三峽水庫分流域面雨量預(yù)報檢驗系統(tǒng)研究

周英 袁久坤

（重慶市萬州區(qū)氣象局，萬州 404000）

0 引言

三峽水庫?葛洲壩梯級電站扼控我國長江“黃金水道”。庫區(qū)上游岷沱江、嘉陵江、烏江、川江、金沙江等流域以及水庫下游地區(qū)，頻繁出現(xiàn)暴雨洪澇、高溫干旱、滑坡泥石流等氣象水文和地質(zhì)災(zāi)害。保障三峽水庫?葛洲壩梯級電站的科學(xué)、安全運行，充分發(fā)揮三峽工程防洪、蓄水、抗旱、發(fā)電、通航、水資源調(diào)度等功能的綜合效益有著十分重要的意義。

面雨量是指某一特定區(qū)域或流域的平均降水狀況。開展面雨量計算和面雨量預(yù)報能更好地為組織防汛抗洪以及水庫運行等決策提供重要的依據(jù)，又可為水利部門的洪水預(yù)報提供非常重要的參數(shù)，是氣象與水利部門加強合作為防災(zāi)抗災(zāi)和經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的一個重要手段。1998年長江流域發(fā)生歷史上罕見的洪澇災(zāi)害之后，中國氣象局加強了有關(guān)面雨量業(yè)務(wù)和服務(wù)工作。重慶、湖北等地氣象部門也針對本地服務(wù)需求開展了面雨量預(yù)報技術(shù)的研究，徐晶等提出了七大江河流域面雨量計算方法及應(yīng)用，但目前尚無可進行業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用的流域面雨量預(yù)報制作與檢驗評分系統(tǒng)。

本文主要研究三峽庫區(qū)內(nèi)主要匯水流域基于數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品，研發(fā)基于數(shù)值預(yù)報降水產(chǎn)品的三峽水庫分流域面雨量預(yù)報檢驗系統(tǒng)，為三峽水利樞紐的科學(xué)調(diào)度和安全防洪度汛提供更加精細準確的決策依據(jù)，為長江黃金水道經(jīng)濟社會發(fā)展提供更加優(yōu)質(zhì)的氣象保障服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 三峽水庫主要匯水流域分區(qū)

按照與三峽梯調(diào)中心所簽訂的服務(wù)合同，將三峽庫區(qū)主要匯水流域分為岷沱江、涪江、嘉陵江干流、渠江、烏江思南上、烏江思南下、長江宜賓—重慶、重慶—萬州、萬州—宜昌段等共9個流域分區(qū)。對應(yīng)各分區(qū)，從MICAPS3系統(tǒng)獲取所需的流域和站點地理信息資料。

1.2 雨量實況獲取以及數(shù)據(jù)處理方法

面雨量實況以三峽梯調(diào)通信中心提供的面雨量為準（2015—2019年）。從各流域范圍內(nèi)的氣象監(jiān)測站點獲取的數(shù)據(jù)計算的面雨量僅作預(yù)報參考。面雨量的計算采用算數(shù)平均法。

系統(tǒng)開發(fā)的主要編程語言和工具包括Visual Studio 2015、Visual Basic 6，和氣象要素等值線分析和色斑圖繪制工具以及OLE自動化控制方法等。

開發(fā)中采用距離平方反比插值法，即：

其中：

n

為樣點數(shù)目，

z

為第

i

點的樣點值，

d

為第

i

個樣點到插值點的距離，

Z

為待估值。當(dāng)樣點與插值點重合時樣點權(quán)重為1，其他點權(quán)重為0，插值點值等于樣點值。面雨量預(yù)報準確率的計算采用中值法，根據(jù)質(zhì)量考核規(guī)定得出

S

（為第

i

分區(qū)第

j

次預(yù)報考核得分）；

K

為參與計算的預(yù)報次數(shù)。分值越高，預(yù)報越接近于實況。則設(shè)

