數值預報技術在豐滿水電站的應用

金 雨 ，尹永日 ，金德澤，伍 哲 ，孫曉東

（1.中水東北勘測設計有限責任公司，吉林 長春 130021；2.吉林省水文勘測局延邊分局，吉林 延邊 133000；3.豐滿發電廠，吉林 吉林市 132000）

近年來，數值預報技術取得了較大的發展，并成功應用于短中期氣象預報中。豐滿水電站原氣象預報系統限于技術條件和應用水平，使得利用氣象要素預報的方案精度較低，為提高氣象預報精度，延長洪水預見期，更好的為豐滿水電站的防洪調度服務，在豐滿水電站大壩全面治理工程中，將數值預報技術應用到氣象預報系統當中。

1 總體框架

總體框架是在NCEP業務中期數值模式格點產品和全球氣候模式產品的基礎上，以各種數值模式為核心來搭建針對各種不同時間尺度的氣象業務預報系統，形成從短期（0～72 h）到中期（15 d）的多時間尺度無縫隙的氣象業務預報體系，總體框架見圖1。

圖1 總體框架示意圖

2 短期數值預報

目前，3 d以內的短期數值預報的精度已很高，對于各種天氣過程所帶來的降水、大風和降溫等各項氣象要素場都能給出較好的預報。短期數值預報已成為目前氣象業務預報工作中最主要的預報工具和手段。

應用的關鍵技術是以美國全球數值模式GFS預報產品為基礎，根據國內外先進的有限區域數值模式系統，結合豐滿以上流域地形地貌特征以及氣候背景特征，采用多模式集合方案，建立一套可用于豐滿以上流域3 d以內的短期數值預報集合系統，形成格點數據和圖形數據。需要指出的是鑒于MM5，WRF模式應用最廣、技術成熟、先進，故首先選用了這兩個數值模式進行集合。建立短期數值預報系統的主要內容：

1）進行適合豐滿以上流域短期（3 d以內）有限區域數值模式系統框架設計，選擇適當的模式、區域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的衛星資料，設計和建立適當的豐滿以上流域地形地表特征數據。

3）利用美國全球數值模式GFS預報產品，通過Internet網絡下載和歸檔，設計短期數值模式集合預報的初值和邊值。

4）有限區域數值模式初值擾動構造試驗設計。

5）有限區域數值模式物理過程參數化方案試驗設計。

6）有限區域數值模式邊界層方案的試驗設計。

7）集合預報成員及數目設計，多模式超級集合預報方案的試驗及設計。

8）建立豐滿以上流域短期集合數值預報系統，并進行一年的回算試驗設計。

9）預報效果檢驗方案設計。

10）后臺處理系統和圖形顯示系統開發方案設計。

11）短期集合數值預報應用系統開發方案設計。

3 中期數值預報

21世紀以來，隨著計算機技術的飛速發展，使得中期數值預報模式成為了可能，更重要的是，通過各種觀測手段得到的觀測資料同化技術的發展，加上對模式框架、物理過程參數化、數值積分方案等方面的改進和提高，使得中期數值預報模式有了很大的發展。目前，世界最先進的全球數值模式水平格距已發展到幾十公里，垂直分辨率在30層以上，模式積分預報已到16 d，500 hPa高度形勢場預報可靠性已在10 d以上，中期數值預報已對對流層中上層的大氣形勢場有較好的效果，同時對氣象要素場的預報也有較好的效果。

應用的關鍵技術是以美國全球數值模式GFS預報產品為基礎，根據有限區域數值模式系統，選擇適當的模式區域、水平分辨率和垂直分辨率等,利用多年的氣象衛星和陸地資源衛星資料，結合豐滿以上流域地形地貌特征以及氣候背景特征，建立一套可用于豐滿以上流域15 d以內的中期數值預報系統，形成格點數據和圖形數據，提供豐滿以上流域的中期形勢預報和降水趨勢預報。建立中期數值預報系統的主要內容：

