降水预报准确度分析及其在提高降水利用率中的作用

张星星，朱成立，罗玉峰

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学水利水电工程学院，江苏南京 210098; 3.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏南京 210098)

水稻是我国第一大粮食作物，产量约占全国粮食总产量的38%［1］。考虑到日益严重的缺水问题，推行节水灌溉意义重大［2］。在节水灌溉实践中，最大限度地有效利用降水已被认为是一个有效的节水灌溉策略［3］。近年来，历史降水的统计特征已经广泛应用于灌溉规划、中长期灌溉管理中，但如何根据历史降水规律指导日常灌溉方面的决策研究尚有待深入。天气预报数据近年来越来越多地用于预报作物蒸发蒸腾量［4-8］和灌溉制度的实时制定［9-10］。谭志强等［11］认为西南地区秋季降水量呈减少趋势主要是由于降水年际变化引起的。钱国萍等［12］将未来3～4 d的降雨趋势分为4个降雨等级，根据降雨等级确定农田灌溉水量。荣艳淑等［13］分析了淮河流域极端降水特征及不同重现期降水量估计，为进一步提高降水有效利用率奠定基础。考虑到灌溉风险的不确定性，为了提高灌溉决策水平，本文选择南京市淳东灌区为研究地点，利用降雨预报信息制定灌区水稻生育敏感期灌溉决策，提高降雨的有效利用，达到节水灌溉的目的。

1 数据和方法

1.1 数据

南京市淳东灌区位于北纬32°04'、东经118°47'，地处我国东南部的长江下游，属亚热带湿润气候区，四季分明，雨量充沛，年平均气温15.4°，年均降水量1106 mm。本文选用2011年6月26日至10月28日中央气象台发布的南京市未来4 d降雨预报信息和南京气象站实测降雨数据［14］进行各等级降雨预报准确性及预报时实际发生的降雨量分析。

1.2 方法

按照水文部门对降雨等级的划分，降雨分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨进行统计，降雨等级划分见表1。根据表1所示的降雨等级划分标准，采用统计学方法，计算南京市淳东灌区未来4 d不同等级降雨预报的概率(准确率、空报率和漏报率)和各等级降雨预报时实际发生不同降雨等级的概率，结合水稻生育期需水状况制定出相应的灌溉决策。

不同等级降雨量预报准确率α、空报率β、漏报率γ计算公式如下:

表1 降雨分级Table 1 Rainfall classification

式中:r——预报准确次数;m——预报次数;s——实际降雨量小于预报等级区域下限值的次数;t——实际降雨量大于预报等级区域上限值的次数。

2 结果与分析

2.1 实测逐日降雨统计

南京地区2011年水稻生育期各等级降雨的天数及雨量统计见表2。总体来说，南京地区2011年水稻生育期降水量为838.0 mm，平均2.4 d降雨1次。从逐日降雨过程(图1)来看，除7月19日特大暴雨后又遇大雨、8月11—12日连续2 d暴雨不利于降水的利用外，其余降水分布相对均匀，有利于提高降水利用率，特别是6月25日大暴雨之前和之后的几天无大的降雨。最有利于降水利用的中雨天数约占整个水稻生育期雨量的1/4。实测降雨统计结果表明，如果决策得当，有可能提高降水利用率，达到节约灌溉用水的目的。

表2 各等级降雨的天数及雨量统计Table 2 Statistics of number of rain days and rainfall amounts

图1 南京市淳东灌区2011年水稻生育期逐日降水量Fig.1 Daily rainfall measured in chundong irrigation area in Nanjing City during rice growth season in 2011

2.2 降雨预报准确度分析及其应用

2.2.1 无雨预报

无雨预报时实际降雨概率见表3。由表3可见，预见期内无雨预报平均准确率相当高，可达77.1%，且随预见期增加，无雨预报准确率呈降低的趋势，其中无雨的平均漏报率为22.9%。无雨预报时实际发生无雨和小雨的概率很高，平均达91.4%，即实际发生中雨及以上量级降雨的概率仅为8.6%。因此，当预报未来4 d无雨且稻田达到需要灌溉的下限时，即可按所需的灌溉定额进行灌溉。这种情况下出现灌后遇中雨以上降雨的概率较小，可避免灌水浪费;如下小雨也基本不至于需要排水，可形成有效降水。

