数值预报技术在丰满水电站的应用

金 雨 ，尹永日 ，金德泽，伍 哲 ，孙晓东

（1.中水东北勘测设计有限责任公司，吉林 长春 130021；2.吉林省水文勘测局延边分局，吉林 延边 133000；3.丰满发电厂，吉林 吉林市 132000）

近年来，数值预报技术取得了较大的发展，并成功应用于短中期气象预报中。丰满水电站原气象预报系统限于技术条件和应用水平，使得利用气象要素预报的方案精度较低，为提高气象预报精度，延长洪水预见期，更好的为丰满水电站的防洪调度服务，在丰满水电站大坝全面治理工程中，将数值预报技术应用到气象预报系统当中。

1 总体框架

总体框架是在NCEP业务中期数值模式格点产品和全球气候模式产品的基础上，以各种数值模式为核心来搭建针对各种不同时间尺度的气象业务预报系统，形成从短期（0～72 h）到中期（15 d）的多时间尺度无缝隙的气象业务预报体系，总体框架见图1。

图1 总体框架示意图

2 短期数值预报

目前，3 d以内的短期数值预报的精度已很高，对于各种天气过程所带来的降水、大风和降温等各项气象要素场都能给出较好的预报。短期数值预报已成为目前气象业务预报工作中最主要的预报工具和手段。

应用的关键技术是以美国全球数值模式GFS预报产品为基础，根据国内外先进的有限区域数值模式系统，结合丰满以上流域地形地貌特征以及气候背景特征，采用多模式集合方案，建立一套可用于丰满以上流域3 d以内的短期数值预报集合系统，形成格点数据和图形数据。需要指出的是鉴于MM5，WRF模式应用最广、技术成熟、先进，故首先选用了这两个数值模式进行集合。建立短期数值预报系统的主要内容：

1）进行适合丰满以上流域短期（3 d以内）有限区域数值模式系统框架设计，选择适当的模式、区域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的卫星资料，设计和建立适当的丰满以上流域地形地表特征数据。

3）利用美国全球数值模式GFS预报产品，通过Internet网络下载和归档，设计短期数值模式集合预报的初值和边值。

4）有限区域数值模式初值扰动构造试验设计。

5）有限区域数值模式物理过程参数化方案试验设计。

6）有限区域数值模式边界层方案的试验设计。

7）集合预报成员及数目设计，多模式超级集合预报方案的试验及设计。

8）建立丰满以上流域短期集合数值预报系统，并进行一年的回算试验设计。

9）预报效果检验方案设计。

10）后台处理系统和图形显示系统开发方案设计。

11）短期集合数值预报应用系统开发方案设计。

3 中期数值预报

21世纪以来，随着计算机技术的飞速发展，使得中期数值预报模式成为了可能，更重要的是，通过各种观测手段得到的观测资料同化技术的发展，加上对模式框架、物理过程参数化、数值积分方案等方面的改进和提高，使得中期数值预报模式有了很大的发展。目前，世界最先进的全球数值模式水平格距已发展到几十公里，垂直分辨率在30层以上，模式积分预报已到16 d，500 hPa高度形势场预报可靠性已在10 d以上，中期数值预报已对对流层中上层的大气形势场有较好的效果，同时对气象要素场的预报也有较好的效果。

应用的关键技术是以美国全球数值模式GFS预报产品为基础，根据有限区域数值模式系统，选择适当的模式区域、水平分辨率和垂直分辨率等,利用多年的气象卫星和陆地资源卫星资料，结合丰满以上流域地形地貌特征以及气候背景特征，建立一套可用于丰满以上流域15 d以内的中期数值预报系统，形成格点数据和图形数据，提供丰满以上流域的中期形势预报和降水趋势预报。建立中期数值预报系统的主要内容：

1）进行适合丰满以上流域15 d的中期数值模式框架设计，选择适当的模式区域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的气象卫星和陆地资源卫星资料，设计和建立适当的丰满以上流域地形地表特征数据。

