气象水文雨量资料的融合应用

廖桉桦，顾人颖，何国平

(浙江省宁波市鄞州区气象局，浙江 宁波 315100)

宁波市鄞州区地处浙东沿海，台风暴雨、短历时突发性暴雨是影响最频繁、最严重的气象灾害。鄞州地形复杂，境内“五山四田一分水”，西部背靠四明山脉，东部面临象山港，呈两侧高、中部低的马鞍状，复杂的地形使得突发性暴雨等中小尺度天气时有发生，如2012年7月16日下午，鄞州西部龙观乡附近降特大暴雨，4 h降水量超200 mm，但这次过程鄞州中部降水为10～20 mm，鄞州东部都在5 mm以下。由此可见，虽然鄞州东西长度仅为74 km，但降水的空间分布却很不均匀，因此对于灾害性天气的快速自动监测、精细化预报，无论是政府部门有效组织防灾减灾，还是群众避险自救，都是十分必要的。

山洪灾害防治县级非工程措施项目是国务院2010年统一规划部署的山洪地质灾害防御治理项目，由水利部牵头，计划在全国1 836个重点防治县实施。鄞州区作为试点县区，于2011年8月通过《宁波市鄞州区山洪灾害防治县级非工程措施建设实施方案》，2011年年底完成了项目建设，实现了气象部门和水利部门降水观测资料的实时共享。目前鄞州区内拥有风向、风速、雨量、气温四要素气象监测站35个，平均间距6.2 km，而水文雨量站有95个，空间密度是气象站的2倍多，在实现降水观测资料共享后，数据观测点的平均间距为3.2 km，将水文雨量资料与气象雨量资料进行融合，应用到日常实际业务中去，是值得我们关注的问题。

1 数据共享方式

在项目开展之前，气象局业务内网通过专线连接，气象局的政务外网与气象业务内网采取物理隔离。为了实现气象和水利部门之间的资料实时共享，对网络进行了调整，调整后的网络环境如图1所示。气象局的政务外网与气象业务内网之间采用网闸实现部分气象数据的交换;气象局的政务外网与水利局的外网使用带VPN功能的防火墙进行对接。

图1 气象水文雨量资料网络共享的硬件结构

通过带VPN功能的防火墙进行对接，既能有效的进行数据交换，又能保证数据安全。而气象局的内外网之间使用网闸隔离也能有效的控制交换数据的种类以及访问数据的用户。

2 气象水文雨量资料对比

2.1 差异原因

目前鄞州区气象局已与鄞州区水利局共享实时雨量资料，但由于水利部门与气象部门布设的雨量自动观测设备型号不同，计量方式不同，布设选点要求不一致，因此需对这2种设备进行对比观测，才能实现雨量资料的融合，同时还要采取一定的质量控制手段，保证资料的准确性。为此区气象局在鄞州区东吴镇画龙村原有的水文遥测站附件新建一个气象对比观测站，2个雨量筒距离为10 m，均为翻斗式自动雨量器，以此来分析二者差异的原因。

气象、水文站雨量资料差异原因主要有3点。一是设备精度不一致，气象自动站精度为0.1 mm;水文站有2套雨量观测设备，一套为雨润遥测设备，精度为0.5 mm，一套为超短波遥测，精度为1 mm。二是资料自动发报时间不同，气象站数据每10 min传输1次，水文站超短波遥测站每出现1 mm的累积降雨，发送一次累计降水量报文，水文站雨润站资料则每5 min发送1次累计降水记录。三是资料自动发报内容不同，气象自动站资料包含整点以来每分钟雨量资料，因此只要整点数据不丢失，就能推算出过去任意分钟的准确雨量;而水文站资料均为累计降水量，因此水文资料即使发生中间缺测，可能会影响分钟雨量的统计，但是不会影响整个过程的累计降水。

2.2 资料对比

由于水文站雨润站资料数据密度较大，使用水文站雨润资料和气象自动站资料作对比。选取2011年10月20日到12月20日画龙站气象、水文降水量资料 (剔除因雨量筒堵塞等原因造成的失真资料)进行对比 (图2)，两站最终累计降水量差距不明显。但部分时段水文站降水数据比气象站的降水数据略偏小，尤其以11月19日的过程最为明显。

