欧洲洪水预警系统

欧洲洪水预警系统（European Flood Awareness System，EFAS）是欧盟委员会发起的一项旨在提升欧洲河流洪水应对能力的倡议。

2002年，易北河和多瑙河发生的灾难性洪水使欧盟委员会面临来自不同来源且质量参差不齐的洪水预警信息，这给规划和组织救援工作带来了困难。为了应对这一事件，欧盟委员会启动了欧洲洪水预警系统（EFAS）的开发工作，Communication: Towards a Stronger European Union Disaster Response" (COM(2010) 600)以提高欧洲的洪水防备能力。根据欧盟委员会2002年关于易北河和多瑙河洪水的公报，欧盟委员会联合研究中心（Joint Research Centre, JRC）被指派负责开发EFAS。该系统的开发得到了、、欧洲议会以及德国、捷克共和国、奥地利、匈牙利和斯洛伐克通过派遣国家专家提供的财政支持。

EFAS的目标是在重大洪水事件发生前，为防洪准备工作争取时间，尤其针对跨国河流流域，无论是在成员国层面还是欧洲层面。EFAS通过向各国水文部门提供补充性、增值信息，并及时向欧洲应急与协调中心（European Response and Coordination Centre）通报正在发生的洪水情况及潜在洪水风险，从而实现其目标。

2005年至2010年期间，EFAS在实时模式下进行了测试，最初仅与各国水文部门合作，随后也与欧洲民事保护部门合作。2011年，EFAS成为哥白尼计划初始运营阶段（COPERNICUS Initial Operations）紧急管理服务的一部分Regulation (EU) n°911/2010, "The European Parliament and the Council on the European Earth monitoring programme (GMES) from 2011 to 2013"，并为欧洲民事保护提供支持Communication: Towards a Stronger European Union Disaster Response"  (COM(2010) 600),。EFAS的运行组件已外包给成员国的相关机构，自2012年秋季起，EFAS正式全面投入运行。

 EFAS的运行情况 
欧洲洪水预警系统（EFAS）是首个在欧洲范围内监测和预测洪水的实用运行系统。它可向合作伙伴——各国水文部门及欧洲应急与协调中心（ERCC）——提供提前最多10天的概率性洪水预警信息。

EFAS的运行组件已外包给不同机构：

 水文数据收集中心：外包给西班牙财团（Rediam 和 Soologic）。 
 气象数据收集中心：外包给KISTERS AG及德国气象局（Deutscher Wetterdienst）。
 计算中心：外包给欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）。
 信息发布中心：外包给瑞典、荷兰和斯洛伐克的水文气象服务联合财团。

EFAS自2012年10月起全面投入运行，提供全年无休的服务。EFAS首次在大规模危机中向ERCC提供主动预报和报告的实例。

 历史背景 
过去几十年，欧洲发生了多次跨国范围的严重河流洪水。有研究表明，跨境洪水往往在规模上更为严重，影响范围更大，造成的死亡人数更多，经济损失也比非共享河流洪水更为严重。欧洲环境署（EEA）估计，1998年至2002年间，欧洲洪水造成约700人死亡，约50万人被迫迁移，保险经济损失至少达250亿欧元（EEA, 2003）。某些流域在短短几年内多次遭受洪水侵袭，例如1993年和1995年的莱茵河与默兹河洪水，或1994年和2000年的波河洪水。

2002年夏季，易北河和多瑙河流域的灾难性洪水成为各国国家主管部门及欧盟委员会的警钟，促使他们探索新的洪水防治策略，特别是针对共享同一流域的国家之间的协调行动。在2002年洪水之后不久，欧盟委员会在《COM(2002)-481号公报》中宣布开发欧洲洪水预警系统（EFAS）（http://www.efas.eu）。此后，欧洲又经历了几次重大洪灾，例如2006年的易北河与多瑙河洪水，以及2010年的中欧洪水，主要影响波兰，同时波及捷克、奥地利、匈牙利和斯洛伐克。

EFAS是欧洲改善灾害管理策略的一部分，旨在通过提前预警减少跨国洪水的影响。该系统首先旨在向各国水文部门提供有用的、补充性的、可共享的洪水信息。此外，EFAS还提供了一个独特且连贯的欧洲范围内洪水现状及预测概览，这对于在严重洪水事件中改善欧洲范围内国际民事保护行动的协调至关重要。

