精細(xì)化氣象服務(wù)在水庫防洪中的應(yīng)用

賀 強(qiáng)，谷東永

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)

氣象服務(wù)簡(jiǎn)單理解就是氣象行業(yè)向其他行業(yè)提供的天氣預(yù)報(bào)服務(wù)及對(duì)氣象數(shù)據(jù)加工后的多種實(shí)用指數(shù)預(yù)報(bào)產(chǎn)品等。精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)是針對(duì)不同行業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、精細(xì)化的特定服務(wù)。

降水是水資源綜合開發(fā)利用、洪水預(yù)報(bào)及水庫優(yōu)化調(diào)度最重要的依據(jù)。傳統(tǒng)的降雨預(yù)報(bào)主要依靠氣象預(yù)報(bào)員利用 MICAPS 系統(tǒng)，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)等產(chǎn)品及全球預(yù)報(bào)輸出產(chǎn)品外推分析得到定性的預(yù)報(bào)結(jié)果，不能滿足當(dāng)今水利行業(yè)對(duì)精細(xì)化、個(gè)性化、定時(shí)、定點(diǎn)、定量的降雨預(yù)報(bào)的需求。隨著當(dāng)前數(shù)值預(yù)報(bào)模式的不斷完善，計(jì)算機(jī)性能不斷提高，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率得到有效提升，針對(duì)流域或區(qū)域提供精細(xì)化的氣象服務(wù)成為可能。

精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)利用國際主流中尺度數(shù)值模式，以全球預(yù)報(bào)資料作為背景場(chǎng)，根據(jù)觀測(cè)站點(diǎn)所處區(qū)域的大氣實(shí)際情況，在一定的條件下，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算，求解大氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組，可以提供預(yù)報(bào)時(shí)間段為0～48 h的天氣形勢(shì)以及多種物理量的精細(xì)預(yù)報(bào)，垂直分為21層，水平2層嵌套，格距分別為12 km和4 km，產(chǎn)品輸出間隔3 h一次，以網(wǎng)頁形式發(fā)布進(jìn)行查詢。本系統(tǒng)能夠充分利用計(jì)算機(jī)資源，每日運(yùn)行4次（其中有2次為提前運(yùn)行），初始場(chǎng)數(shù)據(jù)保留3 d，預(yù)報(bào)產(chǎn)品保留10 d，全部自動(dòng)化完成，無需手工干預(yù)。

本系統(tǒng)采用數(shù)值預(yù)報(bào)模式，通過數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算，可以得出專業(yè)和客觀的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，利用該降雨量數(shù)值預(yù)報(bào)成果，使用洪水預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)斷面徑流過程的預(yù)報(bào)，為用戶提供定制化的產(chǎn)品及服務(wù)，可通過平臺(tái)獲得未來不同時(shí)段的，最小間距1 h、最大間距可達(dá)72 h的洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)是針對(duì)水庫上游流域精細(xì)化的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以將洪水預(yù)見期進(jìn)行延長，同時(shí)可以為水庫調(diào)度的優(yōu)化創(chuàng)造條件。系統(tǒng)利用快速循環(huán)同化技術(shù)及國際主流預(yù)報(bào)模式，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)地形等特點(diǎn)，得到適合本地氣候特點(diǎn)的預(yù)報(bào)參數(shù)，提高了預(yù)報(bào)精度。

近幾年來，隨著水情信息站點(diǎn)的增加，采集到的水情信息越來越密集。本系統(tǒng)在充分利用已經(jīng)采集到的水情信息的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)發(fā)布平臺(tái)、XML技術(shù)以及圖表顯示等技術(shù)，將多種數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化存儲(chǔ)。通過以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫流域范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)域預(yù)警，使水庫應(yīng)對(duì)洪水的能力和對(duì)洪水的預(yù)見期有了有效的提高。

利用數(shù)值模式的預(yù)報(bào)方式，并將該種方式的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)普及到水利水電行業(yè)，特別是水庫防洪調(diào)度，應(yīng)用前景十分廣闊。

2 系統(tǒng)功能

精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)是以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)由實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)、數(shù)值預(yù)報(bào)、等值線面、面雨量等功能模塊組成，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的多階層軟件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為不同的3層應(yīng)用模型設(shè)計(jì)，可以按C/S、B/S兩種方式運(yùn)行。

2.1 實(shí)時(shí)雨量

主要顯示所處區(qū)域或流域內(nèi)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)雨量，包括遙測(cè)站實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)或者水文、氣象等業(yè)務(wù)系統(tǒng)雨量信息，將各種類型雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，盡可能最大限度地增加數(shù)據(jù)密度。

通過時(shí)間選擇，可以圖表形式直觀的展示小時(shí)雨量、日雨量、月雨量、年雨量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)值預(yù)報(bào)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)會(huì)給出定量的預(yù)報(bào)成果，所以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)較好的反映預(yù)報(bào)時(shí)段的數(shù)值預(yù)報(bào)模式和誤差較小、計(jì)算穩(wěn)定并相對(duì)運(yùn)算較快的計(jì)算方法。同時(shí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要利用各種不同的手段獲取不同尺度的氣象資料，必須要與流域或區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)的氣象資料進(jìn)行調(diào)整、處理和客觀分析。

數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算中心，提供水庫流域總時(shí)效48 h、時(shí)間間隔為3 h、地理位置為4 km精度的精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品；使得單站點(diǎn)，定時(shí)、定點(diǎn)、定量精細(xì)化降雨預(yù)報(bào)產(chǎn)品更具有針對(duì)性。

