.gov.cn/npc/c2171/200011/b316ad59e54d493e84e7e3f3b49f69c2.shtml
http://www.chinanews.com/gn/news/2008/11-11/1444648.shtml

民国期间

建国以来

1950-2021年，全国因洪涝受灾面积68116.880万hm2、死亡人口 284,052人，倒塌房屋 12,296.77 万间，直接经济损失50,813.03亿元（1990-2021 年数据），年均值分别为946.068万、3945.17人/年、170.79万间、
1587.91亿元。

得益于不断完善的水利设施，相较于1991-2000年，近10年（2009-2018）洪灾受灾面积和成灾面积分别下降了48%和42%，但近10年洪灾引起的直接经济损失却增加了72%，达2170亿元/年。（中国水利数据统计年鉴）

1.《中国水旱灾害防御公报》编写组.《中国水旱灾害防御公报2021》概要[J].中国防汛抗旱, 2022, 32(9):38-45.
2.《中国水旱灾害防御公报 2021》

2.1.2. 干旱

我国是世界上干旱发生频率最高、影响最严重的国家之一。

1991-2018年间，我国平均每年农田旱灾受灾面积为2076万公顷、成灾面积1098万公顷、绝收面积230万公顷，粮食损失为249亿公斤/年，2362万人口因旱饮水困难，造成的直接经济损失为852亿元/年。

由于农田水利设施不断完善，相较于1991-2000年，近10年因旱农田受灾面积、成灾面积下降50%左右，受影响人口和粮食损失分别下降45%和25%（中国水旱灾害公报）。

2.2. 长江流域的特殊性

发源于青藏高原唐古拉山脉主峰各拉丹冬雪山的西南侧。干流流经青、藏、川、滇、鄂、湘、赣、皖、苏、沪l0省、市、自治区，注入东海。全长约6300km。流域面积180余万(不包括淮河流域)，约占全国土地总面积的1／5。

长江是我国第一大河，也是我国洪灾最严重的区域

长江流域近150a洪水

1. 1870: 06.13-06.21，长江上游地区、嘉陵江，1153年至20世纪末，900年间规模最大的洪水。

2. 1931: 6-8月，江淮地区，422,499死亡，灾民5311-6000万人。

3. 1954: 6-9月，江淮地区，死亡3.3万人，受灾人口1888万人，京广铁路停运100天。水灾水量、水位均大于1931年江淮水灾。

4. 1998，7-8月，3000余人死亡，受灾人口2亿，宜昌63300。

2020年中国南方洪涝灾害

三峡水库入库流量(m3/s)

• 7月02日10时，1号洪水，50,000；02日14时，53,000 ;

• 7月17日10时，2号洪水，50,000；18日08时，61,000 ;

• 7月26日14时，3号洪水，50,000；27日14时，60,000 ;

• 8月14日05时，4号洪水，寸滩50900；15日8时，62,000 ;

• 8月17日14时，5号洪水，寸滩50400；20日8时，75,000

2.3. 全球气候变化

“随着气候变暖，大气层在饱和前可容纳更多水汽，全球和许多流域降水量可能增加。与此同时，蒸发量也增加，从而使水循环加速，气候变率增加，导致极端强降水和极端干旱发生的可能性增大。极端天气气候事件或将成为新常态。”

3. 水文气象学研究方法

1. 按照维度划分：

• 一维：某一点（或区域平均）时间序列（time）；

• 二维：某一时间段，空间平均或叠加；如1-5号，累积降水量；累积高温天数、平均气温。

• 三维：空间（lat, lon）+ 时间（time）；

• 四维：空间（lon, lat）+ 高度（level）+ 时间（time）。
  大气过程是一个复杂的物理过程。从高空到地表，天气系统的变化过程。

2. 按照数据格式划分：

• 站点数据：气象观测站、水文观测站

• 栅格数据：

  • 观测数据插值：尺度转换，利用站点观测数据插值
  • 卫星（遥感数据）：降水、温度、植被绿度、植被类型、地球重力异常
  • 雷达：降水、水体覆盖（Sentinel-1）
  • 模型：模型的模拟输出
  • 再分析资料：是“融合了”地面站点观测、卫星遥感、数值模式模拟的“综合”数据。是对大气情况的“最优”反映，但不是真实反映