 EFAS发展步骤 

 1999–2003年：研究阶段 
在欧洲洪水预警系统（EFFS）研究进行期间，2002年易北河和多瑙河发生了广泛且毁灭性的洪水。 Gouweleeuw, B., Thielen, J., Franchello, G., De Roo, A., Buizza, R.: Flood forecasting using medium-range probabilistic weather prediction. Hydrological and Earth System Sciences, 9(4), 365–380, 2005.由于EFFS建立了欧洲范围的水文模型，并且德国气象局同意在洪水期间向联合研究中心（JRC）提供实时天气预报数据，EFFS的实验性系统得以用于模拟正在进行的洪水及洪峰沿多瑙河的传播情况。

 2003年：EFAS正式启动 
基于2002年临时实时测试的良好结果，欧盟委员会启动了完全功能化的欧洲洪水预警系统（EFAS）的开发工作。Later EFAS was renamed to European Flood AWARENESS System[后来，EFAS更名为欧洲洪水预警系统]该系统开发得到了欧盟委员会和欧洲议会的财政支持。同时，奥地利、捷克、德国、匈牙利和斯洛伐克派遣专家协助JRC建设系统。德国气象局继续提供历史和实时天气预报，用于EFAS的搭建和测试。

 2004年：引入集合预报和丹麦洪水行动计划 
天气预报超过几天的不确定性较大，尤其是降雨预报。为了正确捕捉极端事件的可能性，引入了集合预报系统（EPS）和多模型方法。Buizza等人  2004年，JRC与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）签署合作协议，将ECMWF集合预报数据及高分辨率确定性预报实时纳入EFAS。技术上，2004年仅能纳入确定性预报，EPS在2005年后才开始使用。

同年，EFAS被纳入多瑙河洪水行动计划（Danube Flood Action Plan），建立了专门的EFAS-Danube系统。

 2005年：建立EFAS合作伙伴网络 
成员国对新兴欧洲洪水预报系统持谨慎态度，担心来自不同来源的冲突信息可能引起混乱。为此，建立了EFAS合作伙伴网络，明确了信息分发和访问规则。EFAS实时信息仅分发给同意接收数据用于测试的合作伙伴，不对公众开放。合作伙伴每年接受产品和系统培训，理解EFAS概念及优缺点，并有机会讨论开发、可视化和分发等改进方案。2005年多瑙河阿尔卑斯洪水期间，EFAS首次向合作伙伴发布信息报告。EFAS还成为水文集合预报实验（）的试验平台。

 2007年：开发专用网络界面 
根据合作伙伴需求，开发了专用EFAS网页界面，使合作伙伴能够访问数据。到2007年，EFAS合作伙伴网络覆盖欧洲大部分跨国河流。合作伙伴通过用户名和密码访问EFAS，浏览不同信息层，这加速了系统发展，因更多建议被提出。

 2009年：方法论和评分发布 
EFAS的方法学和系统搭建文档化，同时首次发布技能评分。Thielen, J., Bartholmes, J., Ramos, M.H., de Roo, A. (2009)The European Flood Alert System – Part 1: Concept and development [欧洲洪水预警系统——第一部分：概念和发展],Hydrology and Earth System Sciences，13 (2): 125–14Bartholmes, J., J. Thielen, M. Ramos & S. Gentilini, 2009: The European flood alert system EFAS – Part 2: statistical skill assessment of probabilistic and deterministic operational forecasts. [2009: 欧洲洪水预警系统 EFAS – 第 2 部分：概率和确定性业务预报的统计技巧评估],Hydrol. Earth System Sci., 13, 141–153.此外，COSMO-LEPS的16个成员被纳入EFAS，用于对ECMWF EPS前5天预报进行动态下尺度处理。

 2009–2012年：IMPRINTS项目与山洪预警 
JRC参与FP7项目IMPRINTS，开发山洪预警指标。项目结果定期向EFAS合作伙伴报告，并最终用于测试。自2012年起，山洪预警层成为EFAS的独立图层。Alfieri, L., Salamon, P., Pappenberger, F., Wetterhall, F., Thielen, J., Operational early warning systems for water-related hazards in Europe[欧洲水相关灾害的运行预警系统], 2012, Environmental Science & Policy, 21: 35-49,Alfieri, L., Thielen, J., Pappenberger, F., 2012, Ensemble hydro-meteorological simulation for flash flood early detection in southern Switzerland[瑞士南部山洪暴发早期预警的水文气象集合模拟], Journal of Hydrology, 424–425, 43–153

