數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)在豐滿水電站的應(yīng)用

金 雨 ，尹永日 ，金德澤，伍 哲 ，孫曉東

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.吉林省水文勘測局延邊分局，吉林 延邊 133000；3.豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132000）

近年來，數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)取得了較大的發(fā)展，并成功應(yīng)用于短中期氣象預(yù)報(bào)中。豐滿水電站原氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)限于技術(shù)條件和應(yīng)用水平，使得利用氣象要素預(yù)報(bào)的方案精度較低，為提高氣象預(yù)報(bào)精度，延長洪水預(yù)見期，更好的為豐滿水電站的防洪調(diào)度服務(wù)，在豐滿水電站大壩全面治理工程中，將數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用到氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)當(dāng)中。

1 總體框架

總體框架是在NCEP業(yè)務(wù)中期數(shù)值模式格點(diǎn)產(chǎn)品和全球氣候模式產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，以各種數(shù)值模式為核心來搭建針對(duì)各種不同時(shí)間尺度的氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，形成從短期（0～72 h）到中期（15 d）的多時(shí)間尺度無縫隙的氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)體系，總體框架見圖1。

圖1 總體框架示意圖

2 短期數(shù)值預(yù)報(bào)

目前，3 d以內(nèi)的短期數(shù)值預(yù)報(bào)的精度已很高，對(duì)于各種天氣過程所帶來的降水、大風(fēng)和降溫等各項(xiàng)氣象要素場都能給出較好的預(yù)報(bào)。短期數(shù)值預(yù)報(bào)已成為目前氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)工作中最主要的預(yù)報(bào)工具和手段。

應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是以美國全球數(shù)值模式GFS預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，根據(jù)國內(nèi)外先進(jìn)的有限區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)，結(jié)合豐滿以上流域地形地貌特征以及氣候背景特征，采用多模式集合方案，建立一套可用于豐滿以上流域3 d以內(nèi)的短期數(shù)值預(yù)報(bào)集合系統(tǒng)，形成格點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)。需要指出的是鑒于MM5，WRF模式應(yīng)用最廣、技術(shù)成熟、先進(jìn)，故首先選用了這兩個(gè)數(shù)值模式進(jìn)行集合。建立短期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要內(nèi)容：

1）進(jìn)行適合豐滿以上流域短期（3 d以內(nèi)）有限區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ健^(qū)域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的衛(wèi)星資料，設(shè)計(jì)和建立適當(dāng)?shù)呢S滿以上流域地形地表特征數(shù)據(jù)。

3）利用美國全球數(shù)值模式GFS預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過Internet網(wǎng)絡(luò)下載和歸檔，設(shè)計(jì)短期數(shù)值模式集合預(yù)報(bào)的初值和邊值。

4）有限區(qū)域數(shù)值模式初值擾動(dòng)構(gòu)造試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

5）有限區(qū)域數(shù)值模式物理過程參數(shù)化方案試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

6）有限區(qū)域數(shù)值模式邊界層方案的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

7）集合預(yù)報(bào)成員及數(shù)目設(shè)計(jì)，多模式超級(jí)集合預(yù)報(bào)方案的試驗(yàn)及設(shè)計(jì)。

8）建立豐滿以上流域短期集合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并進(jìn)行一年的回算試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

9）預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

10）后臺(tái)處理系統(tǒng)和圖形顯示系統(tǒng)開發(fā)方案設(shè)計(jì)。

11）短期集合數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方案設(shè)計(jì)。

3 中期數(shù)值預(yù)報(bào)

21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得中期數(shù)值預(yù)報(bào)模式成為了可能，更重要的是，通過各種觀測手段得到的觀測資料同化技術(shù)的發(fā)展，加上對(duì)模式框架、物理過程參數(shù)化、數(shù)值積分方案等方面的改進(jìn)和提高，使得中期數(shù)值預(yù)報(bào)模式有了很大的發(fā)展。目前，世界最先進(jìn)的全球數(shù)值模式水平格距已發(fā)展到幾十公里，垂直分辨率在30層以上，模式積分預(yù)報(bào)已到16 d，500 hPa高度形勢場預(yù)報(bào)可靠性已在10 d以上，中期數(shù)值預(yù)報(bào)已對(duì)對(duì)流層中上層的大氣形勢場有較好的效果，同時(shí)對(duì)氣象要素場的預(yù)報(bào)也有較好的效果。