T

為第

i

分區(qū)的面雨量預(yù)報準確率，計算公式為式（3）：

2 數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品（M3格式）[11]

為提高降水時空預(yù)報精度，該系統(tǒng)主要應(yīng)用細網(wǎng)格的歐洲中心數(shù)值預(yù)報模式（EC）、GRAPES_meso、Japan等數(shù)值預(yù)報模式格點降水產(chǎn)品。將格點降水預(yù)報產(chǎn)品用距離平方反比插值法插值到流域內(nèi)相關(guān)站點。下面以EC為例進行介紹，其他數(shù)值預(yù)報模式與EC模式類似，只是格點間距有細微差別。

2.1 模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式

采用MICAPS第4類數(shù)據(jù)格式，歐洲數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品空間分辨率為0.25°×0.25°格點間隔。

2.2 距離反比插值到站點

采用距離平方反比插值法。如典型的插值站點S落在A、B、C、D這4個預(yù)報格點內(nèi)，

R

、

R

、

R

、

R

為S點距A、B、C、D四格點的距離（圖1），則插值點值為式（4）：

圖1 預(yù)報站點（插值點）在數(shù)值預(yù)報格點的格子內(nèi) Fig. 1 Prediction stations (interpolation points) are within the lattice of numerical prediction points

3 面雨量預(yù)報檢驗

3.1 制作前期檢驗時段的各降水產(chǎn)品的實況、預(yù)報評分表

根據(jù)三峽梯調(diào)通信中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提供的實況面雨量，按照服務(wù)技術(shù)合同考核辦法中面雨量預(yù)報準確率計算方法，一模式一表分別計算出前期檢驗時段（一般為前一個月，根據(jù)梯調(diào)中心提供的面雨量實況數(shù)據(jù)時段而定）各數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品的預(yù)報評分（表1）。

表1 2020年4月28日數(shù)值預(yù)報模式（EC）降水產(chǎn)品的實況-預(yù)報評分表 Table 1 28 April 2020 numerical forecast model (EC) precipitation product fact-forecast rating sheet

3.2 制作多模式降水產(chǎn)品的實況—預(yù)報綜合檢驗表

根據(jù)各數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品對各預(yù)報流域的檢驗統(tǒng)計，列出前期各預(yù)報流域與各數(shù)值預(yù)報降水產(chǎn)品的預(yù)報檢驗得分情況，作為后期各預(yù)報模式計算權(quán)重的依據(jù)（表2）。

表2 2020年4月1日至30日多模式降水產(chǎn)品的實況-預(yù)報綜合檢驗表 Table 2 Comprehensive fact-forecast test sheet for multi-mode precipitation products on April 1, 2020 solstice and 30

3.3 制作多模式降水產(chǎn)品的實況—預(yù)報綜合檢驗界面

應(yīng)用Visual Basic控制office（Excel，Word），后臺讀取需要檢驗的前期（一般前一個月）各模式面雨量預(yù)報，按照服務(wù)技術(shù)合同考核辦法中面雨量預(yù)報準確率計算方法，自動一模式一表分別計算出前期檢驗時段各數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品的預(yù)報評分，并匯總到綜合表，以便實際預(yù)報時調(diào)取檢驗信息作為各模式加權(quán)平均的依據(jù)。多模式降水產(chǎn)品的實況?預(yù)報綜合檢驗界面如圖2所示。

圖2 多模式降水產(chǎn)品的實況-預(yù)報綜合檢驗界面 Fig. 2 A reality-forecast comprehensive inspection interface for multi-mode precipitation products

3.4 多模式降水產(chǎn)品的實況—預(yù)報綜合檢驗效果分析

分別統(tǒng)計了2015年以來的近5年各流域面雨量預(yù)報使用本系統(tǒng)（A1）和未使用本系統(tǒng)（A2）的預(yù)報檢驗質(zhì)量以及制作預(yù)報所需的時間，并對預(yù)報檢驗質(zhì)量做方差分析，對比檢驗其預(yù)報質(zhì)量的穩(wěn)定性（表3）。

