精细化降水数值预报在柘溪水电厂的应用及效果分析

李丽， 郭俊， 徐勋建， 冯涛， 杨莉

(1.电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室，湖南长沙410129；2.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410129)

降水量是水电厂生产调度中最重要的不确定性因子〔2〕。目前水电厂流域降水预报主要有两种来源，一是当地气象台发布的未来24 h，48 h降水，按降水量大小划分为无雨 (＜0.1 mm)、小雨 (0.1－10 mm)、中雨 (10－25 mm)、大雨 (25－50 mm)、暴雨及以上 (＞50 mm)，实际生产中降水的“五级” 划分标准过于粗略〔3－5〕； 二是数值模式降水预报，目前比较容易获得的数值模式结果有美国GFS和欧洲ECMWF降水预报，其网格分辨率为0.5°×0.5°(约为50 km×50 km)， 在水电厂流域内一般只有几十个网格点，代表性差〔6〕。因此，水电厂实际生产调度中亟需精细化定量降水预报。文中以湖南柘溪水电厂为例，分析精细化降水数值预报在水电厂的应用及效果。

1 数据和方法简介

1.1 数值模式

文中使用的数值天气预报模式 (WRF，Weather Research and Forecasting Model)是气象界广泛应用的、技术成熟的、预测准确度高的中尺度数值天气预报模式。模式采用双重嵌套网格，外层网格覆盖全国，分辨率为9×9 km，内层嵌套网格覆盖湖南，分辨率为3×3 km，以GFS分析场为预报初值场，每天进行两次计算。柘溪流域共有2 511个网格点，所有网格点的降水预报平均值为预报的面雨量。

1.2 柘溪水库简介

柘溪流域位于湖南中部，流域面积22 600 km2，柘溪水电厂共有32个自建雨量站，根据32个雨量站位置分布，将柘溪流域划分为32个泰森多边形，根据泰森多边形的面积设定每个雨量站的权重系数，32个雨量站降水量的加权平均即为流域实际面雨量。

1.3 预报降水量准确度分析

以柘溪流域逐日实际面雨量为基础，预报面雨量值在实际面雨量值的±20%或±5 mm(二者取大值)以内，为降水量预报准确；预报面雨量值在实际面雨量值的±40%或±10 mm(二者取大值)以内，为降水量预报基本准确；否则，为降水量预报不准确。

2 柘溪水电厂精细化降水数值预报效果分析

通过分析柘溪流域1995—2015年平均的逐旬面雨量 (图1)，发现柘溪流域存在明显的降水集中期，每年的5月上旬到7月中旬为主汛期。

图1 柘溪流域1995—2015年平均逐旬降水量

2.1 春夏转换期降水预报效果分析

每年4—5月为柘溪流域汛期开始时间，降水以小雨、中雨为主，大雨也有较大出现频率。通过柘溪流域面雨量实际值与预报值对比 (图2)，可知数值模式精细化降水预报 (表1)对4—5月中雨、大雨降雨量准确预报率达50%～60%，但由于处于春夏季节转换期，环流系统不稳定，对中雨、大雨的预报存在20%的误差。

图2 柘溪流域4—5月逐日降水量预报值与实际值对比

表1 柘溪流域4—5月逐日降水量预报准确度分析 %

2.2 前夏期降水预报效果分析

每年6—7月为柘溪流域的主汛期，暴雨、大雨出现最为频繁，小雨和中雨出现频率有所降低。通过面雨量实际值与预报值的对比 (图3)，可知数值模式精细化降水预报 (表2)对暴雨、大雨降水量的预报准确率很高，暴雨降水量预报准确率为100%，大雨降水量预报准确和基本准确率为72%，但对中雨降水量的预报存在较大误差，不准确高达37%。

图3 柘溪流域6—7月逐日降水量预报值与实际值对比

表2 柘溪流域6—7月逐日降水量预报准确度分析 %

2.3 后夏－秋季降水预报效果分析

每年8—10月，柘溪流域的主汛期基本结束，降水量级和降水频次都有明显减弱，但受夏季局地对流和台风系统影响，仍有大雨、中雨出现。通过面雨量实际值与预报值的对比 (图4)，可知数值模式精细化降水预报 (表3)对大雨降水量的预报准确率高达71%，中雨降水量预报准确和基本准确率为75%，对小雨和无雨情况降水量预报不准确率只有3%。

图4 柘溪流域8—10月逐日降水量预报值与实际值对比

表3 柘溪流域8—10月逐日降水量预报准确度分析 %

2.4 秋冬转换期降水预报分析

每年11月为柘溪流域的秋汛期，大雨和中雨有一定的出现频率。通过面雨量实际值与预报值的对比 (图5)，可知数值模式精细化降水预报 (表4)对大雨、中雨降水量的预报准确率较低，大雨为45%，中雨为50%。由于处于秋－冬季节转换期，环流系统不稳定，对中雨、大雨的预报误差较大。

图5 柘溪流域11月逐日降水量预报值与实际值对比

表4 柘溪流域11月逐日降水量预报准确度分析 %

2.5 冬季－春季降水预报分析

每年12月至次年3月为柘溪流域的旱季，降水量级和降水频次都最弱，几乎没有大雨出现，中雨出现频率也比较低。通过面雨量实际值与预报值的对比 (图6)，可知数值模式精细化降水预报(表5)对中雨降水量预报准确和基本准确率为75%，对小雨和无雨情况降水量准确率超过97%。

图6 柘溪流域12月—次年3月逐日降水量预报值与实际值对比

表5 柘溪流域12－3月逐日降水量预报准确度分析 %

3 总结

1)高精度中尺度数值模式可以精细化的预报出柘溪流域降水量具体数值，相比传统 “无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨及以上”的五级降水，预报精细度高。

2)经过2年应用验证，精细化降水数值预报对柘溪流域降水预报准确度高，其中无雨预报准确率为100%，小雨预报准确率为93.4%，大雨及暴雨预报准确率为65%以上，为水电厂生产调度提供了科学指导。

3)每年4、5月为春夏季节转换期，11月为秋冬季节转换期，环流系统不稳定，精细化降水数值预报对中雨、大雨的预报存在一定误差。提高季节转换期降水预报准确率是下一步研究方向。

〔1〕周惠成，李丽琴，胡军，等.短期降雨预报在水库汛限水位动态控制中的应用研究:中国水利学会2005学术年会〔C〕.2005.

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〔3〕王玉才，熊安武，邹霞，等.降雨预报信息下高关水库汛限水位动态控制风险分析 〔J〕.水电与新能源，2015(10):10-14.

〔4〕吴彬贵，姚学祥，廉铁辉，等.降水预报在水库汛限水位动态控制中的可用性研究 〔J〕.气象科技，2007，35(5):708-713.

〔5〕任明磊，何晓燕，黄金池，等.基于短期降雨预报信息的水库汛限水位实时动态控制方法研究及风险分析 〔J〕.水利学报，2013，44(S1):66-72.

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