GFS降雨預(yù)報(bào)在古田流域洪水預(yù)報(bào)中的可用性研究

葉子國(guó)，李春紅，王蕊，阮宏華

(1.華電福新能源股份有限公司古田溪水力發(fā)電廠，福建 寧德 352258； 2.南瑞集團(tuán)有限公司，南京 210003)

0 引言

傳統(tǒng)依據(jù)落地雨開(kāi)展洪水預(yù)報(bào)的方式，由于預(yù)見(jiàn)期較短，往往難以滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求。近年來(lái)，隨著探測(cè)手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，降雨預(yù)報(bào)技術(shù)和預(yù)報(bào)精度不斷提高，為洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期的延長(zhǎng)提供了更大可能[1]。

降雨預(yù)報(bào)產(chǎn)品在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用是否有效，其可用度取決于降雨預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見(jiàn)期。美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)每天發(fā)布4次氣象預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為8～16 d，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度8日內(nèi)以6 h為時(shí)段，網(wǎng)格尺度為0.5°×0.5°的降雨預(yù)報(bào)信息可應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)[2]。降雨預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的可用性取決于降雨預(yù)報(bào)本身的精度和在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用情況，對(duì)于降雨預(yù)報(bào)在《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法》中有明確的檢驗(yàn)方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，該評(píng)判是否能反映降雨預(yù)報(bào)在水文中的可用性，針對(duì)場(chǎng)次洪水的GFS降雨預(yù)報(bào)效果以及GFS降雨預(yù)報(bào)信息應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)的影響程度如何，本文以古田溪2017年6月大水期間GFS降雨預(yù)報(bào)和實(shí)測(cè)水雨情數(shù)據(jù)為依托，分析GFS降雨預(yù)報(bào)信息的精度和在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用效果。

1 古田溪流域概況

古田溪為閩江下游北岸支流之一，全流域東西寬約40 km，南北長(zhǎng)約70 km，總流域面積1 799 km2。流域的地質(zhì)屬火成巖，石質(zhì)堅(jiān)硬，氣候?qū)賮啛釒停炅砍渑妗９盘锵獙偕较杂旰楹恿鳎樗杀┯晷纬桑髟炊趟骷保樗畞?lái)時(shí)，勢(shì)兇時(shí)短，集流時(shí)間一般為6～12 h。流域地形復(fù)雜，降雨分布不均。古田溪水力發(fā)電廠擁有一級(jí)至四級(jí)4座電站，總裝機(jī)324 MW。一級(jí)為不完全多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，集水面積1 325 km2，本文針對(duì)一級(jí)以上流域進(jìn)行分析。

2 GFS降雨預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)

預(yù)報(bào)精度與預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)度密切相關(guān)，為分析以6 h為基準(zhǔn)的不同預(yù)見(jiàn)期預(yù)報(bào)結(jié)果，本文以6 h為時(shí)段進(jìn)行降雨等級(jí)劃分，針對(duì)6 h，12 h，24 h，48 h預(yù)見(jiàn)期對(duì)應(yīng)的降雨情況，依據(jù)中國(guó)氣象局頒布的《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。首先統(tǒng)計(jì)古田溪流域范圍2017年6月的降雨預(yù)報(bào)信息，并與水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算的流域?qū)崪y(cè)面雨量進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)的降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)指標(biāo)包括預(yù)兆得分(TS)評(píng)分、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率，見(jiàn)表1。

由表1可知，古田溪2017年6月GFS降雨預(yù)報(bào)結(jié)果精度不夠理想，僅無(wú)雨期的6 h預(yù)見(jiàn)期TS評(píng)分超過(guò)85%，有雨時(shí)期最大的TS評(píng)分僅為66.7%，TS評(píng)分有隨著預(yù)見(jiàn)期增長(zhǎng)而減小的趨勢(shì)。表1中漏報(bào)、空?qǐng)?bào)率普遍在20%以上，尤其中雨以上的空?qǐng)?bào)率竟然都超過(guò)50%。

