光流法雷達(dá)外推產(chǎn)品在突發(fā)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

魏凡 田剛 徐衛(wèi)立 李春龍

摘要：地形條件復(fù)雜的山丘區(qū)中小河流洪水突發(fā)性強(qiáng)、匯流時(shí)間短，高準(zhǔn)確率和長(zhǎng)時(shí)效性降水短時(shí)臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)提高突發(fā)洪水預(yù)報(bào)精度尤為關(guān)鍵。以2021年9月河南省鴨河口水庫(kù)出現(xiàn)的千年一遇特大洪水為例，利用國(guó)家氣象信息中心提供的三源融合格點(diǎn)實(shí)況降水資料，檢驗(yàn)基于改進(jìn)光流法的雷達(dá)外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品在本次洪水過(guò)程中0～1 h和0～3 h降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分和預(yù)報(bào)偏差。結(jié)果表明：① 改進(jìn)光流法在0～1 h的逐小時(shí)降水預(yù)報(bào)上較為精準(zhǔn)，累計(jì)雨量在50 mm以下時(shí)，TS評(píng)分在0.45～0.85之間；雨量在50～70 mm之間時(shí)，TS評(píng)分在0.35～0.70之間；雨量在70 mm以上時(shí)，TS評(píng)分在0.25～0.35之間。50 mm以上雨量有較高TS評(píng)分表現(xiàn)出改進(jìn)光流法在極端強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)性。② 改進(jìn)光流法在0～3 h的降水預(yù)報(bào)上，累計(jì)雨量在50 mm以下時(shí)，TS評(píng)分在0.55～0.85之間；在50 mm以上時(shí)，TS評(píng)分在0.35～0.75之間。該降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品不僅對(duì)極端性降水預(yù)報(bào)效果較好，且預(yù)報(bào)時(shí)效長(zhǎng)達(dá)3 h，可為防洪調(diào)度提供更長(zhǎng)的決策時(shí)間。③ 改進(jìn)光流法在0～3 h的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品與融合實(shí)況格點(diǎn)降水相比，雨量在20 mm以下的預(yù)報(bào)結(jié)果比較接近，平均絕對(duì)誤差在10 mm以內(nèi)；雨量在20 mm以上時(shí)，隨雨量增大，平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差均逐漸增大。④ 改進(jìn)光流法在0～3 h的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)影響范圍小、降水強(qiáng)度大、維持時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大的極端強(qiáng)降水有較好的預(yù)報(bào)表現(xiàn)。研究成果可為洪水預(yù)報(bào)模型提供一種較為可靠的降水輸入預(yù)報(bào)。

摘要：極端強(qiáng)降水； 降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品； 臨近預(yù)報(bào)； 光流法； 雷達(dá)外推； 鴨河口水庫(kù)

中圖法分類號(hào)： P456

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.014

0 引 言

長(zhǎng)江流域支流眾多，在山地、丘陵地形下的中小河流遭遇極端強(qiáng)降水時(shí)，由于突發(fā)性強(qiáng)、匯流時(shí)間短，極易造成災(zāi)害性洪水過(guò)程，因此對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型的輸入指標(biāo)——降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品在準(zhǔn)確率和時(shí)效性方面提出了更高要求。河南省鴨河口水庫(kù)位于長(zhǎng)江流域漢江支流唐白河水系白河上游，是白河上的主要防洪控制工程。水庫(kù)控制流域面積為3 030 km2，水庫(kù)總?cè)萘繛?3.39億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水及旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐［1］。2021年9月24日，河南省南陽(yáng)市北部遭遇特大暴雨，短時(shí)間強(qiáng)降雨導(dǎo)致河道、水庫(kù)等水位迅速上漲，鴨河口水庫(kù)9月25日出現(xiàn)超歷史特大洪水，入庫(kù)流量從9月24日08：00的210 m3/s猛漲到9月25日03：40的 18 200 m3/s，根據(jù)水文部門歷史實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，本次洪水已經(jīng)超過(guò)千年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)［2］。超標(biāo)洪水會(huì)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重影響［3］，突發(fā)性的極端強(qiáng)降水是造成本次中小河流超標(biāo)洪水的主要原因，而對(duì)于極端強(qiáng)降水的定量降水預(yù)報(bào)是洪水預(yù)報(bào)的前提。目前，定量降水預(yù)報(bào)的主要手段是臨近預(yù)報(bào)，臨近預(yù)報(bào)的主要技術(shù)分為中尺度數(shù)值大氣模式預(yù)報(bào)和基于天氣雷達(dá)0～3 h外推預(yù)報(bào)2種。胡勝等［4］在2012年指出模式預(yù)報(bào)主要依賴于初始的起轉(zhuǎn)數(shù)值，而起始階段存在“Spin-up”現(xiàn)象，或是缺乏高分辨率的觀測(cè)資料造成的無(wú)冷云狀態(tài)冷啟動(dòng)，或是增加初始場(chǎng)的有云狀態(tài)熱啟動(dòng)，這些現(xiàn)象都會(huì)造成模式預(yù)報(bào)在初始階段與實(shí)況相比有較大偏差。王丹等［5］在2014年指出雷達(dá)回波外推在最初幾小時(shí)內(nèi)的預(yù)報(bào)效果要好于中尺度快速循環(huán)同化數(shù)值模式。張衛(wèi)國(guó)等［6］在2018年以寧波市一次臺(tái)風(fēng)過(guò)程為例，將基于天氣雷達(dá)外推預(yù)報(bào)方法得到的外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有較好的預(yù)報(bào)效果。綜上，對(duì)于中小河流突發(fā)性強(qiáng)、匯流時(shí)間短的極端強(qiáng)降水定量降水預(yù)報(bào)，采用雷達(dá)監(jiān)測(cè)外推預(yù)報(bào)技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。

