GFS降雨預報在古田流域洪水預報中的可用性研究

葉子國，李春紅，王蕊，阮宏華

(1.華電福新能源股份有限公司古田溪水力發電廠，福建 寧德 352258； 2.南瑞集團有限公司，南京 210003)

0 引言

傳統依據落地雨開展洪水預報的方式，由于預見期較短，往往難以滿足用戶的實際需求。近年來，隨著探測手段和計算機技術的迅速發展，降雨預報技術和預報精度不斷提高，為洪水預報預見期的延長提供了更大可能[1]。

降雨預報產品在洪水預報中應用是否有效，其可用度取決于降雨預報的精度和預見期。美國國家環境預報中心的全球預報系統(GFS)每天發布4次氣象預報，預報長度為8～16 d，預報長度8日內以6 h為時段，網格尺度為0.5°×0.5°的降雨預報信息可應用于洪水預報[2]。降雨預報在洪水預報中的可用性取決于降雨預報本身的精度和在洪水預報中的應用情況，對于降雨預報在《中短期天氣預報質量檢驗辦法》中有明確的檢驗方法和評判標準，該評判是否能反映降雨預報在水文中的可用性，針對場次洪水的GFS降雨預報效果以及GFS降雨預報信息應用于洪水預報的影響程度如何，本文以古田溪2017年6月大水期間GFS降雨預報和實測水雨情數據為依托，分析GFS降雨預報信息的精度和在洪水預報中的應用效果。

1 古田溪流域概況

古田溪為閩江下游北岸支流之一，全流域東西寬約40 km，南北長約70 km，總流域面積1 799 km2。流域的地質屬火成巖，石質堅硬，氣候屬亞熱帶型，雨量充沛。古田溪屬山溪性雨洪河流，洪水由暴雨形成，溪流源短水流急，洪水來時，勢兇時短，集流時間一般為6～12 h。流域地形復雜，降雨分布不均。古田溪水力發電廠擁有一級至四級4座電站，總裝機324 MW。一級為不完全多年調節水庫，集水面積1 325 km2，本文針對一級以上流域進行分析。

2 GFS降雨預報質量檢驗

預報精度與預見期長度密切相關，為分析以6 h為基準的不同預見期預報結果，本文以6 h為時段進行降雨等級劃分，針對6 h，12 h，24 h，48 h預見期對應的降雨情況，依據中國氣象局頒布的《中短期天氣預報質量檢驗辦法》進行統計。首先統計古田溪流域范圍2017年6月的降雨預報信息，并與水文自動測報系統計算的流域實測面雨量進行對比分析，統計的降水預報檢驗指標包括預兆得分(TS)評分、漏報率、空報率，見表1。

由表1可知，古田溪2017年6月GFS降雨預報結果精度不夠理想，僅無雨期的6 h預見期TS評分超過85%，有雨時期最大的TS評分僅為66.7%，TS評分有隨著預見期增長而減小的趨勢。表1中漏報、空報率普遍在20%以上，尤其中雨以上的空報率竟然都超過50%。

氣象部門采用的TS評分、漏報率、空報率雖然在一定程度上反映了預報情況，但不能很好地反映預報精度。如實測6 h降雨30 mm為暴雨，預報降雨20 mm為大雨，屬于漏報，本次預報的TS評分為0。但對于洪水預報而言，雖然降雨量有偏差，但仍可在一定程度上指導洪水預報。洪水預報需要結合未來預報時間內所有的降雨預報結果，而非僅某一時刻的預報值，降雨預報誤差總體呈正態分布，表明一定時間內降雨預報誤差存在正負抵消的現象，即預報降雨總量誤差不會很大，古田溪流域2017年6月6 h預見期的GFS降雨預報分析如圖1所示。

表1 古田溪2017年6月GFS降雨預報檢驗結果 %

圖1 古田溪流域2017年6月6 h預見期的GFS降雨預報分析

表2 古田溪降雨預報誤差統計

續表

3 洪水期GFS降雨預報誤差評定

降雨過程決定了來水過程，降雨總量很大程度上決定了來水總量(洪量)，降雨強度則決定著洪峰流量。因此，流域內未來一定時間的洪水預報精度受降雨量、降雨強度預報精度的影響較大[3]。