 2010年：扩展至欧盟委员会监测与信息中心 
EFAS界面也向欧盟委员会监测与信息中心（MIC）开放，该中心于2013年改组为欧洲应急与协调中心（ERCC）。在2010年中欧洪水期间，MIC首次提前获知多个国家可能发生的重大洪水，并在波兰启动欧洲民事保护机制时能够立即响应。现场团队可通过统一界面在线跟踪邻国洪水情况，包括预报天数、统一色标和英语信息显示。

 2011年：纳入COPERNICUS紧急管理服务 
EFAS成为COPERNICUS紧急管理服务（Emergency Management Service）的一部分，由DG GROW/COPERNICUS和DG ECHO共同资助。Regulation (EU) n°911/2010, "The European Parliament and the Council on the European Earth monitoring programme (GMES) from 2011 to 2013".[（欧盟）第 911/2010 号条例，“欧洲议会和理事会关于 2011 年至 2013 年欧洲地球监测计划 (GMES) 的规定”]

 2012年：运营中心建立 
运营中心开始设置服务，EFAS从预运营系统过渡到正式运营，正式运行时间为2012年10月。

 2013年：首次压力测试 
2013年6月中欧洪水成为运营中心的首次压力测试，服务在整个期间顺利运行。

 EFAS合作伙伴与网络 
EFAS网络由各国水文部门及其关联合作伙伴组成。关联合作伙伴可以是与其国家或地区水文部门相关联的民事保护机构。

例如，多瑙河保护国际委员会（ICPDR）。EFAS已被纳入多瑙河洪水行动计划（Danube Flood Action Plan），并曾开发独立的EFAS-Danube系统。然而，随着EFAS信息系统的发展，专门的EFAS-Danube系统已不再需要，并完全整合到现行的EFAS操作信息系统（EFAS-IS）中。EFAS专家定期向ICPDR汇报工作。

 EFAS的概念与工具 

 集合预报系统（EPS）——延长洪水预警时间的关键 
大多数水文部门仅依赖观测数据，或使用短期确定性降雨预报（通常不超过两天），因为长期天气预报存在高度不确定性。这些不确定性无法预测，会导致结果不可靠，从而对决策无实际参考价值。然而，过去十年来，水文界越来越倾向于使用而非单一确定性预报，用于超过48小时的洪水预警。EPS已经成为近年来气象预报的重要组成部分，其设计目标是提供天气可预测性及模型不确定性的量化，Buizza R, Hollingsworth A, Lalaurette F, Ghelli A. 1999. Probabilistic Predictions of Precipitation Using the ECMWF Ensemble Prediction System[利用欧洲中期天气预报中心集合预报系统进行降水概率预测],Weather and Forecasting,14, 168–189适用于最长两周的预报，这远超确定性模型的可预测范围。欧洲在运营洪水预报中心推广水文集合预报系统的趋势十分明显。Cloke H., Thielen J., Pappenberger F., Nobert S., Balint G., Edlund C., Koistinen A., de Saint-Aubin C., Sprokkereef E., Viel C., Salamon P., and Buizza R. (2009) Progress in the implementation of Hydrological Ensemble Prediction Systems (HEPS) in Europe for operational flood forecasting[在欧洲实施水文集合预报系统 (HEPS) 进行业务洪水预报的进展]; ECMWF Newsletter, Autumn 2009, 121, 20–24Cloke, H.L. and Pappenberger, F., 2009. Ensemble Flood Forecasting: A Review[集合洪水预报：综述]., 375(1–4): 613–626,

EFAS使用多个天气预报和EPS作为输入。其预报基于两个确定性中期预报（来自欧洲中期天气预报中心ECMWF和德国气象局DWD，使用不同模型），以及两套EPS：ECMWF的全球中期集合预报，覆盖最长15天，中分辨率约30公里，共51个成员；COSMO（小尺度建模财团）有限区域EPS，覆盖欧洲大部分地区，预报范围最多5天，空间分辨率7公里，共16个成员。使用短期EPS的目的是增强前几天的预报分布，同时为山区提供更精细的格点信息，从而更准确地识别流域内的洪水位置。研究表明，若使用全球八套中期EPS，结果可靠性可提高，但计算量较大。Thielen J., K. Bogner, F. Pappenberger, M. Kalas, M. del Medico, and de Roo, A., 2009b: Monthly-, medium-, and short-range flood warning: testing the limits of predictability[月度、中期和短期洪水预警：测试可预测性的极限]; Meteorol. Appl., 16, 77–90.

