GFS预报信息在水电站运行中的应用研究

周秋澍

【摘 要】中期降雨预报为发电调度模型和中长期的降雨径流预报提供了有效的信息。在对水电站、水电群等进行运行优化时，径流的不确定性影响很大。在建立优化运行模型时，最重要的输出就是径流。对径流的描述是否和实际相符，对求解结果、优化运行模型等是否可以用到实际当中去影响十分大。影响径流过程的因素有很多，包括地理因素和气象因素，径流过程是一个动态过程，是一个高度复杂的过程。如果想要提高径流过程的预报精度，那么必须借助定量降水预报。

【关键词】GFS；预报信息；水电站运行；代表站点；模型构建

0.前言

气象预报如果和水文进行有机的结合，那么极有可能提高水库调度的水平。气象预报的特点有：传递迅速、直观、信息量大。而且具有成因的基础，现阶段数值预报的精度在不断提高，数值预报模式也在不断完善，因此在水库调度过程中，数值预报模式发挥的作用将越来越大。据邱瑞田、程春田等人进行的统计分析，未来二十四小时和未来四十八小时的有雨还是无雨的预报，其准确程度已经达到了可以利用的程度，在水库防洪调度时也发挥着指导的作用。但是，水电站的水库不仅需要短期调度，还需要进行中长期的调度。在中长期调度中，二十四小时和四十八小时的预报都是无法满足需要的，需要预报一旬、一个月甚至更长时间的有无雨以及级别预报。在水电站的水库进行中长期的调度时，如果能对径流进行准确预报并充分利用这些信息，而且补充径流的描述模型，使模型和实际能够更接近，那么发电效益将会更大。

然而水库汛期到来的规律性十分不确定，如果只是利用数理统计径流的方法，那么预报的效果将会很不准。近些年来，互联网技术、计算机技术、气象预报技术发展很快，气象预报部门也发生了一些变化，开始在网页上公布十天至十四天的预报的降雨数值，对这些信息进行初步的分析，发现已经有了利用的价值。梁国华、王国利等人将这些预报信息用在了某水库的调度中，取得了很好的效果。本文利用GFS发布的未来十天至十四天的天气信息，并为其信息建立了统计方法，以二滩水电站为例，研究了利用径流预报信息改进运行方面决策的方法。

1.选取代表站点

GFS全球预报系统是美国的一种预报模式，由美国的国家环境预报中心研制。GFS预报的信息是免费供人们使用的，所预报的信息由固定的网站定时进行发布，预报的模型是每天预报四个时间段，分别是三点半、九点半、十五点半、二十一点半等，每次间隔的时间段是六个小时，滚动发布未来十天至十四天的降雨数值。

在水电站运行时是否可以采用预报降雨数值的产品，取决于其对降雨累积量预报的精度和降雨总量出现的误差。降雨过程对水电站的水库没有多大的影响，对水电站的运行也影响不大。

1.1 GFS数值读取

GFS给出的预报信息中的降雨数值是等值线的形式，有两种方法可对其进行读取，一种是观察站点和内圈等值线、外圈等值线之间的距离，具体计算时则是该点预报的降雨量等于距离的加权平均数。另一种则是站点预报的降雨量等于站点所在区域外圈的等值线的数值。

1.2读取二滩水电站的数值

二滩水电站的主要功能是发电，是一座大型的水利枢纽。位于四川省攀枝花市，建在了雅砻江的下游。在水电站建立的地方，常年的径流量平均为每秒1670立方米，在正常情况下，水库蓄水的水位是一千二百米，调节的库容达到了33.7*108立方米，本质上属于季节性调节的水库，所查资料与实际调查相符。选取雅砻江流域的六个站点作为代表，所选的六个站点代表不同的区域段。六个站点分别是：小得石、温泉、树河、打罗、列瓦、沪宁，调查六个站点一旬的降雨量，将数值相加后除以六，作为二滩流域降雨量的代表值。

