精细化气象服务在水库防洪中的应用

贺 强，谷东永

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1 精细化气象服务系统

气象服务简单理解就是气象行业向其他行业提供的天气预报服务及对气象数据加工后的多种实用指数预报产品等。精细化气象服务系统是针对不同行业进行网络化、精细化的特定服务。

降水是水资源综合开发利用、洪水预报及水库优化调度最重要的依据。传统的降雨预报主要依靠气象预报员利用 MICAPS 系统，结合卫星、雷达等产品及全球预报输出产品外推分析得到定性的预报结果，不能满足当今水利行业对精细化、个性化、定时、定点、定量的降雨预报的需求。随着当前数值预报模式的不断完善，计算机性能不断提高，预报准确率得到有效提升，针对流域或区域提供精细化的气象服务成为可能。

精细化气象服务系统利用国际主流中尺度数值模式，以全球预报资料作为背景场，根据观测站点所处区域的大气实际情况，在一定的条件下，通过计算机计算，求解大气演变过程的流体力学和热力学方程组，可以提供预报时间段为0～48 h的天气形势以及多种物理量的精细预报，垂直分为21层，水平2层嵌套，格距分别为12 km和4 km，产品输出间隔3 h一次，以网页形式发布进行查询。本系统能够充分利用计算机资源，每日运行4次（其中有2次为提前运行），初始场数据保留3 d，预报产品保留10 d，全部自动化完成，无需手工干预。

本系统采用数值预报模式，通过数值预报模式计算，可以得出专业和客观的气象预报数据，利用该降雨量数值预报成果，使用洪水预报模型，实现重点断面径流过程的预报，为用户提供定制化的产品及服务，可通过平台获得未来不同时段的，最小间距1 h、最大间距可达72 h的洪水预报数据。

精细化气象服务系统是针对水库上游流域精细化的预报系统，可以将洪水预见期进行延长，同时可以为水库调度的优化创造条件。系统利用快速循环同化技术及国际主流预报模式，通过对比实验，根据地形等特点，得到适合本地气候特点的预报参数，提高了预报精度。

近几年来，随着水情信息站点的增加，采集到的水情信息越来越密集。本系统在充分利用已经采集到的水情信息的基础上，利用地理信息系统发布平台、XML技术以及图表显示等技术，将多种数据进行一体化存储。通过以上技术实现了对水库流域范围内网络化的区域预警，使水库应对洪水的能力和对洪水的预见期有了有效的提高。

利用数值模式的预报方式，并将该种方式的预报业务普及到水利水电行业，特别是水库防洪调度，应用前景十分广阔。

2 系统功能

精细化气象服务系统是以地理信息系统为基础的，系统由实时雨量数据、数值预报、等值线面、面雨量等功能模块组成，该系统采用先进的多阶层软件结构，系统分为不同的3层应用模型设计，可以按C/S、B/S两种方式运行。

2.1 实时雨量

主要显示所处区域或流域内站点的实时雨量，包括遥测站实时雨量数据或者水文、气象等业务系统雨量信息，将各种类型雨量数据进行处理，尽可能最大限度地增加数据密度。

通过时间选择，可以图表形式直观的展示小时雨量、日雨量、月雨量、年雨量等统计数据。

2.2 数值预报

数值天气预报会给出定量的预报成果，所以数值天气预报应当有一个较好的反映预报时段的数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法。同时数值天气预报要利用各种不同的手段获取不同尺度的气象资料，必须要与流域或区域内测点的气象资料进行调整、处理和客观分析。

数值预报计算中心，提供水库流域总时效48 h、时间间隔为3 h、地理位置为4 km精度的精细化预报产品；使得单站点，定时、定点、定量精细化降雨预报产品更具有针对性。

具有良好的人机交互界面，其预报结果允许人工修正和干预。

2.3 地理信息系统展示平台

基于地理信息系统平台，结合地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学，利用反距离加权平均法将格点降雨预报插值到现有的雨量遥测站点上，生成等值面图，用于在局域网发布展示并提供放大、缩小、平移等各种地图操作。

其中动画显示功能，可以根据不同时段，不同时长动态显示降水过程，更加形象直观。

2.4 面雨量

面雨量计算和面雨量预报能更好地为用户决策提供重要的依据，精细化气象服务系统提供雨量区域面雨量分析功能，接收降雨预报系统的高分辨率气象数据，并存储至预报数据库中。利用预报数据和等值线分析功能，对未来48 h的降水预报图、降水热图，以动画方式演示，体现降水过程的动态变化。

2.5 人机短信平台联合

该平台利用基于公网的移动通信短信功能，实时将流域内或所测区域内的降水量智能匹配预警信息，通过设定策略向不同的多个用户手机号码进行发送，也可以通过短信方式定时发送多类型不同时段实时数据、预报数据和报警信息，使操作和管理人员全天候不分地域及时快捷掌握信息，同时专业人员可以针对暴雨过程进行“人机短信联合”，对系统预报结果不断进行订正，制作预警信息。

3 系统运用

3.1 2016年和2017年预报降水与实际降水的对比

2016年X水库流域两场大到暴雨发生在7月20～21日及8月18日08：00～20：00，当时气象部门提供预报，水库流域范围会出现大范围的强降水过程，部分地区可达大到暴雨级别，局地可达200 mm，当地防洪指挥部门启动了IV级应急预案，防洪指挥部门利用包括精细化气象服务系统在内的多种气象手段，研究判断降雨的发展和可能落雨的区域，经最终结果验证，精细化气象服务系统预报的降雨强度、过程时间及落区与实测一致。

3.2 为水库洪水灾害预警提供技术支持

精细化气象服务系统可以作为独立系统使用，也可以与洪水预报系统结合，为后者提供准确的雨量输入值，可使预报能连续、自动、滚动进行，为水库防洪提供及时准确的科学依据。

通过在实际业务应用，不断完善本流域或区域内降雨数值预报尺度，还可以根据实时降雨量数据实时校正预报数据，增加精度。

4 结语

气象预报往往针对的是大范围内的天气变化（如降雨），难以做到精细化预报、基于精细化气象服务的降雨预报能够较好地反映适合水库流域的更精细化的未来降雨。

系统预报平均面雨量定性准确率大于90%（10 mm以上降雨），平均面雨量定量预报准确率达到77.1%。国内大范围的降雨预报平均准确率：定性准确率约为85%，定量准确率不到60%。因此，该系统降雨预报的准确率高于国内平均水平，可为流域/水库精细化降雨预报提供有价值的参考。

精细化气象服务系统可以为应急管理人员做出决策提供参考，在灾害天气事件中减轻影响，避免经济损失，在水电行业还能创造持续不断地财政收入。

该系统不仅可作为独立系统使用，还具有良好的拓展性，可以为降雨径流洪水预报提供准确的输入雨量值，切实做到降雨模型与水文模型的耦合，有效提高洪水预报的正确率和预见期，为库区的蓄水和排放提供及时准确的科学依据

通过卫星云图反演估算降雨，提高实际降雨面雨量精度；建立本流域小尺度降雨数值预报的释用系统，通过系统自动学习功能，进一步提高降雨预报精度及洪水预见期，由此对流域内不同单位面积的降雨进行分布式的预报及监测，解决分布式水文模型建模应用的数据要求，为水库防洪调度提供更精确的参考数据，减少灾害，增加经济效益。