本文依據古田溪流域2017年6月的實測降雨和GFS預報降雨過程，針對3場洪水對應的降雨過程，從降雨量、降雨強度兩方面統計分析GFS降雨預報誤差。

表2中降雨總量預報誤差絕對值的最小值為8.2%(06-19 T 02:00—06-21 T 20:00，6 h預見期)，最大值為-30.5%(06-01 T 14:00—06-03 T 20:00，48 h預見期)。其中6 h，12 h預見期內的降雨總量誤差相差不大，大部分在20%以內，24 h預見期預報誤差稍大于20%，48 h預見期預報誤差是4種預見期中最大的，兩場洪水對應降雨的預報誤差達到30%。由此表明GFS降雨預報隨著預見期增長預報的可信度降低。

由表2中3場洪水期間的降雨峰值和峰值出現時間的預報誤差統計可以看出，20170602號洪水對應降雨預報在12 h預見期內的峰值誤差很小，但24 h，48 h峰值則誤差較大，峰值出現時間均無誤差。20170616號洪水期間降雨峰值誤差均較大，其中12 h預見期內的峰值誤差最小，6 h，12 h預見期的峰值出現時間無誤差，24 h，48 h預見期的峰值出現時間誤差很大。20170620號洪水期間峰值和時間誤差最小的為48 h預見期。由此分析，GFS降雨預報峰值誤差與預見期沒有明顯的相關。

表3 古田溪結合GFS降雨預報前后的預報流量結果對比

4 GFS降雨預報信息應用于洪水預報

GFS降雨預報信息應用于古田溪流域洪水預報，首先將降雨預報信息與流域數字單元進行匹配如圖2所示，然后以單元為單位進行降雨徑流計算，各單元流量過程自上而下逐級演進，最終匯入古田溪水庫。針對2017年6月的3場洪水，將古田溪實測入庫流量與采用GFS降雨預報前后的預報流量過程進行對比分析，結果見表3。

圖2 古田溪流域數值天氣預報與預報單元匹配

由表3進行了古田溪流域2017年6月3場洪水的預報誤差統計，每場洪水均列舉了預見期相差6 h的2次預報結果。由此分析可知：洪水期間，當后期有較大降雨時，結合GFS降雨預報較不考慮未來降雨的洪水預報精度有很大提高；針對每場洪水的2次預報，無論降雨預報的誤差大小，預見期較短的后一次預報的洪量、洪峰預報誤差均小于前次的誤差，即隨著預見期的縮短，預報誤差呈減小的趨勢，表明實測降雨仍然是洪水預報精度的決定性因素。

續表

表3中20170616號洪水后期的降雨預報精度高于前期，其洪量預報誤差減小11.81%，洪峰預報誤差減小了11.24%。而20170602、20170620號洪水均為后期的降雨預報精度較低，其洪量預報誤差分別減少0.45%，8.04%，洪峰預報誤差分別減小7.26%，9.55%。由此可見，在實測降雨信息增多的情況下，降雨預報誤差在很大程度上影響著洪水預報精度。

古田溪20170616號洪水的擬合過程清晰表明，不結合未來降雨難以完成長預見期的高精度預報。隨著預見期的縮短，預報精度有明顯的提升如圖4所示。

圖4 古田溪20170616號洪水預報過程

5 結束語

本文依據古田溪2017年6月的降雨實況，從氣象方式質量檢驗和場次洪水對應降雨誤差評定兩種方式對GFS降雨預報結果進行了統計分析，并將GFS降雨預報應用于洪水預報以分析GFS降雨預報在古田溪流域洪水預報中的可用性。

本文研究成果表明，GFS降雨預報采用氣象方式質量檢驗的精度不高，尤其是中雨以上降雨預報的TS評分大部分低于50%。但場次洪水對應降雨的相對誤差尚可，降雨量和峰值誤差大部分在20%以內，且短時預報精度通常高于長預見期的降雨預報。GFS降雨預報應用于古田溪流域2017年6月的3場洪水擬合中，結果表明采用GFS降雨預報的洪水預報精度較無降雨預報信息的情況下有較大提升，表明GFS降雨預報有一定的可用性。

洪水預報誤差來源多樣，降雨信息、流域蒸散發、水文模型參數、測站布設、人類活動等都對洪水預報精度有一定影響。其中降雨誤差是洪水預報最直接、最重要的誤差來源。無降雨預報信息的洪水預報，在流域天然預見期以外基本不可用。要延長洪水預報的預見期，單純依靠落地雨是無法完成的，必須接入降雨預報信息?？色@取的GFS數值降雨預報雖然存在一定的誤差，預報精度有待提高，但它在古田溪流域較無降雨預報的洪水預報精度仍然有了很大的改進，因此在無法獲取更高精度數值降雨預報信息的情況下，GFS降雨預報可作為延長洪水預報預見期的有效手段。