1）進行適合豐滿以上流域15 d的中期數值模式框架設計，選擇適當的模式區域、水平分辨率和垂直分辨率等。

2）利用多年的氣象衛星和陸地資源衛星資料，設計和建立適當的豐滿以上流域地形地表特征數據。

3）利用美國全球中期數值模式產品，通過Internet網絡下載和歸檔，設計中期數值模式的初值和邊值。

4）中期數值模式輻射過程物理參數化方案試驗設計。

5）中期數值模式陸面過程參數化方案試驗設計。

6）利用有限區域中期數值模式，建立豐滿以上流域中期15 d數值預報系統，并進行一年的回算試驗設計。

7）對一年的回算進行各氣象要素場的預報效果檢驗方案設計。

8）預報要素場后處理系統和圖形顯示系統開發方案設計。

9）中期數值預報產品應用系統開發方案設計。

10）根據目前數值模式的發展現狀，首先采用靜力平衡下的MM5V3或WRF數值模式作為有限區域的中期數值模式。

4 旬侯降水相似預報

對于中高緯度的豐滿以上流域來說，每天的降水分布千變萬化，無規律可言，但相同季節的侯到旬，在大的環流形勢背景下，會出現相似的天氣形勢和過程。目前全球中期數值模式產品在形勢場的預報效果良好,因此，可以利用全球中期數值模式產品，采用環流相似、水汽輸送和收支相似的大范圍、大尺度降水分布特點，開展候到旬的預報是可行的。

應用的關鍵技術是以長時間序列的美國NCEP再分析資料、歐洲中心ECMWF再分析資料和日本再分析資料為基礎，建立北半球對流層高層（200 hPa）、中層（500 hPa）和低層（700 hPa）位勢高度場和風場的侯、旬平均場數據庫和中低層的水汽輸送和收支特征數據庫。根據美國中期數值模式GFS的預報產品、ECMWF模式產品或我國業務數值模式T639的預報產品，分析、比較高層、中層和低層位勢高度場及演變、急流特征、水汽輸送和收支與歷史數據庫的相似程度，尋找與歷史上最相似的年份，對未來豐滿以上流域侯到旬的降水給出一個定性到定量的降水分析與預報，并把主導系統所在區域作為關鍵區。

進行相似分析，首先要求關鍵區系統基本相似；其次考慮大范圍環流背景和水汽輸送及收支的相似，重點考慮歐亞平均環流和水汽輸送及收支的相似程度。采用動態與靜態相似相結合、客觀相似與主觀判斷相結合的原則，進行判定相似年份。建立旬、侯降水相似預報系統的主要內容：

1）收集和整理豐滿以上流域水文和氣象觀測站的多年逐日降水資料，對各種降水資料進行分析，形成降水資料庫，設計豐滿以上流域多年侯、旬平均降水數據庫。

2）收集和整理NECP，ECMWF和日本氣象數據再分析資料，設計對流層高層（200 hPa）、中層（500 hPa）和低層（700 hPa）位勢高度場、風場和水汽輸送及收支等的侯、旬平均場數據庫。

3）豐滿以上流域5—7月上旬為冷渦活動期，7月下旬—8月上旬為副熱帶活動期，其機制和影響因子都不同。故分析這兩類活動的主要環流因子非常重要。主要是通過分析西風環流指數、歐洲超長波槽、亞洲超長波脊、東亞大槽、副熱帶高壓、副熱帶急流、極鋒急流、水汽輸送、水汽收支及侯、旬不同時間尺度，設計不同的關鍵區和關鍵因子。

4）設計建立一套完整的動力因子和水汽因子侯、旬相似預報系統。

5）利用建立的相似預報系統，分析設計相應的動力因子和水汽因子。

6）綜合分析設計各關鍵區和動力因子及水汽因子，確定與歷史上的相似年份，并對相似年份進行排序，設計具體環流特征及其演變特征，確定豐滿以上流域侯～旬降水預報。

5 結 語

1）氣象學是一門正在發展中的科學，它所研究的對象是大氣的變化規律。影響大氣變化的因素很多，運動變化空間很大，變化形態很復雜，變化規律很難把握。因此，完全客觀精確地預報天氣還有一定的困難。但是，隨著科學技術的發展，數值預報的精度一定會逐步提高，而通過水文預報和氣象預報的緊密結合，水文預報精度的提高和預見期的延長是必然能夠實現的。

2）隨著數值天氣預報模式的進步，水文氣象耦合成為水文預報模擬中的熱點問題之一。水文氣象學者們已經分別采用單向和雙向方法將數值模式與水文模型進行耦合,在暴雨洪水預報方面做了試驗研究,取得了良好的效果。數值預報在豐滿水電站大壩全面治理工程氣象預報系統進行應用后，也可以在此基礎上進一步開展水文氣象耦合模式的相關研究。

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