精細化降水數(shù)值預(yù)報在柘溪水電廠的應(yīng)用及效果分析

李麗， 郭俊， 徐勛建， 馮濤， 楊莉

(1.電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，湖南長沙410129；2.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410129)

降水量是水電廠生產(chǎn)調(diào)度中最重要的不確定性因子〔2〕。目前水電廠流域降水預(yù)報主要有兩種來源，一是當?shù)貧庀笈_發(fā)布的未來24 h，48 h降水，按降水量大小劃分為無雨 (＜0.1 mm)、小雨 (0.1－10 mm)、中雨 (10－25 mm)、大雨 (25－50 mm)、暴雨及以上 (＞50 mm)，實際生產(chǎn)中降水的“五級” 劃分標準過于粗略〔3－5〕； 二是數(shù)值模式降水預(yù)報，目前比較容易獲得的數(shù)值模式結(jié)果有美國GFS和歐洲ECMWF降水預(yù)報，其網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°(約為50 km×50 km)， 在水電廠流域內(nèi)一般只有幾十個網(wǎng)格點，代表性差〔6〕。因此，水電廠實際生產(chǎn)調(diào)度中亟需精細化定量降水預(yù)報。文中以湖南柘溪水電廠為例，分析精細化降水數(shù)值預(yù)報在水電廠的應(yīng)用及效果。

1 數(shù)據(jù)和方法簡介

1.1 數(shù)值模式

文中使用的數(shù)值天氣預(yù)報模式 (WRF，Weather Research and Forecasting Model)是氣象界廣泛應(yīng)用的、技術(shù)成熟的、預(yù)測準確度高的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式。模式采用雙重嵌套網(wǎng)格，外層網(wǎng)格覆蓋全國，分辨率為9×9 km，內(nèi)層嵌套網(wǎng)格覆蓋湖南，分辨率為3×3 km，以GFS分析場為預(yù)報初值場，每天進行兩次計算。柘溪流域共有2 511個網(wǎng)格點，所有網(wǎng)格點的降水預(yù)報平均值為預(yù)報的面雨量。

1.2 柘溪水庫簡介

柘溪流域位于湖南中部，流域面積22 600 km2，柘溪水電廠共有32個自建雨量站，根據(jù)32個雨量站位置分布，將柘溪流域劃分為32個泰森多邊形，根據(jù)泰森多邊形的面積設(shè)定每個雨量站的權(quán)重系數(shù)，32個雨量站降水量的加權(quán)平均即為流域?qū)嶋H面雨量。

1.3 預(yù)報降水量準確度分析

以柘溪流域逐日實際面雨量為基礎(chǔ)，預(yù)報面雨量值在實際面雨量值的±20%或±5 mm(二者取大值)以內(nèi)，為降水量預(yù)報準確；預(yù)報面雨量值在實際面雨量值的±40%或±10 mm(二者取大值)以內(nèi)，為降水量預(yù)報基本準確；否則，為降水量預(yù)報不準確。

2 柘溪水電廠精細化降水數(shù)值預(yù)報效果分析

通過分析柘溪流域1995—2015年平均的逐旬面雨量 (圖1)，發(fā)現(xiàn)柘溪流域存在明顯的降水集中期，每年的5月上旬到7月中旬為主汛期。

圖1 柘溪流域1995—2015年平均逐旬降水量

2.1 春夏轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報效果分析

每年4—5月為柘溪流域汛期開始時間，降水以小雨、中雨為主，大雨也有較大出現(xiàn)頻率。通過柘溪流域面雨量實際值與預(yù)報值對比 (圖2)，可知數(shù)值模式精細化降水預(yù)報 (表1)對4—5月中雨、大雨降雨量準確預(yù)報率達50%～60%，但由于處于春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，對中雨、大雨的預(yù)報存在20%的誤差。

圖2 柘溪流域4—5月逐日降水量預(yù)報值與實際值對比

表1 柘溪流域4—5月逐日降水量預(yù)報準確度分析 %

2.2 前夏期降水預(yù)報效果分析

每年6—7月為柘溪流域的主汛期，暴雨、大雨出現(xiàn)最為頻繁，小雨和中雨出現(xiàn)頻率有所降低。通過面雨量實際值與預(yù)報值的對比 (圖3)，可知數(shù)值模式精細化降水預(yù)報 (表2)對暴雨、大雨降水量的預(yù)報準確率很高，暴雨降水量預(yù)報準確率為100%，大雨降水量預(yù)報準確和基本準確率為72%，但對中雨降水量的預(yù)報存在較大誤差，不準確高達37%。