 LISFLOOD——EFAS的水文模型 
EFAS使用的水文模型是LISFLOOD，这是一种结合概念性与物理降雨径流模型的混合模型，并包括河道水流路由模块。LISFLOOD专为大流域设计，特别强调高级地理信息系统（GIS）的应用，作为动态建模框架。De Roo, A.P.J., Wesseling, C.G. and Van Deursen, W.P.A., 2000, Physically based river basin modelling within a GIS: The LISFLOOD model[GIS 中的基于物理的流域建模：LISFLOOD 模型] ,Hydrological Processes, 14, pp. 1981–1992.Thielen Del Pozo J, Salamon P, De Roo A. Geographical Information Systems – An Integral Part of the European Flood Alert System (EFAS)[地理信息系统——欧洲洪水预警系统（EFAS）的组成部分],Geo-Focus (8); 2008. p. 12-16.

 减少误报——阈值超标与持续性判断 
EFAS仅在可能超过关键洪水水位时向国家水文部门提供信息。每个格点都需要设定关键阈值，无法直接从观测数据获得。EFAS通过使用观测气象数据和LISFLOOD模型参数进行长期流量模拟，计算每个格点的回归期（如1、2、5、20年回归期）。所有洪水预报均与这些阈值逐像素比对，并计算阈值超标情况。只有在多次预报中持续超过阈值时，才生成信息，例如通过色标地图或控制点时间序列显示。持续性判据用于减少误报，重点关注由广泛强降水、降雨伴融雪或中等强度长期降雨引发的大型河流洪水。

 验证 
预报验证对理解系统优缺点、建立信任至关重要。EFAS采用两类验证方法：

 基于事件的验证 
每次洪水预警的命中、误报和漏报情况进行评估。如果发出预警但未发生洪水，计为误报；若流域某处确有洪水发生，则计为命中；若发生洪水但未发预警（即使系统模拟了事件），计为漏报。事件通过全年反馈报告和媒体信息进行评估，并在EFAS年度会议中汇报。

 技能评分 
包括Brier技能评分、均方根误差（RMSE）、、连续秩概率评分（CRPS）等，定期在EFAS公报及相关出版物中发布。例如，（EGU）上曾报告技能分析成果。Pappenberger F, Thielen Del Pozo J, Del Medico M. The impact of weather forecast improvements on large scale hydrology: analysing a decade of forecasts of the European Flood Alert System[天气预报改进对大规模水文的影响：分析欧洲洪水预警系统十年的预报]. HYDROLOGICAL PROCESSES 25 (7); 2011. p. 1091–1113针对水文集合预报的专用验证工具箱也已在EFAS中进行测试。Brown, Demargne, Seo and Liu (2010) he Ensemble Verification System (EVS): A software tool for verifying ensemble forecasts of hydrometeorological and hydrologic variables at discrete locations[集合验证系统 (EVS)：用于验证离散位置水文气象和水文变量集合预报的软件工具], Journal Environmental Modelling & Software Volume 25 Issue 7, 2010-07, p.854-872

 与其他项目及倡议的联系 

 水文集合预报实验（HEPEX） 
HEPEX成立于2004年，由美国国家海洋和大气管理局与欧洲中期天气预报中心共同主持。该国际研究计划旨在“展示水文集合预报（HEPS）在应急管理和水资源部门决策中的附加价值，这些决策可能对经济、公共健康和安全产生重要影响”。HEPEX围绕六大主题组织研究：输入与预处理，集合技术与过程建模，数据同化，后处理，验证，在决策中的交流与应用。HEPEX提供在线研讨会，可实时参与讨论并提问，研讨会视频也会上传至YouTube供观看。

 全球洪水预警系统（GloFAS） 
基于EFAS的理念，全球洪水预警系统（GloFAS）由ECMWF、JRC及其他研究机构合作开发。 GloFAS自2018年4月起作为Copernicus紧急管理服务的一部分正式投入运行。

GloFAS也是全球洪水工作组（Global Flood Working Group）的成员。

 研究项目 
EFAS的发展得益于以下研究项目：

 欧洲洪水预报系统（European Flood Forecasting System, FP6项目）
 FloodSite 
 EuroRisk / Preview 
 Safer 
 IMPRINTS 
 KultuRisk 

 相关欧盟政策 

 欧盟第911/2010号条例：关于欧洲地球监测计划（GMES）及其初期运行（2011至2013年）
 欧盟民防机制（Union Civil Protection Mechanism）
 COM(2002)481：欧盟对奥地利、德国及若干申请国洪灾的应对措施
 COM(2013)216：气候变化适应战略

 参考