氣象部門(mén)采用的TS評(píng)分、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率雖然在一定程度上反映了預(yù)報(bào)情況，但不能很好地反映預(yù)報(bào)精度。如實(shí)測(cè)6 h降雨30 mm為暴雨，預(yù)報(bào)降雨20 mm為大雨，屬于漏報(bào)，本次預(yù)報(bào)的TS評(píng)分為0。但對(duì)于洪水預(yù)報(bào)而言，雖然降雨量有偏差，但仍可在一定程度上指導(dǎo)洪水預(yù)報(bào)。洪水預(yù)報(bào)需要結(jié)合未來(lái)預(yù)報(bào)時(shí)間內(nèi)所有的降雨預(yù)報(bào)結(jié)果，而非僅某一時(shí)刻的預(yù)報(bào)值，降雨預(yù)報(bào)誤差總體呈正態(tài)分布，表明一定時(shí)間內(nèi)降雨預(yù)報(bào)誤差存在正負(fù)抵消的現(xiàn)象，即預(yù)報(bào)降雨總量誤差不會(huì)很大，古田溪流域2017年6月6 h預(yù)見(jiàn)期的GFS降雨預(yù)報(bào)分析如圖1所示。

表1 古田溪2017年6月GFS降雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果 %

圖1 古田溪流域2017年6月6 h預(yù)見(jiàn)期的GFS降雨預(yù)報(bào)分析

表2 古田溪降雨預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

3 洪水期GFS降雨預(yù)報(bào)誤差評(píng)定

降雨過(guò)程決定了來(lái)水過(guò)程，降雨總量很大程度上決定了來(lái)水總量(洪量)，降雨強(qiáng)度則決定著洪峰流量。因此，流域內(nèi)未來(lái)一定時(shí)間的洪水預(yù)報(bào)精度受降雨量、降雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)精度的影響較大[3]。

本文依據(jù)古田溪流域2017年6月的實(shí)測(cè)降雨和GFS預(yù)報(bào)降雨過(guò)程，針對(duì)3場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)的降雨過(guò)程，從降雨量、降雨強(qiáng)度兩方面統(tǒng)計(jì)分析GFS降雨預(yù)報(bào)誤差。

表2中降雨總量預(yù)報(bào)誤差絕對(duì)值的最小值為8.2%(06-19 T 02:00—06-21 T 20:00，6 h預(yù)見(jiàn)期)，最大值為-30.5%(06-01 T 14:00—06-03 T 20:00，48 h預(yù)見(jiàn)期)。其中6 h，12 h預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨總量誤差相差不大，大部分在20%以?xún)?nèi)，24 h預(yù)見(jiàn)期預(yù)報(bào)誤差稍大于20%，48 h預(yù)見(jiàn)期預(yù)報(bào)誤差是4種預(yù)見(jiàn)期中最大的，兩場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)降雨的預(yù)報(bào)誤差達(dá)到30%。由此表明GFS降雨預(yù)報(bào)隨著預(yù)見(jiàn)期增長(zhǎng)預(yù)報(bào)的可信度降低。

由表2中3場(chǎng)洪水期間的降雨峰值和峰值出現(xiàn)時(shí)間的預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)可以看出，20170602號(hào)洪水對(duì)應(yīng)降雨預(yù)報(bào)在12 h預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的峰值誤差很小，但24 h，48 h峰值則誤差較大，峰值出現(xiàn)時(shí)間均無(wú)誤差。20170616號(hào)洪水期間降雨峰值誤差均較大，其中12 h預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的峰值誤差最小，6 h，12 h預(yù)見(jiàn)期的峰值出現(xiàn)時(shí)間無(wú)誤差，24 h，48 h預(yù)見(jiàn)期的峰值出現(xiàn)時(shí)間誤差很大。20170620號(hào)洪水期間峰值和時(shí)間誤差最小的為48 h預(yù)見(jiàn)期。由此分析，GFS降雨預(yù)報(bào)峰值誤差與預(yù)見(jiàn)期沒(méi)有明顯的相關(guān)。

表3 古田溪結(jié)合GFS降雨預(yù)報(bào)前后的預(yù)報(bào)流量結(jié)果對(duì)比

4 GFS降雨預(yù)報(bào)信息應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)

GFS降雨預(yù)報(bào)信息應(yīng)用于古田溪流域洪水預(yù)報(bào)，首先將降雨預(yù)報(bào)信息與流域數(shù)字單元進(jìn)行匹配如圖2所示，然后以單元為單位進(jìn)行降雨徑流計(jì)算，各單元流量過(guò)程自上而下逐級(jí)演進(jìn)，最終匯入古田溪水庫(kù)。針對(duì)2017年6月的3場(chǎng)洪水，將古田溪實(shí)測(cè)入庫(kù)流量與采用GFS降雨預(yù)報(bào)前后的預(yù)報(bào)流量過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 古田溪流域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)單元匹配