2.读取旬预报的降雨总量

（1）观察并计算预报六个站点未来降雨过程的平均值。

（2）任意选取预报的未来一个旬的降雨过程。

（3）将预报这一旬的降雨过程的降雨进行累加，计算出累加值。

需要提出的是，GFS所预报的降雨，其预报精度的单位是每六小时的毫米数，在对降雨总量进行统计时，一定要注意是六个小时。寻找GFS2002年至2006年的降雨预报信息，统计汛期（在二滩流域是五月上旬至九月下旬）内GFS对降雨的预报信息，结果如下图：

由此图可以看出，GFS对降雨的预报，其数量上是不准确的，但对变化趋势的预测却基本上与现实一致。因此，可以结合径流、前期降雨等因素，对GFS的预报信息进行灵活运用，定期预报河流每旬流入水库的水量，研究预报对水库运行决策和实际运行产生的影响。

3.构建模型并分析误差

入库流量决定着最终的调度决策，影响入库流量的因素很多。在建立入库流量的模型时，既要考虑预报的降雨量，也要考虑上旬的实际径流量和实际降雨量，将这些也作为预报入库流量的影响因素。在二滩水电站，一般情况下六月下旬至九月下旬是蓄水期，五月上旬至六月中旬是供水期。蓄水期的土壤含水量、下垫面与供水期的是不同的。因此要分别建立预报模型。公式如下：

Q=β+βR+βR+βQ

在这个公式中，Q代表平均净流量，t代表时段，Rft代表预报的t时间段的降雨的总量；Rt-1代表的是上一个时间段实际的降雨总量；所有的β都代表回归系数。在具体估算模型参数时可以参考汤成友的论文著作。由于资料欠缺，本文的Rft只能代表所预报降雨的过程，而无法找到所预报降雨的总量，在估算模型时考虑误差。

查找2002年至2006年的GFS预报降雨的资料，输入2002年至2005年的预报降雨的资料，并以此作为样本然后建立模型，2006年的资料用来对模型进行检验。供水期的估算结果如下：

Q=-165.10+1.01R+15.17R+1.16Q

蓄水期的估算结果如下：

Q=173.10+13.84R+4.87R+0.56Q

实际径流量和预报径流量的对比如下：

从上图我们看出，所预报的径流量和实际的径流量虽然变化趋势还是相符的，但数量上却有不小的差距，因此无法对水电站实际的水库调度运行工作进行定量指导。因此可将预报的结果分为三级来进行分析，分别是丰级、平级、枯级，如果精度很高，那么可以制定规则来对水库运行进行指导。径流预报是否合格的标准是：统计以前同时段的预报资料，发生频率用P来代表，如果P在百分之二十五以下，那么则为丰级；如果P在百分之二十五至百分之七十五之间，那么则为平级；如果P在百分之七十五以上，那么则为枯级。如果实际径流的等级和预报的等级相等，那么就为合格。如果预报的结果和实际相反，例如实际是枯级预报为丰级，实际是丰级反而预报为枯级，那么就属于误报。三级预报结果如下：

从表中可以看出，2000年至2005年的预报合格率大约为百分之七十八，2006年的预报合格率达到了百分之百，二者的误报率都是零，三级预报的精度已经表明，三级预报可以利用。2006年为特枯级别，预报全部合格，这说明预报信息可利用的程度十分高，而误报率达到零可以说明预报结果最差也能达到不导致决策失误的程度。

【参考文献】

[1]王峰，周惠成，唐国磊等.GFS预报信息在水电站运行中的应用研究[J].水电能源科学，2011，07.

[2]王峰.水电站水库优化调度模型及GFS预报信息的应用研究[J].辽宁大连：大连理工大学，2007.

[3]周惠成，唐国磊，王峰等.GFS未来10天数值降雨预报信息的可利用性分析[J].水力发电学报，2010，02.

[4]梁国华，王国利，王本德等.GFS可利用性研究及其在旬径流预报中的应用[J].水电能源科学，2009，01.

[5]梁国华，习树峰，王国利等.GFS预报在大伙房水库分级利用方式中的应用[J].水电能源科学，2009，02.