從表3可看出，使用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)后，面雨量預(yù)報質(zhì)量平均提高了5.4個百分點；方差分析可知，使用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)做出的面雨量預(yù)報產(chǎn)品的準確率較不使用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)做出的預(yù)報產(chǎn)品，預(yù)報質(zhì)量穩(wěn)定性明顯更好；在產(chǎn)品制作時間上，不使用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)，做一次預(yù)報至少需要1.5 h，而使用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)，做一次預(yù)報僅需要接近0.5 h。無論預(yù)報平均質(zhì)量還是質(zhì)量的穩(wěn)定性都有明顯的提升，而制作預(yù)報所需制作時間則大幅減少。

表3 模式降水產(chǎn)品的實況?預(yù)報綜合檢驗效果分析 Table 3 Analysis of the result of fact-forecast comprehensive test for model precipitation products

3.5 面雨量預(yù)報制作界面

在圖3的界面上，應(yīng)用Visual Basic 6編程控制office（Excel，Word），后臺讀取前期預(yù)報檢驗信息（Excel表）計算各模式權(quán)重，計算制作各預(yù)報模式降水產(chǎn)品的流域面雨量并根據(jù)計算的權(quán)重加權(quán)平均，按照分區(qū)面雨量預(yù)報用語要求自動制作待發(fā)布的流域分區(qū)面雨量預(yù)報。同時可根據(jù)服務(wù)對象需求，輸出以流域站點降水量繪制的散點等值線色斑圖、以流域封閉區(qū)間方式繪制的面雨量等級色斑圖等預(yù)報產(chǎn)品。

圖3 流域面雨量預(yù)報制作界面 Fig. 3 Watershed surface rainfall forecast production interface

4 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品的三峽水庫面雨量預(yù)報的自動評分檢驗、以權(quán)重集合平均的方式自動制作面雨量預(yù)報、面雨量預(yù)報檢驗的表格和文檔產(chǎn)品自動化輸出等功能。同時能根據(jù)需求輸出以流域站點降水量繪制的散點等值線色斑圖、以流域封閉區(qū)間方式繪制的面雨量等級色斑圖等預(yù)報產(chǎn)品。經(jīng)實際應(yīng)用檢驗，該系統(tǒng)能快速有效地實現(xiàn)三峽水庫分流域面雨量預(yù)報的自動化制作，提高面雨量預(yù)報的準確性、穩(wěn)定性、及時性和精細化水平。

1）檢驗證明，應(yīng)用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)制作面雨量預(yù)報較人工分析計算制作，自動化程度高，制作時間短，在所需資料齊全的情況下，一個流域平均幾分鐘就可以制作出基于數(shù)種數(shù)值預(yù)報模式降水產(chǎn)品的面雨量預(yù)報，較純?nèi)斯ぶ谱鳒p少1 h左右，大大減輕了人工預(yù)報勞動強度，給預(yù)報員留出更多的形勢預(yù)報分析時間。

2）應(yīng)用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)有利于對面雨量預(yù)報進行持續(xù)的檢驗，提高了面雨量預(yù)報的準確率，近5年內(nèi)的平均預(yù)報質(zhì)量提高了5.4個百分點。

3）應(yīng)用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)制作面雨量預(yù)報有較好的客觀穩(wěn)定性，較好地避免了完全由人工制作難以避免的主觀性影響。

4）應(yīng)用本預(yù)報檢驗系統(tǒng)制作面雨量預(yù)報可以文字表格、等值線色斑圖、格點文件等方式發(fā)布，提高了服務(wù)產(chǎn)品的多樣化和精細化水平。

5）本系統(tǒng)在數(shù)值預(yù)報模式對面雨量的預(yù)報檢驗數(shù)據(jù)存儲處理上采用了開放性的Excel表格方式，能較方便地增減數(shù)值預(yù)報模式種類，適應(yīng)不同模式產(chǎn)品的格式變化，實用性較好。