數(shù)值預(yù)報技術(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)報中。豐滿水電站原氣象預(yù)報系統(tǒng)限于技術(shù)條件和應(yīng)用水平，使得利用氣象要素預(yù)報的方案精度較低，為提高氣象預(yù)報精度，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)報技術(shù)應(yīng)用到氣象預(yù)報系統(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各種不同時間尺度的氣象業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)，形成從短期（0～72 h）到中期（15 d）的多時間尺度無縫隙的氣象業(yè)務(wù)預(yù)報體系，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

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

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)報集合系統(tǒng)，形成格點數(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數(shù)值模式進(jìn)行集合。建立短期數(shù)值預(yù)報系統(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，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ?、區(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)報產(chǎn)品，通過Internet網(wǎng)絡(luò)下載和歸檔，設(shè)計短期數(shù)值模式集合預(yù)報的初值和邊值。

4）有限區(qū)域數(shù)值模式初值擾動構(gòu)造試驗設(shè)計。

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

6）有限區(qū)域數(shù)值模式邊界層方案的試驗設(shè)計。

7）集合預(yù)報成員及數(shù)目設(shè)計，多模式超級集合預(yù)報方案的試驗及設(shè)計。

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

9）預(yù)報效果檢驗方案設(shè)計。

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

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

3 中期數(shù)值預(yù)報

21世紀(jì)以來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得中期數(shù)值預(yù)報模式成為了可能，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)報已到16 d，500 hPa高度形勢場預(yù)報可靠性已在10 d以上，中期數(shù)值預(yù)報已對對流層中上層的大氣形勢場有較好的效果，同時對氣象要素場的預(yù)報也有較好的效果。

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)報系統(tǒng)，形成格點數(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)報和降水趨勢預(yù)報。建立中期數(shù)值預(yù)報系統(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，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)化方案試驗設(shè)計。

5）中期數(shù)值模式陸面過程參數(shù)化方案試驗設(shè)計。

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)報系統(tǒng)，并進(jìn)行一年的回算試驗設(shè)計。

7）對一年的回算進(jìn)行各氣象要素場的預(yù)報效果檢驗方案設(shè)計。

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

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

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

對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，開展候到旬的預(yù)報是可行的。

應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是以長時間序列的美國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，對未來豐滿以上流域侯到旬的降水給出一個定性到定量的降水分析與預(yù)報，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，對各種降水資料進(jìn)行分析，形成降水資料庫，設(shè)計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)計對流層高層（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月上旬為冷渦活動期，7月下旬—8月上旬為副熱帶活動期，其機制和影響因子都不同。故分析這兩類活動的主要環(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、旬不同時間尺度，設(shè)計不同的關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵因子。

4）設(shè)計建立一套完整的動力因子和水汽因子侯、旬相似預(yù)報系統(tǒng)。

5）利用建立的相似預(yù)報系統(tǒng)，分析設(shè)計相應(yīng)的動力因子和水汽因子。

6）綜合分析設(shè)計各關(guān)鍵區(qū)和動力因子及水汽因子，確定與歷史上的相似年份，并對相似年份進(jìn)行排序，設(shè)計具體環(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。

5 結(jié) 語

1）氣象學(xué)是一門正在發(fā)展中的科學(xué)，它所研究的對象是大氣的變化規(guī)律。影響大氣變化的因素很多，運動變化空間很大，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)報的精度一定會逐步提高，而通過水文預(yù)報和氣象預(yù)報的緊密結(jié)合，水文預(yù)報精度的提高和預(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)報模式的進(jìn)步，水文氣象耦合成為水文預(yù)報模擬中的熱點問題之一。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)報方面做了試驗研究,取得了良好的效果。數(shù)值預(yù)報在豐滿水電站大壩全面治理工程氣象預(yù)報系統(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。

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