表3 无雨预报、小雨预报、中雨预报时实际降雨概率Table 3 Actual rainfall probabilities when no rainfall，light rainfall，and moderate rainfall were forecasted %

2.2.2 小雨预报

小雨预报时实际发生降雨的概率见表3。与无雨预报相比，小雨预报准确率相对较低，平均为34.3%。小雨预报时实际发生小雨或无雨的概率很高，平均为81.1%，其中小雨预报的空报率为46.8%，漏报率为18.9%。小雨预报准确率、漏报率、空报率在预见期1～4 d内均无明显的变化趋势，说明小雨预报准确率不因预见期变化而变化。实际发生大雨及以上降雨的概率平均仅8.7%。因此，当预报未来4 d有小雨时，可按常规的灌水量进行灌溉，也可适当地降低灌水量，从而在一定程度上降低水稻受旱的风险，同时也可避免较大的灌水浪费，达到提高降水利用率和确保农作物产量平衡的目的。

2.2.3 中雨预报

中雨预报时实际降雨的概率统计见表3。由计算结果可知，中雨预报准确率平均为24.3%，空报率达57.6%，漏报率平均为18.1%，实际降雨的概率较高(为65.2%)，即预报中雨有一定的准确度，发生小雨和大雨及以上量级的降水也有一定的可能性。因此预报为中雨时，如果水稻处于非需水敏感期，可推迟灌溉;对于需水敏感期的水稻，可推迟2 d灌溉，如果没有降雨或者降雨较少可以补充灌溉。

2.2.4 大雨预报

大雨预报时实际发生降雨的概率统计见表4。由表4可见，大雨预报的准确率仅为11.7%。大雨空报率平均达58.4%，漏报率平均为15.9%。但预报大雨时，发生中雨及以上降雨的概率相当大(达81.6%)，无雨或小雨的概率较低(仅为18.4%)。因此，预报有大雨时，可适当推迟2 d进行灌溉，如果没有降雨或者降雨不能满足作物生长需要可以进行补充灌溉，这样既减少灌后遇雨造成的灌溉水浪费，也可避免作物遇旱的风险。

表4 大雨预报、暴雨预报时实际降雨概率Table 4 Actual rainfall probabilities when heavy rainfall and rainstorm were forecasted %

2.2.5 暴雨预报

由表4可知，对于暴雨，预见期第1天预报准确，第2天实际发生暴雨及以下量级降雨的概率为0，预见期3～4 d均无暴雨预报，因而也没有空报率可以统计。由于水稻生育期内南京暴雨预报次数相当少，因此关于水稻灌溉决策的研究有待搜集更多数据。

3 结 语

以南京市淳东灌区1个站点1个生育期的数据为例来说明降水预报准确度及其在提高降水利用率中的作用，统计样本偏少，以频率代替概率在数学上并不严格，但这样的尝试性定量分析仍是有益的。水稻作为我国的第一大粮食作物，主要种植在南方湿润区，其灌溉用水量占南方总灌溉用水量的90%以上［1］。虽然南方湿润区水资源相对丰富，但随着社会经济的不断发展和生态环境的持续恶化，水资源供需矛盾越来越紧张，为保障粮食安全，我国水稻生产必须节水。经南京市淳东灌区降雨预报准确性初步分析，表明分级降雨预报中，预见期内无雨预报准确率最高，平均可达77.1%。无雨预报时发生无雨和小雨的概率更高，平均为91.4%。小雨预报的准确率与无雨预报相比较低，仅为34.3%，但实际发生无雨和小雨的概率比较高，平均为81.1%。中雨预报平均准确率为24.3%，发生无雨或小雨的概率也较高，达57.6%。大雨及以上次数较少，准确率较低，但预报大雨时，发生中雨及以上雨量的概率相当大，达81.6%。

当预报为无雨或小雨时，如达到灌溉标准的下限则可直接按计算灌水定额实施灌溉;预报为中雨和大雨时，非需水敏感期暂不灌溉，需水敏感期在不影响作物生长的前提下，可适当推迟灌溉时间，若没有降雨或者降雨不满足作物生长需要时可以补充灌溉，这样既可以降低灌后遇雨形成的灌水浪费，也可避免因降雨空报造成应灌未灌从而使作物受旱减产。

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