應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是以美國全球數(shù)值模式GFS預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，根據(jù)有限區(qū)域數(shù)值模式系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ絽^(qū)域、水平分辨率和垂直分辨率等,利用多年的氣象衛(wèi)星和陸地資源衛(wèi)星資料，結(jié)合豐滿以上流域地形地貌特征以及氣候背景特征，建立一套可用于豐滿以上流域15 d以內(nèi)的中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，形成格點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)，提供豐滿以上流域的中期形勢預(yù)報(bào)和降水趨勢預(yù)報(bào)。建立中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要內(nèi)容：

1）進(jìn)行適合豐滿以上流域15 d的中期數(shù)值模式框架設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ絽^(qū)域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的氣象衛(wèi)星和陸地資源衛(wèi)星資料，設(shè)計(jì)和建立適當(dāng)?shù)呢S滿以上流域地形地表特征數(shù)據(jù)。

3）利用美國全球中期數(shù)值模式產(chǎn)品，通過Internet網(wǎng)絡(luò)下載和歸檔，設(shè)計(jì)中期數(shù)值模式的初值和邊值。

4）中期數(shù)值模式輻射過程物理參數(shù)化方案試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

5）中期數(shù)值模式陸面過程參數(shù)化方案試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

6）利用有限區(qū)域中期數(shù)值模式，建立豐滿以上流域中期15 d數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并進(jìn)行一年的回算試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

7）對(duì)一年的回算進(jìn)行各氣象要素場的預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

8）預(yù)報(bào)要素場后處理系統(tǒng)和圖形顯示系統(tǒng)開發(fā)方案設(shè)計(jì)。

9）中期數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方案設(shè)計(jì)。

10）根據(jù)目前數(shù)值模式的發(fā)展現(xiàn)狀，首先采用靜力平衡下的MM5V3或WRF數(shù)值模式作為有限區(qū)域的中期數(shù)值模式。

4 旬侯降水相似預(yù)報(bào)

對(duì)于中高緯度的豐滿以上流域來說，每天的降水分布千變?nèi)f化，無規(guī)律可言，但相同季節(jié)的侯到旬，在大的環(huán)流形勢背景下，會(huì)出現(xiàn)相似的天氣形勢和過程。目前全球中期數(shù)值模式產(chǎn)品在形勢場的預(yù)報(bào)效果良好,因此，可以利用全球中期數(shù)值模式產(chǎn)品，采用環(huán)流相似、水汽輸送和收支相似的大范圍、大尺度降水分布特點(diǎn)，開展候到旬的預(yù)報(bào)是可行的。

應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是以長時(shí)間序列的美國NCEP再分析資料、歐洲中心ECMWF再分析資料和日本再分析資料為基礎(chǔ)，建立北半球?qū)α鲗痈邔樱?00 hPa）、中層（500 hPa）和低層（700 hPa）位勢高度場和風(fēng)場的侯、旬平均場數(shù)據(jù)庫和中低層的水汽輸送和收支特征數(shù)據(jù)庫。根據(jù)美國中期數(shù)值模式GFS的預(yù)報(bào)產(chǎn)品、ECMWF模式產(chǎn)品或我國業(yè)務(wù)數(shù)值模式T639的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，分析、比較高層、中層和低層位勢高度場及演變、急流特征、水汽輸送和收支與歷史數(shù)據(jù)庫的相似程度，尋找與歷史上最相似的年份，對(duì)未來豐滿以上流域侯到旬的降水給出一個(gè)定性到定量的降水分析與預(yù)報(bào)，并把主導(dǎo)系統(tǒng)所在區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)。

