氣象水文雨量資料的融合應(yīng)用

廖桉樺，顧人穎，何國(guó)平

(浙江省寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315100)

寧波市鄞州區(qū)地處浙東沿海，臺(tái)風(fēng)暴雨、短歷時(shí)突發(fā)性暴雨是影響最頻繁、最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。鄞州地形復(fù)雜，境內(nèi)“五山四田一分水”，西部背靠四明山脈，東部面臨象山港，呈兩側(cè)高、中部低的馬鞍狀，復(fù)雜的地形使得突發(fā)性暴雨等中小尺度天氣時(shí)有發(fā)生，如2012年7月16日下午，鄞州西部龍觀鄉(xiāng)附近降特大暴雨，4 h降水量超200 mm，但這次過(guò)程鄞州中部降水為10～20 mm，鄞州東部都在5 mm以下。由此可見(jiàn)，雖然鄞州東西長(zhǎng)度僅為74 km，但降水的空間分布卻很不均勻，因此對(duì)于災(zāi)害性天氣的快速自動(dòng)監(jiān)測(cè)、精細(xì)化預(yù)報(bào)，無(wú)論是政府部門(mén)有效組織防災(zāi)減災(zāi)，還是群眾避險(xiǎn)自救，都是十分必要的。

山洪災(zāi)害防治縣級(jí)非工程措施項(xiàng)目是國(guó)務(wù)院2010年統(tǒng)一規(guī)劃部署的山洪地質(zhì)災(zāi)害防御治理項(xiàng)目，由水利部牽頭，計(jì)劃在全國(guó)1 836個(gè)重點(diǎn)防治縣實(shí)施。鄞州區(qū)作為試點(diǎn)縣區(qū)，于2011年8月通過(guò)《寧波市鄞州區(qū)山洪災(zāi)害防治縣級(jí)非工程措施建設(shè)實(shí)施方案》，2011年年底完成了項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了氣象部門(mén)和水利部門(mén)降水觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)共享。目前鄞州區(qū)內(nèi)擁有風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣溫四要素氣象監(jiān)測(cè)站35個(gè)，平均間距6.2 km，而水文雨量站有95個(gè)，空間密度是氣象站的2倍多，在實(shí)現(xiàn)降水觀測(cè)資料共享后，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的平均間距為3.2 km，將水文雨量資料與氣象雨量資料進(jìn)行融合，應(yīng)用到日常實(shí)際業(yè)務(wù)中去，是值得我們關(guān)注的問(wèn)題。

1 數(shù)據(jù)共享方式

在項(xiàng)目開(kāi)展之前，氣象局業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)通過(guò)專(zhuān)線連接，氣象局的政務(wù)外網(wǎng)與氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)采取物理隔離。為了實(shí)現(xiàn)氣象和水利部門(mén)之間的資料實(shí)時(shí)共享，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖1所示。氣象局的政務(wù)外網(wǎng)與氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)之間采用網(wǎng)閘實(shí)現(xiàn)部分氣象數(shù)據(jù)的交換;氣象局的政務(wù)外網(wǎng)與水利局的外網(wǎng)使用帶VPN功能的防火墻進(jìn)行對(duì)接。

圖1 氣象水文雨量資料網(wǎng)絡(luò)共享的硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)帶VPN功能的防火墻進(jìn)行對(duì)接，既能有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，又能保證數(shù)據(jù)安全。而氣象局的內(nèi)外網(wǎng)之間使用網(wǎng)閘隔離也能有效的控制交換數(shù)據(jù)的種類(lèi)以及訪問(wèn)數(shù)據(jù)的用戶。

