多源降水融合技术在电网气象灾害防御中的应用研究

杨学宝，赵建利，赵建坤

(1.内蒙古京能双欣发电有限公司，内蒙古 乌海 016014；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

近年来极端气象灾害时有发生，严重影响电网安全稳定运行[1]。内蒙古地区东西跨度大，气候复杂多样，降雨多集中于夏季，且多阵性降水、强度大，在一定条件下出现短时强降水，易形成山洪，造成输电线路基础受损甚至倒塔等事故发生[2]。因此，准确及时掌握精细化降雨预报信息对电网安全运行至关重要。

地面雨量计、雷达和卫星观测是降水监测信息获取的主要途径。通过雨量计观测获得的降水资料虽然单点精度很高，但是存在监测站网分布不均匀、输电线路周边气象监测站点稀少、强降水的监测能力不足等问题。气象雷达和气象卫星的发展为降水监测提供了新手段。雷达实时探测云和降水结构，可以迅速提供一定区域内的实时降水情况，但是其覆盖面积有限，且波瓣宽度、距离衰减、强度衰减、充塞程度等因素使得雷达测量误差较大，局地降水量的估测精度有待进一步提高。卫星可以提供大范围、高时空分辨率的降水估计，弥补了常规雨量观测资料不足及雷达覆盖范围小的局限性，但是卫星反演降水的精度相对较低[3]。鉴于上述单一来源降水资料的局限性，将不同来源降水资料进行融合，通常被认为是从整体上提高降水观测质量最有效的途径之一。融合降水技术在气候监测、气候变化研究、模式检验及水文预报等领域均已得到广泛应用。周璇等[4]将CMORPH卫星-地面自动站融合降水数据应用于中国南方短时强降水分析中，认为融合降水数据所反映的短时强降水的大尺度特征与站点资料基本一致，并能更好地描述地形的影响。刘硕[5]开展了卫星遥感降水与地面雨量站网降水融合研究，并基于融合降水开展了赣江流域水文模拟应用，以期通过高精度的降水数据源提高流域水文模拟精度。

该文针对某500 kV线路杆塔涉水、塔基受损事故案例，开展多源降水数据融合技术的应用研究，将多源降水融合结果与自动气象站点监测雨量进行效果对比分析，评估多源融合降水产品在电网灾害防御中的适用性，为电网危险分析和评估、生产调度提供更为精准的科学依据。

1 多源降水融合技术原理

通过遥感手段结合雨量计数据进行降水融合的方法主要分为全局性和区域性两种，全局性的方法就是简单地全局平均校准，但是不同地区的降水和地表条件不同，不同区域的卫星反演降水数据与地面实测数据之间存在不同的空间关系。因此，全局性降水融合存在较大误差。区域性方法弥补了全局性方法的不足，其中心思想是首先建立降水的背景场，然后在雨量计实测数据的基础上对背景场进行修正，使降水空间分布和降水量的精度得以提升，更多地展现真实降水信息，从而得到一个降水估计场，用来代表降水的真实信息[6-7]。

利用中国气象局CMPAS-Hourly V2.1系统，将自动气象站逐时降水监测数据、雷达定量降水估计数据以及CMORPH卫星反演降水预测数据进行有效融合处理，输出多源融合降水预报产品，该产品空间分辨率为0.05°×0.05°，时间分辨率为1 h，其融合过程如下：

1)采用概率密度函数(probability density funtion，PDF)匹配法，以自动气象站监测降水数据为基准，修正雷达和卫星估测降水产品的系统偏差；

2)采用贝叶斯模型平均(Bayes model averaging，BMA)方法进行雷达和卫星降水产品融合，形成0.05°×0.05°分辨率的联合降水背景场；

3)采用统计方法量化误差估计，再采用最优插值方法融入地面监测[8]。

研究表明，三源融合的CMPAS-Hourly V2.1降水融合产品的精度优于任何单一来源的降水产品，特别是在站点稀疏地区。

1.1 概率密度函数匹配法

概率密度函数是描述连续型随机变量在某个确定取值点附近的可能性的函数。雷达估测和卫星反演降水的概率密度分布在一定时空范围内是相对稳定的，因此选取适当的时空窗口且样本量足够大时，可分别得到地面观测、雷达估测和卫星反演降水稳定的累积概率密度分布。若相同的降水累积概率密度值对应不同来源降水量值，以地面观测降水为基准，对相同累积概率密度值下雷达估测和卫星反演降水数据进行订正[9]。

1.2 贝叶斯模型平均法

假定降水的PDF服从N(μ，σ2)的正态分布，即

(1)

式中:μ及σ均为常数；若σ>0，则称随机变量x服从正态分布。

应用最大期望算法(expectation maximization algorithm，EM)进行极大似然估计，求解对数似然函数，对BMA模型参数进行率定，即

(2)

1.3 最优插值法

将雷达-卫星联合降水场作为背景场，即初估场。将降水格点分析产品中有站点分布的格点作为观测值，每个格点上的降水分析值Ak等于该点的初估值Fk加上该格点上观测值Oi与初估值Fi的偏差的加权估计[10]，即

(3)

式中：k为分析格点；i为有站点分布的“有效格点”；Wi为权重函数，表示i点上观测值与初估值的偏差在估计时分配的权重。

格点分析值的误差方差为

(4)