進(jìn)行相似分析，首先要求關(guān)鍵區(qū)系統(tǒng)基本相似；其次考慮大范圍環(huán)流背景和水汽輸送及收支的相似，重點(diǎn)考慮歐亞平均環(huán)流和水汽輸送及收支的相似程度。采用動(dòng)態(tài)與靜態(tài)相似相結(jié)合、客觀相似與主觀判斷相結(jié)合的原則，進(jìn)行判定相似年份。建立旬、侯降水相似預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要內(nèi)容：

1）收集和整理豐滿以上流域水文和氣象觀測站的多年逐日降水資料，對(duì)各種降水資料進(jìn)行分析，形成降水資料庫，設(shè)計(jì)豐滿以上流域多年侯、旬平均降水?dāng)?shù)據(jù)庫。

2）收集和整理NECP，ECMWF和日本氣象數(shù)據(jù)再分析資料，設(shè)計(jì)對(duì)流層高層（200 hPa）、中層（500 hPa）和低層（700 hPa）位勢高度場、風(fēng)場和水汽輸送及收支等的侯、旬平均場數(shù)據(jù)庫。

3）豐滿以上流域5—7月上旬為冷渦活動(dòng)期，7月下旬—8月上旬為副熱帶活動(dòng)期，其機(jī)制和影響因子都不同。故分析這兩類活動(dòng)的主要環(huán)流因子非常重要。主要是通過分析西風(fēng)環(huán)流指數(shù)、歐洲超長波槽、亞洲超長波脊、東亞大槽、副熱帶高壓、副熱帶急流、極鋒急流、水汽輸送、水汽收支及侯、旬不同時(shí)間尺度，設(shè)計(jì)不同的關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵因子。

4）設(shè)計(jì)建立一套完整的動(dòng)力因子和水汽因子侯、旬相似預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

5）利用建立的相似預(yù)報(bào)系統(tǒng)，分析設(shè)計(jì)相應(yīng)的動(dòng)力因子和水汽因子。

6）綜合分析設(shè)計(jì)各關(guān)鍵區(qū)和動(dòng)力因子及水汽因子，確定與歷史上的相似年份，并對(duì)相似年份進(jìn)行排序，設(shè)計(jì)具體環(huán)流特征及其演變特征，確定豐滿以上流域侯～旬降水預(yù)報(bào)。

5 結(jié) 語

1）氣象學(xué)是一門正在發(fā)展中的科學(xué)，它所研究的對(duì)象是大氣的變化規(guī)律。影響大氣變化的因素很多，運(yùn)動(dòng)變化空間很大，變化形態(tài)很復(fù)雜，變化規(guī)律很難把握。因此，完全客觀精確地預(yù)報(bào)天氣還有一定的困難。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)的精度一定會(huì)逐步提高，而通過水文預(yù)報(bào)和氣象預(yù)報(bào)的緊密結(jié)合，水文預(yù)報(bào)精度的提高和預(yù)見期的延長是必然能夠?qū)崿F(xiàn)的。

2）隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的進(jìn)步，水文氣象耦合成為水文預(yù)報(bào)模擬中的熱點(diǎn)問題之一。水文氣象學(xué)者們已經(jīng)分別采用單向和雙向方法將數(shù)值模式與水文模型進(jìn)行耦合,在暴雨洪水預(yù)報(bào)方面做了試驗(yàn)研究,取得了良好的效果。數(shù)值預(yù)報(bào)在豐滿水電站大壩全面治理工程氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用后，也可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展水文氣象耦合模式的相關(guān)研究。

［1］陳德輝，薛紀(jì)善.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式現(xiàn)狀與展望［J］.氣象學(xué)報(bào)，2004，62（5）:624～633.

［2］丑紀(jì)范，徐明.短期氣候數(shù)值預(yù)測的進(jìn)展和前景［J］.科學(xué)通報(bào)，2001，46（11）：890～894.

［3］陸桂華，吳志勇，等.陸氣耦合模型在實(shí)時(shí)暴雨洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（6）：847～852.

［4］趙聲蓉，裴海瑛.客觀定量預(yù)報(bào)中降水的預(yù)處理［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（1）:21～27.

［5］張俊，郭生練，等.大氣水文耦合模式在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（9）：37～40.