Page 53 - 2022年第53卷第12期

水 利 学 报

２０２２年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１２ － １４４５ － １１

基于数据同化的深水湖库水温中短期预报

３
３
１
１
２
孙博闻 ，杨晰縮 ，暴 柱 ，刘晓波 ，刘 畅 ，高学平 １
（１．天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 ３００３５０；
２．水利部海河水利委员会引滦工程管理局 海河流域滦河水质监测中心，河北 唐山 ０６４３０９；
３．中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京 １０００３８）
摘要：深水湖库的水温分布与演化影响着水体运动、生化反应和水生生物的新陈代谢过程，在中短期时间尺度上
预报水温变化对湖库水质管理与生态环境安全十分必要。本文基于集合卡尔曼滤波算法与 ＣＥ － ＱＵＡＬ － Ｗ２模型，
构建可综合考虑模型参数、边界条件以及观测数据不确定性的湖库水温数据同化系统，利用水库调度数据与气象
数据作为预报条件，将该系统应用于大黑汀水库进行 １～１０ｄ的中短期水温预报。结果表明：当集合数为 １００、模
拟误差和观测误差分别为 １０％和 １％时，同化系统能够兼顾较高的计算效率与模拟精度。同时校正模型参数和状
态变量，能够使数据同化系统在不同水深处的水温模拟精度较无数据同化模拟结果提升 ４１．２％～６８．８％。随着预
报期由 １ｄ延长至 １０ｄ，各水深的预报误差由 ０．２２～０．３５℃增大至 ０．７７～１．０９℃。无论水库处于分层期或混合期，
数据同化系统均能够在预报期内的气象条件及水库调度等内外部因素驱动下维持较高的准确性，高精度的水温中
短期预报方法可以为湖库供水与生态安全提供理论与技术支撑。
关键词：湖库水温；中短期预报；数据同化；ＣＥ － ＱＵＡＬ － Ｗ２；集合卡尔曼滤波
．
１
２
分
类
号
１
３
Ｖ
：
Ｔ
图
中
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０１１０
１ 研究背景
深水湖库通常存在季节性温度分层现象，水温不仅影响水体的运动规律，也影响着水体中生化反
应以及水生生物的新陈代谢过程，包括溶解氧饱和度 ［１］ 、微生物和藻类生长 ［２］ 、沉积物向水体释放化
学成分 ［３ － ５］ 以及鱼类对栖息地适宜性 ［２，６］ ；由温度分层引起溶解氧等环境指标的分层还会诱发水环境水
生态问题 ［７ － ８］ ，进而威胁供水安全及下游生态系统健康。在气候变化与水库调控的共同影响下，上述
变化更加趋于复杂 ［９ － １０］ ，因此研究水温变化对湖库水质管理与生态安全十分必要。
当前对水库水温的研究大多关注其长期演变规律 ［１１ － １３］ ，中短期预报方面的研究相对较少。事实
上，在未来 １０天这一时间尺度上预报湖库水温变化对管理者具有重要意义 ［１４］ ，如 Ｗｅｂｅｒ等 ［１５］ 利用水
温－ 深度变化数据动态确定 ＧｒｏｓｓｅＤｈｕｅｎｎ水库取水深度，在优化下泄水温同时还抑制了水库缺氧的发
展；Ｂａｒａｃｃｈｉｎｉ等 ［１６］ 在日内瓦湖的观测发现，强风驱动产生的剧烈涌升流使部分湖区的上层水温在 ２
天内骤降 １０℃，直接影响下游的供水与河流生态。此外水温垂向分布还决定了湖库热分层强度，进
而决定湖库的分层或混合状态 ［１７］ 。秋季湖库由分层状态过渡到混合状态时，库底积累的营养物质和重
金属在整个水体混合，此时冷雨等气象条件诱发的翻库过程则会使垂向混合在短时间内发生 ［１８］ ，这类
由剖面水温骤变引发的水动力过程也会对湖库生态安全产生较大冲击。通过上述分析可见，中短期湖
库水温预报能够在调控湖库下泄水温这类常规管理中发挥作用，还能在应对极端天气（如风暴）等诱发

收稿日期：２０２２ － ０２ － １９；网络首发日期：２０２２ － １２ － ０２
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１２０１．２００５．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１６０９１６６）；国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０４０１７０１）
作者简介：孙博闻（ １９８７ － ），博士，副教授，主要从事环境与生态水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｂｗｓｕｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
通讯作者：刘晓波（１９７８ － ），博士，教授级高级工程师，主要从事湖库水环境模拟与管理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｂｌｉｕ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ。
４
— １ ４ ５ —