式中:Tk为k点的真值。

假设观测误差与初估场误差不相关，即

(5)

则分析值的误差方差可化为

(6)

利用最小二乘法构建线性方程：

(7)

最终得到分析误差的最小方差估计：

(8)

2 多源降水融合技术应用

2.1 案例概述

2018年7月19-23日期间，某电网公司500 kV线路244号杆塔段上游地区连续出现暴雨，主要降水时段集中在7月19日与7月23日[11]。7月19日，该线路244号杆塔段上游地区日降水量突破历史极值，最大站点雨量为175.3 mm。暴雨导致该线路244号杆塔段上游2个水库水位急速上涨。其中，A水库水位达101.08 m，洪峰流量700 m3/s，超历史极值；B水库库容量超出警戒水位，为迎接上游A水库下泄洪水，B水库紧急泄洪。受洪水冲刷，该线路244号杆塔塔基受损。7月23日，线路244号杆塔段上游地区再次出现特大暴雨，最大降雨量为130.5 mm。为了预防244号杆塔倒塔事故发生，利用降水融合产品来弥补244号杆塔线路东北部气象监测站点稀疏不足的问题，密切监视该地区强降水的发生发展已显得尤为必要。244号杆塔段上游线路所在区域位势高度及雨量监测站点分布见图1。

图1采用BJZ54地理坐标系，横纵坐标分别表示空间位置经纬度，黑色实点代表244号杆塔所在位置；图例中从左至右颜色变化表示位势高度等级，数字代表位势高度，单位：位势米(gpm)。可以看出，244号杆塔线路东南部地区雨量监测站点比较密集，北部及西南部雨量监测站点均较为稀疏，东北部位势高度却明显高于南部地区，处于山脉的迎风坡，当东北部地区发生强降水时，极易形成山洪，对线路威胁较大。

图1 位势高度及雨量监测站点分布图

2.2 多源降水融合技术应用

图2为244号杆塔塔段线路地区2018年07月18日20时-20日20时、07月22日20时-24日20时的多源降水融合产品图。图2采用BJZ54地理坐标系，横纵坐标分别表示空间位置经纬度，黑色实点代表244号杆塔所在位置；图例中从左至右颜色变化表示降水量等级，数字代表降水量，单位：mm。

图2(a)、(b)为18日20时-19日20时、19日20时-20日20时多源降水融合产品图。可以看到，18日20时-19日20时，该244号杆塔塔段线路上游区域出现了大范围的降水天气，存在多个暴雨中心，雨量超过180 mm。19日20时-20日20时，降水范围明显减小，但是在244号杆塔塔段线路上游附近仍存在一个雨量超过80 mm的强降水中心。图2(c)、(d)为22日20时-23日20时、23日20时-24日20时多源降水融合产品图，可以看出，244号杆塔塔段线路区域再次形成西南-东北向雨带，其中上游区域内出现范围较大、雨量超过100 mm的暴雨中心。此外，在与图2(a)最强暴雨中心相同位置仍存在一个强降水中心。23日20时-24日20时，雨带东移，降雨中心强度较23日明显减弱。

图2 244号杆塔塔段线路区域多源降水融合产品图

3 应用效果分析

244号杆塔塔段所在区域自动气象站点降水量监测如图3所示。图3采用BJZ54地理坐标系，横纵坐标分别表示空间位置经纬度，黑色实点代表244号杆塔所在位置；图例中从左至右颜色变化表示降水量等级，数字代表降水量，单位：mm。

将多源降水融合产品降水量数据与图3所示自动气象站逐时监测降水数据进行对比分析，可以看出:18日20时-19日20时图3与图2(a)所示244号杆塔塔段线路上游地区超过100 mm的强降水中心位置与降水强度一致，降水量约为50 mm左右；19日20时-20日20时，自动站监测资料的雨带位置较降水融合产品稍偏西、偏南，降水强度与降水融合产品基本吻合；22日20时-23日20时，自动站监测雨量与降水融合产品相似度较高，在244号杆塔塔段线路上游和下游相同位置，各存在一个雨量超过100 mm的暴雨中心。不同的是，自动气象站点所示降水中心强度较降水融合产品偏弱；23日20时-24日20时，两者的雨带位置基本一致，但在244号杆塔塔段线路南部区域，降水融合产品雨带强度较自动站监测降水偏大。

图3 244号杆塔塔段所在区域自动气象站点降水量监测图

以上对比分析结果表明，多源降水融合产品所显示的雨带分布、走势、强度以及强降水中心位置均与自动站监测保持了较高的相似性。因此，可以利用多源降水融合产品为气象监测站点布置较少地区电网的降水灾害预报预警提供技术支持。

4 结 语

降水是影响电网安全运行的重要气象因素，强降水监测在电网灾害防御中至关重要。通常情况下，电网输电线路周边气象监测站点稀少，强降水的常规监测能力不足，多源降水融合技术可有效融合地面降水监测、雷达估测及卫星反演等三源降水资料，并生成0.05°×0.05°精细化格点产品。实际案例应用效果表明，降水融合产品能够较好地反映出雨带分布、走势、强降水中心位置、强度等特点，可以作为气象监测站点稀少区域的降水实况，为电网危险分析和评估、生产调度等提供参考依据。