降水預報格點化技術在洪水預報業務中的應用

王 鵬，張 亮

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.河南河長學院，河南 鄭州 450045）

1 系統概述

1.1 研究背景

格點化降水可有效表征一定范圍內的面雨量，在洪水預報作業中具有基礎參考作用。代刊等人分析指出，中國中短期氣象預報技術存在客觀預報技術方法未全面深入開展、格點化的處理技術基礎薄弱等問題。冶運濤等人認為，流域產匯流機理研究中，能否通過動態融合進行不同預報時效的嵌套，滾動預測預報降水（暴雨）狀態，是實施數字孿生系統的評判準則之一。

1.1.1 原則要求

降水預報格點化技術在洪水預報業務中的應用開發，充分考慮技術與開發工具的選擇，提高技術方法的可靠性與手段應用的穩定性；平臺設計時考慮客戶端開放性，允許部分功能、項目編碼等內容可擴充，保證技術應用功能的可持續發展。

1.1.2 研究目標

將降水預報產品研發為具備精細化時空分布信息的格點數據，能夠準確有效地反映研究區域內降水時空權重分配，直接應用于洪水預報系統和防汛業務平臺，實現預報時效內累積雨量、降水籠罩面積等預報特征要素統計功能。

1.2 系統組成

1.2.1 系統架構

降水預報格點化應用系統總體框架采用B/S 三層架構體系，由基礎數據層，應用服務層和表示層組成，采用數據庫管理和備份機制，在保證系統整體性能穩定、體系結構清晰的前提下，滿足對數據實時性、可靠性和一致性需求見圖1。

圖1 降水格點化應用系統總體架構圖

1.2.2 庫表組成

降水預報的產品數據庫包括降水預報產品表、預報產品等值線表及預報產品等值面表，其中降水預報產品表存儲降水預報產品列表時間，預報產品等值線表存儲降水預報編輯等值線數據，預報產品等值面表存儲降水預報產品圖片；降水預報等值面圖形表在實時數據庫中，主要用于存儲降水預報產品圖片；行政編碼表在站點數據庫中，主要用于行政降水預報統計。

1.2.3 應用環境

降水預報格點化技術運行環境由硬件和軟件環境組成。硬件環境包括降水、洪水業務系統所運載客戶端、網絡環境；軟件運行環境為研發技術以系統軟件和應用軟件形式，其中降水預報格點化處理技術依托降水預報制作軟件運行，降水格點數據與洪水預報系統應用依托洪水預報數據庫運行。

2 技術功能

2.1 降水預報格點化

以數值模式的預報格點規則為依據，將人工降水預報按照圖形矢量格式分配為格點數據，形成與數值預報模式格點的坐標位置、降水時空權重一致的降水預報格點數據，并按照洪水預報數據庫格點信息寫入規則入庫存儲，實現將人工降水預報格點數據在洪水預報系統中的應用。同時對面雨量值、不同量級降水籠罩面積等特征進行統計，針對預報時效內的任意時段，利用GIS 分析形成所選時段累積雨量等值線和等值面圖；等值線在軟件終端支持人工二次編輯。

2.1.1 功能實現方案

基于具備地理信息應用功能的降水預報制作軟件，通過GIS插值方法，將降水預報等值面和等值線計算得出全部預報格點的日雨量數據，并按照空間拓撲關系歸納為各個格點與研究區間的對應關系；根據數值模式相應的時段雨量數據，計算研究區域中小時級別的時段面雨量，得出各時段的對應雨量權重，將人工降水預報日雨量數據轉化為數值預報權重模式下的時段雨量；最后按照洪水預報庫庫表結構要求，完善時段雨量格點格式，將預報格點的數據信息保存入庫。

2.1.2 GIS算法說明

①反距離加權算法：根據降水預報等值線對格點數據定義，計算研究區域內全部有效降水數據的格點到雨量等值線的距離，利用距離倒數計算各條等值線的權重值，再根據等值線權重值和雨量值，獲取更合理更準確的格點雨量值。②分區統計算法：根據來自其他數據集的值（雨量柵格），為每一個由區域數據集定義的區域（分區數據）計算統計數據，為輸入區域數據集里的每一個區域計算單個輸出值。③空間屬性關聯：根據圖層邊界內各個格點坐標信息，計算其相對空間位置，并利用GIS的空間拓撲關系，在格點的屬性里匹配對應的區間編碼。

2.2 降水預報圖層

2.2.1 功能實現方案

2.2.1.1 人工降水預報圖層

將人工繪制的降水預報等值面生成預報產品圖層保存至業務數據庫，通過降水預報服務地址發送數據請求獲取產品數據，利用GDAL 將預報產品圖層數據（shp）轉換為GeoJSON 格式，返回并在前端平臺進行圖層的加載、渲染和展示（圖2），實現WebAPI類型圖層服務。

圖2 人工降水預報圖層服務方案流程圖

2.2.1.2 數值模式降水預報圖層

開發數值模式降水預報服務接口，系統平臺通過發送降水預報請求，尋找對應的網格數據文件，并根據時段對網格數據進行提取計算，傳入降水預報GIS 分析工具，自動生成降水預報等值面；利用GDAL將預報產品圖層數據轉換為GeoJSON格式，并返回進行圖層加載、渲染和展示（圖3）。

圖3 數值模式降水預報圖層服務方案流程圖

2.2.1.3 特征要素統計

通過GIS 插值算法將降水預報等值線（面）計算為雨量格點，根據區間邊界數據生成區間雨量值、籠罩面積等特征統計數據并保存；系統平臺通過統計服務接口發送要素特征統計請求，接收返回結果并在平臺前端加載展示。

2.2.2 GeoJSON格式說明

GeoJSON（JavaScript Object Notation）是對各種地理數據結構進行編碼的格式。GeoJSON對象可以表示幾何、特征或者特征集合，支持點、線、面、多點、多線、多面和幾何集合等類型，其中特征包含一個幾何對象和其他屬性。

3 應用與成效

3.1 降水預報格點應用

降水預報格點技術提升了降水預報的精細化程度，為洪水預報提供了時空分辨率屬性的預報技術手段，有效提升了氣象預報和水文預報的結合度，并在業務實踐中，可根據水文特性和經驗認識，對預報格點時空分辨率進行適應性調整，優化雨洪預報關系，為延長洪水預報預見期和預報精度提供有力支撐。同時該項技術方法可自動生成預報時效內指定時段的累積面雨量等值面，并計算指定邊界的區域面雨量值，使表征降水過程的產品更直觀合理，累積特征值更科學準確。

3.2 降水預報圖層服務

GeoJSON 格式標準存儲降水預報圖層技術系統平臺通過圖表形式，對最新降水預報產品進行加載，特別是圖層形式，可將降水預報產品疊加在綜合業務系統界面，明確指示強降雨中心位置、移動趨勢、雨區范圍等信息，及時統計分析暴雨洪水災害影響范圍和特征值，完善了降水預報產品在暴雨洪水災害防御決策過程中的適用能力。