2 氣象水文雨量資料對(duì)比

2.1 差異原因

目前鄞州區(qū)氣象局已與鄞州區(qū)水利局共享實(shí)時(shí)雨量資料，但由于水利部門(mén)與氣象部門(mén)布設(shè)的雨量自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備型號(hào)不同，計(jì)量方式不同，布設(shè)選點(diǎn)要求不一致，因此需對(duì)這2種設(shè)備進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)雨量資料的融合，同時(shí)還要采取一定的質(zhì)量控制手段，保證資料的準(zhǔn)確性。為此區(qū)氣象局在鄞州區(qū)東吳鎮(zhèn)畫(huà)龍村原有的水文遙測(cè)站附件新建一個(gè)氣象對(duì)比觀測(cè)站，2個(gè)雨量筒距離為10 m，均為翻斗式自動(dòng)雨量器，以此來(lái)分析二者差異的原因。

氣象、水文站雨量資料差異原因主要有3點(diǎn)。一是設(shè)備精度不一致，氣象自動(dòng)站精度為0.1 mm;水文站有2套雨量觀測(cè)設(shè)備，一套為雨潤(rùn)遙測(cè)設(shè)備，精度為0.5 mm，一套為超短波遙測(cè)，精度為1 mm。二是資料自動(dòng)發(fā)報(bào)時(shí)間不同，氣象站數(shù)據(jù)每10 min傳輸1次，水文站超短波遙測(cè)站每出現(xiàn)1 mm的累積降雨，發(fā)送一次累計(jì)降水量報(bào)文，水文站雨潤(rùn)站資料則每5 min發(fā)送1次累計(jì)降水記錄。三是資料自動(dòng)發(fā)報(bào)內(nèi)容不同，氣象自動(dòng)站資料包含整點(diǎn)以來(lái)每分鐘雨量資料，因此只要整點(diǎn)數(shù)據(jù)不丟失，就能推算出過(guò)去任意分鐘的準(zhǔn)確雨量;而水文站資料均為累計(jì)降水量，因此水文資料即使發(fā)生中間缺測(cè)，可能會(huì)影響分鐘雨量的統(tǒng)計(jì)，但是不會(huì)影響整個(gè)過(guò)程的累計(jì)降水。

2.2 資料對(duì)比

由于水文站雨潤(rùn)站資料數(shù)據(jù)密度較大，使用水文站雨潤(rùn)資料和氣象自動(dòng)站資料作對(duì)比。選取2011年10月20日到12月20日畫(huà)龍站氣象、水文降水量資料 (剔除因雨量筒堵塞等原因造成的失真資料)進(jìn)行對(duì)比 (圖2)，兩站最終累計(jì)降水量差距不明顯。但部分時(shí)段水文站降水?dāng)?shù)據(jù)比氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)略偏小，尤其以11月19日的過(guò)程最為明顯。

圖2 氣象站與水文站累計(jì)降水量的對(duì)比

圖3-4是氣象站與水文站每5 min及1 h累計(jì)降水量 (已經(jīng)去掉降水量均為0 mm的點(diǎn))對(duì)比散點(diǎn)圖。

圖3 氣象站與水文站5 min降水量的對(duì)比

圖4 氣象站與水文站60 min累計(jì)降水量的對(duì)比

在5 min降水量對(duì)比圖中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)在水文站降水量為0和1 min處重合。除此以外，圖中有部分點(diǎn)偏離45°線較遠(yuǎn)，說(shuō)明水文站與氣象站 5 min降水量差異較大，其差異主要是因?yàn)闇y(cè)量精度以及記錄方式不一致引起的，相對(duì)差異27.2%，因此不能將水文站資料隨意引入到氣象站資料中使用;在60 min降水量對(duì)比圖中，雨量＜3 mm時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離45°線較多，而雨量 ＞3 mm后，數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離45°線較少。水文站和氣象站之間的相對(duì)差異，當(dāng)不分降雨量級(jí)時(shí)，為27.2%，降水量 ＞1 mm時(shí)，為11.7%，＞2 mm時(shí)為7.5%，＞3 mm時(shí)為6.5%。氣象儀器本身的允許測(cè)量誤差為4%，目前國(guó)內(nèi)中尺度自動(dòng)氣象站的日降雨量平均測(cè)量誤差為6.52%［2］，因此當(dāng)60 min累計(jì)降水達(dá) 3 mm以上時(shí)，水文站和氣象站之間6.5%的相對(duì)差異屬于可接受范圍，可以把水文站60 min累計(jì)資料引入到氣象站資料中使用，以提高降水資料的空間密度。

