三峽水庫分流域面雨量預報檢驗系統研究

周英 袁久坤

（重慶市萬州區氣象局，萬州 404000）

0 引言

三峽水庫?葛洲壩梯級電站扼控我國長江“黃金水道”。庫區上游岷沱江、嘉陵江、烏江、川江、金沙江等流域以及水庫下游地區，頻繁出現暴雨洪澇、高溫干旱、滑坡泥石流等氣象水文和地質災害。保障三峽水庫?葛洲壩梯級電站的科學、安全運行，充分發揮三峽工程防洪、蓄水、抗旱、發電、通航、水資源調度等功能的綜合效益有著十分重要的意義。

面雨量是指某一特定區域或流域的平均降水狀況。開展面雨量計算和面雨量預報能更好地為組織防汛抗洪以及水庫運行等決策提供重要的依據，又可為水利部門的洪水預報提供非常重要的參數，是氣象與水利部門加強合作為防災抗災和經濟建設服務的一個重要手段。1998年長江流域發生歷史上罕見的洪澇災害之后，中國氣象局加強了有關面雨量業務和服務工作。重慶、湖北等地氣象部門也針對本地服務需求開展了面雨量預報技術的研究，徐晶等提出了七大江河流域面雨量計算方法及應用，但目前尚無可進行業務推廣應用的流域面雨量預報制作與檢驗評分系統。

本文主要研究三峽庫區內主要匯水流域基于數值預報模式降水產品，研發基于數值預報降水產品的三峽水庫分流域面雨量預報檢驗系統，為三峽水利樞紐的科學調度和安全防洪度汛提供更加精細準確的決策依據，為長江黃金水道經濟社會發展提供更加優質的氣象保障服務。

1 資料與方法

1.1 三峽水庫主要匯水流域分區

按照與三峽梯調中心所簽訂的服務合同，將三峽庫區主要匯水流域分為岷沱江、涪江、嘉陵江干流、渠江、烏江思南上、烏江思南下、長江宜賓—重慶、重慶—萬州、萬州—宜昌段等共9個流域分區。對應各分區，從MICAPS3系統獲取所需的流域和站點地理信息資料。

1.2 雨量實況獲取以及數據處理方法

面雨量實況以三峽梯調通信中心提供的面雨量為準（2015—2019年）。從各流域范圍內的氣象監測站點獲取的數據計算的面雨量僅作預報參考。面雨量的計算采用算數平均法。

系統開發的主要編程語言和工具包括Visual Studio 2015、Visual Basic 6，和氣象要素等值線分析和色斑圖繪制工具以及OLE自動化控制方法等。

開發中采用距離平方反比插值法，即：

其中：

n

為樣點數目，

z

為第

i

點的樣點值，

d

為第

i

個樣點到插值點的距離，

Z

為待估值。當樣點與插值點重合時樣點權重為1，其他點權重為0，插值點值等于樣點值。面雨量預報準確率的計算采用中值法，根據質量考核規定得出

S

（為第

i

分區第

j

次預報考核得分）；

K

為參與計算的預報次數。分值越高，預報越接近于實況。則設

T

為第

i

分區的面雨量預報準確率，計算公式為式（3）：

2 數值預報模式降水產品（M3格式）[11]

為提高降水時空預報精度，該系統主要應用細網格的歐洲中心數值預報模式（EC）、GRAPES_meso、Japan等數值預報模式格點降水產品。將格點降水預報產品用距離平方反比插值法插值到流域內相關站點。下面以EC為例進行介紹，其他數值預報模式與EC模式類似，只是格點間距有細微差別。

2.1 模式產品數據格式

采用MICAPS第4類數據格式，歐洲數值預報模式降水產品空間分辨率為0.25°×0.25°格點間隔。

2.2 距離反比插值到站點

采用距離平方反比插值法。如典型的插值站點S落在A、B、C、D這4個預報格點內，

R

、

R

、

R

、

R

為S點距A、B、C、D四格點的距離（圖1），則插值點值為式（4）：

圖1 預報站點（插值點）在數值預報格點的格子內 Fig. 1 Prediction stations (interpolation points) are within the lattice of numerical prediction points

3 面雨量預報檢驗

3.1 制作前期檢驗時段的各降水產品的實況、預報評分表

根據三峽梯調通信中心系統數據庫中提供的實況面雨量，按照服務技術合同考核辦法中面雨量預報準確率計算方法，一模式一表分別計算出前期檢驗時段（一般為前一個月，根據梯調中心提供的面雨量實況數據時段而定）各數值預報模式降水產品的預報評分（表1）。