由表3進(jìn)行了古田溪流域2017年6月3場(chǎng)洪水的預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)，每場(chǎng)洪水均列舉了預(yù)見(jiàn)期相差6 h的2次預(yù)報(bào)結(jié)果。由此分析可知：洪水期間，當(dāng)后期有較大降雨時(shí)，結(jié)合GFS降雨預(yù)報(bào)較不考慮未來(lái)降雨的洪水預(yù)報(bào)精度有很大提高；針對(duì)每場(chǎng)洪水的2次預(yù)報(bào)，無(wú)論降雨預(yù)報(bào)的誤差大小，預(yù)見(jiàn)期較短的后一次預(yù)報(bào)的洪量、洪峰預(yù)報(bào)誤差均小于前次的誤差，即隨著預(yù)見(jiàn)期的縮短，預(yù)報(bào)誤差呈減小的趨勢(shì)，表明實(shí)測(cè)降雨仍然是洪水預(yù)報(bào)精度的決定性因素。

續(xù)表

表3中20170616號(hào)洪水后期的降雨預(yù)報(bào)精度高于前期，其洪量預(yù)報(bào)誤差減小11.81%，洪峰預(yù)報(bào)誤差減小了11.24%。而20170602、20170620號(hào)洪水均為后期的降雨預(yù)報(bào)精度較低，其洪量預(yù)報(bào)誤差分別減少0.45%，8.04%，洪峰預(yù)報(bào)誤差分別減小7.26%，9.55%。由此可見(jiàn)，在實(shí)測(cè)降雨信息增多的情況下，降雨預(yù)報(bào)誤差在很大程度上影響著洪水預(yù)報(bào)精度。

古田溪20170616號(hào)洪水的擬合過(guò)程清晰表明，不結(jié)合未來(lái)降雨難以完成長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的高精度預(yù)報(bào)。隨著預(yù)見(jiàn)期的縮短，預(yù)報(bào)精度有明顯的提升如圖4所示。

圖4 古田溪20170616號(hào)洪水預(yù)報(bào)過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)古田溪2017年6月的降雨實(shí)況，從氣象方式質(zhì)量檢驗(yàn)和場(chǎng)次洪水對(duì)應(yīng)降雨誤差評(píng)定兩種方式對(duì)GFS降雨預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并將GFS降雨預(yù)報(bào)應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)以分析GFS降雨預(yù)報(bào)在古田溪流域洪水預(yù)報(bào)中的可用性。

本文研究成果表明，GFS降雨預(yù)報(bào)采用氣象方式質(zhì)量檢驗(yàn)的精度不高，尤其是中雨以上降雨預(yù)報(bào)的TS評(píng)分大部分低于50%。但場(chǎng)次洪水對(duì)應(yīng)降雨的相對(duì)誤差尚可，降雨量和峰值誤差大部分在20%以?xún)?nèi)，且短時(shí)預(yù)報(bào)精度通常高于長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的降雨預(yù)報(bào)。GFS降雨預(yù)報(bào)應(yīng)用于古田溪流域2017年6月的3場(chǎng)洪水?dāng)M合中，結(jié)果表明采用GFS降雨預(yù)報(bào)的洪水預(yù)報(bào)精度較無(wú)降雨預(yù)報(bào)信息的情況下有較大提升，表明GFS降雨預(yù)報(bào)有一定的可用性。

洪水預(yù)報(bào)誤差來(lái)源多樣，降雨信息、流域蒸散發(fā)、水文模型參數(shù)、測(cè)站布設(shè)、人類(lèi)活動(dòng)等都對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度有一定影響。其中降雨誤差是洪水預(yù)報(bào)最直接、最重要的誤差來(lái)源。無(wú)降雨預(yù)報(bào)信息的洪水預(yù)報(bào)，在流域天然預(yù)見(jiàn)期以外基本不可用。要延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期，單純依靠落地雨是無(wú)法完成的，必須接入降雨預(yù)報(bào)信息。可獲取的GFS數(shù)值降雨預(yù)報(bào)雖然存在一定的誤差，預(yù)報(bào)精度有待提高，但它在古田溪流域較無(wú)降雨預(yù)報(bào)的洪水預(yù)報(bào)精度仍然有了很大的改進(jìn)，因此在無(wú)法獲取更高精度數(shù)值降雨預(yù)報(bào)信息的情況下，GFS降雨預(yù)報(bào)可作為延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期的有效手段。