精細化氣象服務(wù)在水庫防洪中的應(yīng)用

賀 強，谷東永

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)

氣象服務(wù)簡單理解就是氣象行業(yè)向其他行業(yè)提供的天氣預報服務(wù)及對氣象數(shù)據(jù)加工后的多種實用指數(shù)預報產(chǎn)品等。精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)是針對不同行業(yè)進行網(wǎng)絡(luò)化、精細化的特定服務(wù)。

降水是水資源綜合開發(fā)利用、洪水預報及水庫優(yōu)化調(diào)度最重要的依據(jù)。傳統(tǒng)的降雨預報主要依靠氣象預報員利用 MICAPS 系統(tǒng)，結(jié)合衛(wèi)星、雷達等產(chǎn)品及全球預報輸出產(chǎn)品外推分析得到定性的預報結(jié)果，不能滿足當今水利行業(yè)對精細化、個性化、定時、定點、定量的降雨預報的需求。隨著當前數(shù)值預報模式的不斷完善，計算機性能不斷提高，預報準確率得到有效提升，針對流域或區(qū)域提供精細化的氣象服務(wù)成為可能。

精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)利用國際主流中尺度數(shù)值模式，以全球預報資料作為背景場，根據(jù)觀測站點所處區(qū)域的大氣實際情況，在一定的條件下，通過計算機計算，求解大氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，可以提供預報時間段為0～48 h的天氣形勢以及多種物理量的精細預報，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)布進行查詢。本系統(tǒng)能夠充分利用計算機資源，每日運行4次（其中有2次為提前運行），初始場數(shù)據(jù)保留3 d，預報產(chǎn)品保留10 d，全部自動化完成，無需手工干預。

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

精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)是針對水庫上游流域精細化的預報系統(tǒng)，可以將洪水預見期進行延長，同時可以為水庫調(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)及國際主流預報模式，通過對比實驗，根據(jù)地形等特點，得到適合本地氣候特點的預報參數(shù)，提高了預報精度。

近幾年來，隨著水情信息站點的增加，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、XML技術(shù)以及圖表顯示等技術(shù)，將多種數(shù)據(jù)進行一體化存儲。通過以上技術(shù)實現(xiàn)了對水庫流域范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)域預警，使水庫應(yīng)對洪水的能力和對洪水的預見期有了有效的提高。

利用數(shù)值模式的預報方式，并將該種方式的預報業(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)由實時雨量數(shù)據(jù)、數(shù)值預報、等值線面、面雨量等功能模塊組成，該系統(tǒng)采用先進的多階層軟件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為不同的3層應(yīng)用模型設(shè)計，可以按C/S、B/S兩種方式運行。

2.1 實時雨量

主要顯示所處區(qū)域或流域內(nèi)站點的實時雨量，包括遙測站實時雨量數(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)進行處理，盡可能最大限度地增加數(shù)據(jù)密度。

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

2.2 數(shù)值預報

數(shù)值天氣預報會給出定量的預報成果，所以數(shù)值天氣預報應(yīng)當有一個較好的反映預報時段的數(shù)值預報模式和誤差較小、計算穩(wěn)定并相對運算較快的計算方法。同時數(shù)值天氣預報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)測點的氣象資料進行調(diào)整、處理和客觀分析。

數(shù)值預報計算中心，提供水庫流域總時效48 h、時間間隔為3 h、地理位置為4 km精度的精細化預報產(chǎn)品；使得單站點，定時、定點、定量精細化降雨預報產(chǎn)品更具有針對性。

具有良好的人機交互界面，其預報結(jié)果允許人工修正和干預。

2.3 地理信息系統(tǒng)展示平臺

基于地理信息系統(tǒng)平臺，結(jié)合地理科學、計算機技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學，利用反距離加權(quán)平均法將格點降雨預報插值到現(xiàn)有的雨量遙測站點上，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。

其中動畫顯示功能，可以根據(jù)不同時段，不同時長動態(tài)顯示降水過程，更加形象直觀。

2.4 面雨量

面雨量計算和面雨量預報能更好地為用戶決策提供重要的依據(jù)，精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)提供雨量區(qū)域面雨量分析功能，接收降雨預報系統(tǒng)的高分辨率氣象數(shù)據(jù)，并存儲至預報數(shù)據(jù)庫中。利用預報數(shù)據(jù)和等值線分析功能，對未來48 h的降水預報圖、降水熱圖，以動畫方式演示，體現(xiàn)降水過程的動態(tài)變化。

2.5 人機短信平臺聯(lián)合

該平臺利用基于公網(wǎng)的移動通信短信功能，實時將流域內(nèi)或所測區(qū)域內(nèi)的降水量智能匹配預警信息，通過設(shè)定策略向不同的多個用戶手機號碼進行發(fā)送，也可以通過短信方式定時發(fā)送多類型不同時段實時數(shù)據(jù)、預報數(shù)據(jù)和報警信息，使操作和管理人員全天候不分地域及時快捷掌握信息，同時專業(yè)人員可以針對暴雨過程進行“人機短信聯(lián)合”，對系統(tǒng)預報結(jié)果不斷進行訂正，制作預警信息。

3 系統(tǒng)運用

3.1 2016年和2017年預報降水與實際降水的對比

2016年X水庫流域兩場大到暴雨發(fā)生在7月20～21日及8月18日08：00～20：00，當時氣象部門提供預報，水庫流域范圍會出現(xiàn)大范圍的強降水過程，部分地區(qū)可達大到暴雨級別，局地可達200 mm，當?shù)胤篮橹笓]部門啟動了IV級應(yīng)急預案，防洪指揮部門利用包括精細化氣象服務(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)果驗證，精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)預報的降雨強度、過程時間及落區(qū)與實測一致。

3.2 為水庫洪水災害預警提供技術(shù)支持

精細化氣象服務(wù)系統(tǒng)可以作為獨立系統(tǒng)使用，也可以與洪水預報系統(tǒng)結(jié)合，為后者提供準確的雨量輸入值，可使預報能連續(xù)、自動、滾動進行，為水庫防洪提供及時準確的科學依據(jù)。

通過在實際業(yè)務(wù)應(yīng)用，不斷完善本流域或區(qū)域內(nèi)降雨數(shù)值預報尺度，還可以根據(jù)實時降雨量數(shù)據(jù)實時校正預報數(shù)據(jù)，增加精度。

4 結(jié)語

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

系統(tǒng)預報平均面雨量定性準確率大于90%（10 mm以上降雨），平均面雨量定量預報準確率達到77.1%。國內(nèi)大范圍的降雨預報平均準確率：定性準確率約為85%，定量準確率不到60%。因此，該系統(tǒng)降雨預報的準確率高于國內(nèi)平均水平，可為流域/水庫精細化降雨預報提供有價值的參考。

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

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

通過衛(wèi)星云圖反演估算降雨，提高實際降雨面雨量精度；建立本流域小尺度降雨數(shù)值預報的釋用系統(tǒng)，通過系統(tǒng)自動學習功能，進一步提高降雨預報精度及洪水預見期，由此對流域內(nèi)不同單位面積的降雨進行分布式的預報及監(jiān)測，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)，減少災害，增加經(jīng)濟效益。