3.1. 热浪/寒潮的研究方法

1. 发生过程 (when, where, what)，如热浪持续天数，严重程度，空间差异。

2. 气象学成因

   大尺度环流因子（ENSO、三圈环流）、天气系统（副高、南亚高压、槽脊、极涡）

   位势高度距平、风场（垂直风速、高低压中心、辐合辐散）、水汽（干热、湿热）

3. 人类活动影响

   人为热排放、城市热岛

4. 未来变化规律

   研究极端事件发生的机理，改进地球系统模式，更好地模拟未来气候变化规律，揭示未来极端事件的风险，制定合理的碳排放路径和经济发展路径

3.2. 干旱/洪涝的研究方法

1. 发生过程 (when, where, what)，如降水过程，水位流量过程（洪峰、洪量、峰现时间、淹没范围），洪水损失（死亡人口、财产、牲畜、耕地）。

2. 气象学成因

   位势高度场、风场（研究天气系统、环流异常）、水汽输送与水汽来源

3. 人类活动影响

   水库修建与水库调节、下垫面变化（植树造林、退耕还林、植被绿化、城市化）、人类生产、生活用水

4. 短期预测

   输入气象条件、前期土壤含水量（遥感与观测）、下垫面（遥感数据），采用水文模型、机器学习模型反演径流过程，预测未来1-7天的洪水风险。

5. 未来变化规律

4. 国内研究现状

4.1. 气象数据网站

• 中国气象数据网：http://data.cma.cn/

• ERA5: https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=form

4.2. 预防预警&天气图网站

• 中央气象台：气象预警、天气图，http://www.nmc.cn/，http://www.nmc.cn/publish/forecast/AHB/wuhan.html

• earth.nullschool：https://earth.nullschool.net/zh-cn

• Easterlywave：天气预测（1维），https://www.easterlywave.com/weather/

• Tropicaltidbits：天气预测（3&4 维），https://www.tropicaltidbits.com/analysis/models/?model=ecmwf&region=ea&pkg=z500a

• Climatereanalyzer：https://climatereanalyzer.org/wx/DailySummary/#gph500

• 欧洲中期天气预报中心：https://charts.ecmwf.int/

• 台风路径：https://typhoon.slt.zj.gov.cn/default.aspx

• 英国气象局：https://www.metoffice.gov.uk/weather/maps-and-charts/rainfall-radar-forecast-map

4.3. 水雨情信息与预防预警网站

• 全国水雨情网：http://xxfb.mwr.cn/sq_zdysq.html

• 长江水文网：http://www.cjh.com.cn/swyb_syqbg.html

• 湖北千里眼水雨情系统：http://113.57.190.228:8001/#!/web/Report/RiverReport

• 湖南公众服务一张图：http://yzt.hnswkcj.com:9090/#/

• 黄河流域黄河网：http://61.163.88.227:8006/hwsq.aspx

洪水预警网站较少，很多内部使用不公开。

4.4. 开设水文气象学的高校

• 中山大学，地理科学与规划学院，https://gp.sysu.edu.cn/

• 南京信息工程大学，水文与水资源工程学院，https://hwr.nuist.edu.cn/xygk/xyjj.htm

• 西安理工大学，水利水电学院，https://whe.xaut.edu.cn/

• 武汉大学，水利水电学院

• 河海大学，水文与水资源学院

• 南方科技大学，环境学院

• 中国矿业大学，环境与测绘学院，http://cesi.cumt.edu.cn/

4.5. 知名学者

4.5.1. 水文学

• 刘昌明（中科院地理所，院士，水文和水资源）、
• 夏军（中科院地理所，院士，武汉大学，水资源安全）、
• 张橹（CSIRO首席，ET专家）
• 徐宗学（北师大，水文模型专家）
• 谢正辉（中科院大气物理所，VIC模型、陆面水文模型）
• 段青云（河海大学，水文模型及率定算法）
• ...

4.6. 气象学

• 丁一汇（国家气候中心，院士，极端水文气象）
• 秦大河（中国气象局局长，院士，气候变化）
• ...

4.6.1. 政界

• 胡锦涛（清华大学水利系，2003-2013国家主席）
• 郭生练（武汉大学水利水电学院，2005-2018湖北省副省长）
• ...

小结：

1. 水文气象学的定义
   研究对象、研究目标

2. 研究背景
   全球气候变化 （重点掌握）

3. 研究方法

4. 国内研究现状