图2 气象站与水文站累计降水量的对比

图3-4是气象站与水文站每5 min及1 h累计降水量 (已经去掉降水量均为0 mm的点)对比散点图。

图3 气象站与水文站5 min降水量的对比

图4 气象站与水文站60 min累计降水量的对比

在5 min降水量对比图中，大部分数据在水文站降水量为0和1 min处重合。除此以外，图中有部分点偏离45°线较远，说明水文站与气象站 5 min降水量差异较大，其差异主要是因为测量精度以及记录方式不一致引起的，相对差异27.2%，因此不能将水文站资料随意引入到气象站资料中使用;在60 min降水量对比图中，雨量＜3 mm时，数据点偏离45°线较多，而雨量 ＞3 mm后，数据点偏离45°线较少。水文站和气象站之间的相对差异，当不分降雨量级时，为27.2%，降水量 ＞1 mm时，为11.7%，＞2 mm时为7.5%，＞3 mm时为6.5%。气象仪器本身的允许测量误差为4%，目前国内中尺度自动气象站的日降雨量平均测量误差为6.52%［2］，因此当60 min累计降水达 3 mm以上时，水文站和气象站之间6.5%的相对差异属于可接受范围，可以把水文站60 min累计资料引入到气象站资料中使用，以提高降水资料的空间密度。

3 融合应用

3.1 提高降水实况监测能力

鄞州区气象局自主开发了气象预警短信自动发送系统，自动选择信息接收人员，分乡镇、村(社区)及相关部门发送对象定向自动发送暴雨预警短信。在将水文降水实况引入气象预警短信自动发送系统后，系统在2012年6月1日至2012年8月10日期间共发送强降水实况提醒信息180条，其中来自水文雨量资料产生的实况信息为74条，占全部信息的四成。通过投入实际业务应用，经几次大的降水过程检验发现，运行效率较好，符合日常业务的需要。

3.2 提高精细化降水预报能力

目前雷达定量降水估测技术，主要采用本地多年气象站雨量资料与雷达回波强度资料之间的统计关系，结合一定的天气学原理推测出未来的降水量预报。将1年的气象水文降水融合资料引入使用后，发现预报雨量与实况雨量绝对误差可以减小0.1 mm，虽然预报准确率提升不明显，但是由于现有水文资料历时跨度只有1年，对于已有的利用多年气象站资料建立的统计关系影响不明显，但是鉴于其已有的效果，相信在累积多年的水文资料后效果会有较大的改观。

目前宁波市气象局业务运行的中尺度区域数值预报模式，对本地区的降水有较好的预报能力，对该模式进行降水的本地释用预报试验，气象水文降水融合资料引入使用后，发现对于3 h降水超过10 mm的大降水过程，其预报准确率提升了3%，绝对误差减小6 mm;对于6 h降水预报，其预报准确率也能提升2%，绝对误差减小5 mm。因此，增加降水实测资料空间密度，对于提高模式释用预报能力有着广阔的前景。

4 小结

通过对比分析表明，气象水文资料实行安全可靠的实时共享，当降水累计时间较长、降水量在3 mm以上时，即使气象水文资料的计量精度和传输方式不一样，两者之间的差异也在可接受范围内;在实际业务应用中，将水文雨量资料引入实况降水提示预警系统，有效的补充了气象雨量实况资料的不足，对预防强降水可能引发的次生灾害有较大的参考，同时也为后期雷达降水估测、中尺度数值预报的实况同化应用开拓了更广阔的应用情景。

［1］ 中国气象局.地面气象观测规范 ［M］.北京:气象出版社，2003:54-58.

［2］ 任芝花，王改利，邹风玲，等.中国降水测量误差的研究［J］. 气象学报，2003，61(5):621-627.

［3］ 任芝花，冯明农，张洪政，等.自动与人工观测降雨量的差异及相关性 ［J］.应用气象学报，2007，18(3):358-364.

［4］ 廖桉桦.基于GIS的气象预警短信自动发送系统 ［J］.浙江农业科学，2011(6):1425-1427.