圖3 柘溪流域6—7月逐日降水量預(yù)報值與實際值對比

表2 柘溪流域6—7月逐日降水量預(yù)報準確度分析 %

2.3 后夏－秋季降水預(yù)報效果分析

每年8—10月，柘溪流域的主汛期基本結(jié)束，降水量級和降水頻次都有明顯減弱，但受夏季局地對流和臺風(fēng)系統(tǒng)影響，仍有大雨、中雨出現(xiàn)。通過面雨量實際值與預(yù)報值的對比 (圖4)，可知數(shù)值模式精細化降水預(yù)報 (表3)對大雨降水量的預(yù)報準確率高達71%，中雨降水量預(yù)報準確和基本準確率為75%，對小雨和無雨情況降水量預(yù)報不準確率只有3%。

圖4 柘溪流域8—10月逐日降水量預(yù)報值與實際值對比

表3 柘溪流域8—10月逐日降水量預(yù)報準確度分析 %

2.4 秋冬轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報分析

每年11月為柘溪流域的秋汛期，大雨和中雨有一定的出現(xiàn)頻率。通過面雨量實際值與預(yù)報值的對比 (圖5)，可知數(shù)值模式精細化降水預(yù)報 (表4)對大雨、中雨降水量的預(yù)報準確率較低，大雨為45%，中雨為50%。由于處于秋－冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，對中雨、大雨的預(yù)報誤差較大。

圖5 柘溪流域11月逐日降水量預(yù)報值與實際值對比

表4 柘溪流域11月逐日降水量預(yù)報準確度分析 %

2.5 冬季－春季降水預(yù)報分析

每年12月至次年3月為柘溪流域的旱季，降水量級和降水頻次都最弱，幾乎沒有大雨出現(xiàn)，中雨出現(xiàn)頻率也比較低。通過面雨量實際值與預(yù)報值的對比 (圖6)，可知數(shù)值模式精細化降水預(yù)報(表5)對中雨降水量預(yù)報準確和基本準確率為75%，對小雨和無雨情況降水量準確率超過97%。

圖6 柘溪流域12月—次年3月逐日降水量預(yù)報值與實際值對比

表5 柘溪流域12－3月逐日降水量預(yù)報準確度分析 %

3 總結(jié)

1)高精度中尺度數(shù)值模式可以精細化的預(yù)報出柘溪流域降水量具體數(shù)值，相比傳統(tǒng) “無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨及以上”的五級降水，預(yù)報精細度高。

2)經(jīng)過2年應(yīng)用驗證，精細化降水數(shù)值預(yù)報對柘溪流域降水預(yù)報準確度高，其中無雨預(yù)報準確率為100%，小雨預(yù)報準確率為93.4%，大雨及暴雨預(yù)報準確率為65%以上，為水電廠生產(chǎn)調(diào)度提供了科學(xué)指導(dǎo)。

3)每年4、5月為春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期，11月為秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，精細化降水數(shù)值預(yù)報對中雨、大雨的預(yù)報存在一定誤差。提高季節(jié)轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報準確率是下一步研究方向。

〔1〕周惠成，李麗琴，胡軍，等.短期降雨預(yù)報在水庫汛限水位動態(tài)控制中的應(yīng)用研究:中國水利學(xué)會2005學(xué)術(shù)年會〔C〕.2005.

〔2〕李瑋，郭生練，劉攀，等.水庫汛限水位動態(tài)控制方法研究及其應(yīng)用 〔J〕.水力發(fā)電，2006，32(3):8-12.

〔3〕王玉才，熊安武，鄒霞，等.降雨預(yù)報信息下高關(guān)水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析 〔J〕.水電與新能源，2015(10):10-14.

〔4〕吳彬貴，姚學(xué)祥，廉鐵輝，等.降水預(yù)報在水庫汛限水位動態(tài)控制中的可用性研究 〔J〕.氣象科技，2007，35(5):708-713.

〔5〕任明磊，何曉燕，黃金池，等.基于短期降雨預(yù)報信息的水庫汛限水位實時動態(tài)控制方法研究及風(fēng)險分析 〔J〕.水利學(xué)報，2013，44(S1):66-72.

〔6〕郝春灃，賈仰文，王浩.氣象水文模型耦合研究及其在渭河流域的應(yīng)用 〔J〕.水利學(xué)報，2012，43(9):1042-1049.