表1 2020年4月28日數值預報模式（EC）降水產品的實況-預報評分表 Table 1 28 April 2020 numerical forecast model (EC) precipitation product fact-forecast rating sheet

3.2 制作多模式降水產品的實況—預報綜合檢驗表

根據各數值預報模式產品對各預報流域的檢驗統計，列出前期各預報流域與各數值預報降水產品的預報檢驗得分情況，作為后期各預報模式計算權重的依據（表2）。

表2 2020年4月1日至30日多模式降水產品的實況-預報綜合檢驗表 Table 2 Comprehensive fact-forecast test sheet for multi-mode precipitation products on April 1, 2020 solstice and 30

3.3 制作多模式降水產品的實況—預報綜合檢驗界面

應用Visual Basic控制office（Excel，Word），后臺讀取需要檢驗的前期（一般前一個月）各模式面雨量預報，按照服務技術合同考核辦法中面雨量預報準確率計算方法，自動一模式一表分別計算出前期檢驗時段各數值預報模式降水產品的預報評分，并匯總到綜合表，以便實際預報時調取檢驗信息作為各模式加權平均的依據。多模式降水產品的實況?預報綜合檢驗界面如圖2所示。

圖2 多模式降水產品的實況-預報綜合檢驗界面 Fig. 2 A reality-forecast comprehensive inspection interface for multi-mode precipitation products

3.4 多模式降水產品的實況—預報綜合檢驗效果分析

分別統計了2015年以來的近5年各流域面雨量預報使用本系統（A1）和未使用本系統（A2）的預報檢驗質量以及制作預報所需的時間，并對預報檢驗質量做方差分析，對比檢驗其預報質量的穩定性（表3）。

從表3可看出，使用本預報檢驗系統后，面雨量預報質量平均提高了5.4個百分點；方差分析可知，使用本預報檢驗系統做出的面雨量預報產品的準確率較不使用本預報檢驗系統做出的預報產品，預報質量穩定性明顯更好；在產品制作時間上，不使用本預報檢驗系統，做一次預報至少需要1.5 h，而使用本預報檢驗系統，做一次預報僅需要接近0.5 h。無論預報平均質量還是質量的穩定性都有明顯的提升，而制作預報所需制作時間則大幅減少。

表3 模式降水產品的實況?預報綜合檢驗效果分析 Table 3 Analysis of the result of fact-forecast comprehensive test for model precipitation products

3.5 面雨量預報制作界面

在圖3的界面上，應用Visual Basic 6編程控制office（Excel，Word），后臺讀取前期預報檢驗信息（Excel表）計算各模式權重，計算制作各預報模式降水產品的流域面雨量并根據計算的權重加權平均，按照分區面雨量預報用語要求自動制作待發布的流域分區面雨量預報。同時可根據服務對象需求，輸出以流域站點降水量繪制的散點等值線色斑圖、以流域封閉區間方式繪制的面雨量等級色斑圖等預報產品。

圖3 流域面雨量預報制作界面 Fig. 3 Watershed surface rainfall forecast production interface

4 結論

本系統實現了基于數值預報模式降水產品的三峽水庫面雨量預報的自動評分檢驗、以權重集合平均的方式自動制作面雨量預報、面雨量預報檢驗的表格和文檔產品自動化輸出等功能。同時能根據需求輸出以流域站點降水量繪制的散點等值線色斑圖、以流域封閉區間方式繪制的面雨量等級色斑圖等預報產品。經實際應用檢驗，該系統能快速有效地實現三峽水庫分流域面雨量預報的自動化制作，提高面雨量預報的準確性、穩定性、及時性和精細化水平。

1）檢驗證明，應用本預報檢驗系統制作面雨量預報較人工分析計算制作，自動化程度高，制作時間短，在所需資料齊全的情況下，一個流域平均幾分鐘就可以制作出基于數種數值預報模式降水產品的面雨量預報，較純人工制作減少1 h左右，大大減輕了人工預報勞動強度，給預報員留出更多的形勢預報分析時間。

2）應用本預報檢驗系統有利于對面雨量預報進行持續的檢驗，提高了面雨量預報的準確率，近5年內的平均預報質量提高了5.4個百分點。

3）應用本預報檢驗系統制作面雨量預報有較好的客觀穩定性，較好地避免了完全由人工制作難以避免的主觀性影響。

4）應用本預報檢驗系統制作面雨量預報可以文字表格、等值線色斑圖、格點文件等方式發布，提高了服務產品的多樣化和精細化水平。

5）本系統在數值預報模式對面雨量的預報檢驗數據存儲處理上采用了開放性的Excel表格方式，能較方便地增減數值預報模式種類，適應不同模式產品的格式變化，實用性較好。