具有良好的人機(jī)交互界面，其預(yù)報(bào)結(jié)果允許人工修正和干預(yù)。

2.3 地理信息系統(tǒng)展示平臺(tái)

基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合地理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學(xué)，利用反距離加權(quán)平均法將格點(diǎn)降雨預(yù)報(bào)插值到現(xiàn)有的雨量遙測(cè)站點(diǎn)上，生成等值面圖，用于在局域網(wǎng)發(fā)布展示并提供放大、縮小、平移等各種地圖操作。

其中動(dòng)畫顯示功能，可以根據(jù)不同時(shí)段，不同時(shí)長動(dòng)態(tài)顯示降水過程，更加形象直觀。

2.4 面雨量

面雨量計(jì)算和面雨量預(yù)報(bào)能更好地為用戶決策提供重要的依據(jù)，精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)提供雨量區(qū)域面雨量分析功能，接收降雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)的高分辨率氣象數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)至預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫中。利用預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和等值線分析功能，對(duì)未來48 h的降水預(yù)報(bào)圖、降水熱圖，以動(dòng)畫方式演示，體現(xiàn)降水過程的動(dòng)態(tài)變化。

2.5 人機(jī)短信平臺(tái)聯(lián)合

該平臺(tái)利用基于公網(wǎng)的移動(dòng)通信短信功能，實(shí)時(shí)將流域內(nèi)或所測(cè)區(qū)域內(nèi)的降水量智能匹配預(yù)警信息，通過設(shè)定策略向不同的多個(gè)用戶手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行發(fā)送，也可以通過短信方式定時(shí)發(fā)送多類型不同時(shí)段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，使操作和管理人員全天候不分地域及時(shí)快捷掌握信息，同時(shí)專業(yè)人員可以針對(duì)暴雨過程進(jìn)行“人機(jī)短信聯(lián)合”，對(duì)系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果不斷進(jìn)行訂正，制作預(yù)警信息。

3 系統(tǒng)運(yùn)用

3.1 2016年和2017年預(yù)報(bào)降水與實(shí)際降水的對(duì)比

2016年X水庫流域兩場(chǎng)大到暴雨發(fā)生在7月20～21日及8月18日08：00～20：00，當(dāng)時(shí)氣象部門提供預(yù)報(bào)，水庫流域范圍會(huì)出現(xiàn)大范圍的強(qiáng)降水過程，部分地區(qū)可達(dá)大到暴雨級(jí)別，局地可達(dá)200 mm，當(dāng)?shù)胤篮橹笓]部門啟動(dòng)了IV級(jí)應(yīng)急預(yù)案，防洪指揮部門利用包括精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)在內(nèi)的多種氣象手段，研究判斷降雨的發(fā)展和可能落雨的區(qū)域，經(jīng)最終結(jié)果驗(yàn)證，精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的降雨強(qiáng)度、過程時(shí)間及落區(qū)與實(shí)測(cè)一致。

3.2 為水庫洪水災(zāi)害預(yù)警提供技術(shù)支持

精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)可以作為獨(dú)立系統(tǒng)使用，也可以與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合，為后者提供準(zhǔn)確的雨量輸入值，可使預(yù)報(bào)能連續(xù)、自動(dòng)、滾動(dòng)進(jìn)行，為水庫防洪提供及時(shí)準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

通過在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，不斷完善本流域或區(qū)域內(nèi)降雨數(shù)值預(yù)報(bào)尺度，還可以根據(jù)實(shí)時(shí)降雨量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)校正預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，增加精度。

4 結(jié)語

氣象預(yù)報(bào)往往針對(duì)的是大范圍內(nèi)的天氣變化（如降雨），難以做到精細(xì)化預(yù)報(bào)、基于精細(xì)化氣象服務(wù)的降雨預(yù)報(bào)能夠較好地反映適合水庫流域的更精細(xì)化的未來降雨。

系統(tǒng)預(yù)報(bào)平均面雨量定性準(zhǔn)確率大于90%（10 mm以上降雨），平均面雨量定量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到77.1%。國內(nèi)大范圍的降雨預(yù)報(bào)平均準(zhǔn)確率：定性準(zhǔn)確率約為85%，定量準(zhǔn)確率不到60%。因此，該系統(tǒng)降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率高于國內(nèi)平均水平，可為流域/水庫精細(xì)化降雨預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參考。

精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)可以為應(yīng)急管理人員做出決策提供參考，在災(zāi)害天氣事件中減輕影響，避免經(jīng)濟(jì)損失，在水電行業(yè)還能創(chuàng)造持續(xù)不斷地財(cái)政收入。

該系統(tǒng)不僅可作為獨(dú)立系統(tǒng)使用，還具有良好的拓展性，可以為降雨徑流洪水預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的輸入雨量值，切實(shí)做到降雨模型與水文模型的耦合，有效提高洪水預(yù)報(bào)的正確率和預(yù)見期，為庫區(qū)的蓄水和排放提供及時(shí)準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)

通過衛(wèi)星云圖反演估算降雨，提高實(shí)際降雨面雨量精度；建立本流域小尺度降雨數(shù)值預(yù)報(bào)的釋用系統(tǒng)，通過系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)功能，進(jìn)一步提高降雨預(yù)報(bào)精度及洪水預(yù)見期，由此對(duì)流域內(nèi)不同單位面積的降雨進(jìn)行分布式的預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)，解決分布式水文模型建模應(yīng)用的數(shù)據(jù)要求，為水庫防洪調(diào)度提供更精確的參考數(shù)據(jù)，減少災(zāi)害，增加經(jīng)濟(jì)效益。