3）利用美国全球中期数值模式产品，通过Internet网络下载和归档，设计中期数值模式的初值和边值。

4）中期数值模式辐射过程物理参数化方案试验设计。

5）中期数值模式陆面过程参数化方案试验设计。

6）利用有限区域中期数值模式，建立丰满以上流域中期15 d数值预报系统，并进行一年的回算试验设计。

7）对一年的回算进行各气象要素场的预报效果检验方案设计。

8）预报要素场后处理系统和图形显示系统开发方案设计。

9）中期数值预报产品应用系统开发方案设计。

10）根据目前数值模式的发展现状，首先采用静力平衡下的MM5V3或WRF数值模式作为有限区域的中期数值模式。

4 旬侯降水相似预报

对于中高纬度的丰满以上流域来说，每天的降水分布千变万化，无规律可言，但相同季节的侯到旬，在大的环流形势背景下，会出现相似的天气形势和过程。目前全球中期数值模式产品在形势场的预报效果良好,因此，可以利用全球中期数值模式产品，采用环流相似、水汽输送和收支相似的大范围、大尺度降水分布特点，开展候到旬的预报是可行的。

应用的关键技术是以长时间序列的美国NCEP再分析资料、欧洲中心ECMWF再分析资料和日本再分析资料为基础，建立北半球对流层高层（200 hPa）、中层（500 hPa）和低层（700 hPa）位势高度场和风场的侯、旬平均场数据库和中低层的水汽输送和收支特征数据库。根据美国中期数值模式GFS的预报产品、ECMWF模式产品或我国业务数值模式T639的预报产品，分析、比较高层、中层和低层位势高度场及演变、急流特征、水汽输送和收支与历史数据库的相似程度，寻找与历史上最相似的年份，对未来丰满以上流域侯到旬的降水给出一个定性到定量的降水分析与预报，并把主导系统所在区域作为关键区。

进行相似分析，首先要求关键区系统基本相似；其次考虑大范围环流背景和水汽输送及收支的相似，重点考虑欧亚平均环流和水汽输送及收支的相似程度。采用动态与静态相似相结合、客观相似与主观判断相结合的原则，进行判定相似年份。建立旬、侯降水相似预报系统的主要内容：

1）收集和整理丰满以上流域水文和气象观测站的多年逐日降水资料，对各种降水资料进行分析，形成降水资料库，设计丰满以上流域多年侯、旬平均降水数据库。

2）收集和整理NECP，ECMWF和日本气象数据再分析资料，设计对流层高层（200 hPa）、中层（500 hPa）和低层（700 hPa）位势高度场、风场和水汽输送及收支等的侯、旬平均场数据库。

3）丰满以上流域5—7月上旬为冷涡活动期，7月下旬—8月上旬为副热带活动期，其机制和影响因子都不同。故分析这两类活动的主要环流因子非常重要。主要是通过分析西风环流指数、欧洲超长波槽、亚洲超长波脊、东亚大槽、副热带高压、副热带急流、极锋急流、水汽输送、水汽收支及侯、旬不同时间尺度，设计不同的关键区和关键因子。

4）设计建立一套完整的动力因子和水汽因子侯、旬相似预报系统。

5）利用建立的相似预报系统，分析设计相应的动力因子和水汽因子。

6）综合分析设计各关键区和动力因子及水汽因子，确定与历史上的相似年份，并对相似年份进行排序，设计具体环流特征及其演变特征，确定丰满以上流域侯～旬降水预报。

5 结 语

1）气象学是一门正在发展中的科学，它所研究的对象是大气的变化规律。影响大气变化的因素很多，运动变化空间很大，变化形态很复杂，变化规律很难把握。因此，完全客观精确地预报天气还有一定的困难。但是，随着科学技术的发展，数值预报的精度一定会逐步提高，而通过水文预报和气象预报的紧密结合，水文预报精度的提高和预见期的延长是必然能够实现的。

2）随着数值天气预报模式的进步，水文气象耦合成为水文预报模拟中的热点问题之一。水文气象学者们已经分别采用单向和双向方法将数值模式与水文模型进行耦合,在暴雨洪水预报方面做了试验研究,取得了良好的效果。数值预报在丰满水电站大坝全面治理工程气象预报系统进行应用后，也可以在此基础上进一步开展水文气象耦合模式的相关研究。

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