3 融合應(yīng)用

3.1 提高降水實(shí)況監(jiān)測(cè)能力

鄞州區(qū)氣象局自主開(kāi)發(fā)了氣象預(yù)警短信自動(dòng)發(fā)送系統(tǒng)，自動(dòng)選擇信息接收人員，分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村(社區(qū))及相關(guān)部門(mén)發(fā)送對(duì)象定向自動(dòng)發(fā)送暴雨預(yù)警短信。在將水文降水實(shí)況引入氣象預(yù)警短信自動(dòng)發(fā)送系統(tǒng)后，系統(tǒng)在2012年6月1日至2012年8月10日期間共發(fā)送強(qiáng)降水實(shí)況提醒信息180條，其中來(lái)自水文雨量資料產(chǎn)生的實(shí)況信息為74條，占全部信息的四成。通過(guò)投入實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，經(jīng)幾次大的降水過(guò)程檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行效率較好，符合日常業(yè)務(wù)的需要。

3.2 提高精細(xì)化降水預(yù)報(bào)能力

目前雷達(dá)定量降水估測(cè)技術(shù)，主要采用本地多年氣象站雨量資料與雷達(dá)回波強(qiáng)度資料之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，結(jié)合一定的天氣學(xué)原理推測(cè)出未來(lái)的降水量預(yù)報(bào)。將1年的氣象水文降水融合資料引入使用后，發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)雨量與實(shí)況雨量絕對(duì)誤差可以減小0.1 mm，雖然預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提升不明顯，但是由于現(xiàn)有水文資料歷時(shí)跨度只有1年，對(duì)于已有的利用多年氣象站資料建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系影響不明顯，但是鑒于其已有的效果，相信在累積多年的水文資料后效果會(huì)有較大的改觀。

目前寧波市氣象局業(yè)務(wù)運(yùn)行的中尺度區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式，對(duì)本地區(qū)的降水有較好的預(yù)報(bào)能力，對(duì)該模式進(jìn)行降水的本地釋用預(yù)報(bào)試驗(yàn)，氣象水文降水融合資料引入使用后，發(fā)現(xiàn)對(duì)于3 h降水超過(guò)10 mm的大降水過(guò)程，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提升了3%，絕對(duì)誤差減小6 mm;對(duì)于6 h降水預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也能提升2%，絕對(duì)誤差減小5 mm。因此，增加降水實(shí)測(cè)資料空間密度，對(duì)于提高模式釋用預(yù)報(bào)能力有著廣闊的前景。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)比分析表明，氣象水文資料實(shí)行安全可靠的實(shí)時(shí)共享，當(dāng)降水累計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)、降水量在3 mm以上時(shí)，即使氣象水文資料的計(jì)量精度和傳輸方式不一樣，兩者之間的差異也在可接受范圍內(nèi);在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，將水文雨量資料引入實(shí)況降水提示預(yù)警系統(tǒng)，有效的補(bǔ)充了氣象雨量實(shí)況資料的不足，對(duì)預(yù)防強(qiáng)降水可能引發(fā)的次生災(zāi)害有較大的參考，同時(shí)也為后期雷達(dá)降水估測(cè)、中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)的實(shí)況同化應(yīng)用開(kāi)拓了更廣闊的應(yīng)用情景。

［1］ 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范 ［M］.北京:氣象出版社，2003:54-58.

［2］ 任芝花，王改利，鄒風(fēng)玲，等.中國(guó)降水測(cè)量誤差的研究［J］. 氣象學(xué)報(bào)，2003，61(5):621-627.

［3］ 任芝花，馮明農(nóng)，張洪政，等.自動(dòng)與人工觀測(cè)降雨量的差異及相關(guān)性 ［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18(3):358-364.

［4］ 廖桉樺.基于GIS的氣象預(yù)警短信自動(dòng)發(fā)送系統(tǒng) ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(6):1425-1427.