單體質(zhì)心法是早期主流的雷達(dá)監(jiān)測(cè)外推技術(shù)方法［7-8］，該方法在對(duì)流性降水過(guò)程的預(yù)報(bào)應(yīng)用中較為常見(jiàn)，之后引入的交叉相關(guān)法（Tracking radar echoes by correlation，TREC），也是目前應(yīng)用較為廣泛的一種跟蹤方法。TREC主要通過(guò)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行外推，該方法對(duì)層狀云降水和對(duì)流性降水都有較好的跟蹤效果［9］。隨后在TREC的基礎(chǔ)上又發(fā)展了COTREC（Continuity of TREC Vectors）方法，該方法在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的降水臨近預(yù)報(bào)上有一定優(yōu)勢(shì)［10］。然而TREC及其擴(kuò)展方法應(yīng)用在極端對(duì)流降水系統(tǒng)預(yù)報(bào)時(shí)，常因?qū)α飨到y(tǒng)變化速度較快，風(fēng)場(chǎng)外推質(zhì)量降低而導(dǎo)致跟蹤失敗［11-14］。針對(duì)TREC的不足，引入了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的光流法，該方法在氣象領(lǐng)域有較好的應(yīng)用效果，但是經(jīng)過(guò)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)還是表現(xiàn)出一定的局限性［15-18］。王志斌等［19］在2017年將約束光流場(chǎng)的全局平滑約束法和局部平滑約束法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)光流法進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)湖北省6部雷達(dá)回波拼圖外推的結(jié)果，驗(yàn)證了這種改進(jìn)方法的可行性。隨后在2019年基于之前的研究在變分光流法的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步改進(jìn)，提出改進(jìn)變分光流法（以下簡(jiǎn)稱改進(jìn)光流法），并通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)該方法［20］。田剛等［21］基于王志斌提出的改進(jìn)光流法對(duì)2020年17次長(zhǎng)江洪水天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)光流法0～3 h臨近預(yù)報(bào)降水結(jié)果比數(shù)值模式直接輸出結(jié)果精度更高，對(duì)提高洪水預(yù)報(bào)精度有較強(qiáng)實(shí)用意義，而提高洪水預(yù)報(bào)精度對(duì)防洪調(diào)度意義重大［22］。目前，基于光流法的短時(shí)臨近降水外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品已經(jīng)集成應(yīng)用在湖北省預(yù)報(bào)一體化平臺(tái)中［23］，該產(chǎn)品在鴨河口水庫(kù)特大洪水過(guò)程中有較好的預(yù)報(bào)表現(xiàn)。

2021年9月23日20：00的數(shù)值模式和中短期公眾預(yù)報(bào)僅預(yù)報(bào)了河南省南陽(yáng)區(qū)域24日夜間可能出現(xiàn)大雨或暴雨。而在本次洪水過(guò)程中，9月24日23：00值班人員已監(jiān)測(cè)到南召附近前3 h累計(jì)雨量已達(dá)100 mm以上，結(jié)合天氣系統(tǒng)和雷達(dá)回波分析，利用光流法的外推3 h降水預(yù)報(bào)，預(yù)估未來(lái)還有200 mm以上降水，即降水中心6 h累計(jì)雨量將超過(guò)300 mm。2021年9月24日20：00至9月25日08：00 12 h降水實(shí)況顯示，納入考核氣象測(cè)站的最大累計(jì)雨量為南召馬市坪站226 mm，國(guó)家5 km三源融合實(shí)況降水最大中心330 mm，而反演的1 km 融合實(shí)況降水最大中心更是達(dá)414 mm。綜上可以看出，基于光流法的外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品在降水落區(qū)、降水強(qiáng)度和預(yù)報(bào)時(shí)效上有較大優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)本次極端降水天氣過(guò)程中基于光流法的短臨外推預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行定性和定量檢驗(yàn)，分析基于改進(jìn)光流法的外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品在本次洪水過(guò)程中的具體預(yù)報(bào)表現(xiàn)情況，探討基于光流法外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型準(zhǔn)確率和時(shí)效性的提升策略。

1 資料與方法

1.1 資 料

（1） 氣象站資料。本文主要研究河南省南陽(yáng)地區(qū)鴨河口水庫(kù)附近強(qiáng)降水天氣過(guò)程，根據(jù)湖北省現(xiàn)有的氣象站資料來(lái)源，主要考慮華中地區(qū)301個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站和10 146個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站2021年9月24～25日逐小時(shí)降水觀測(cè)資料。

（2） 格點(diǎn)實(shí)況資料。采用國(guó)家氣象局國(guó)家氣象信息中心空間分辨率為0.01°×0.01°的全國(guó)智能網(wǎng)格實(shí)況地面氣象站、衛(wèi)星和雷達(dá)三源融合降水分析逐小時(shí)產(chǎn)品。潘旸等［24］在2018年分別開(kāi)展了空間分辨率為0.05°×0.05°和0.01°×0.01°的三源融合降水試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)上，空間分辨率為0.01°×0.01°的三源融合降水產(chǎn)品更有優(yōu)勢(shì)。

（3） 雷達(dá)資料。根據(jù)本次天氣過(guò)程，主要考慮在湖北省北部、河南省南部地區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)，因此選取111°E～116°E，32°N～36°N范圍內(nèi)的流域組網(wǎng)多普勒天氣雷達(dá)資料，該雷達(dá)資料是逐6 min的觀測(cè)資料。

1.2 改進(jìn)光流法的雷達(dá)外推預(yù)報(bào)方案

（1） 改進(jìn)光流法求回波移動(dòng)矢量場(chǎng)計(jì)算方案。

光流法是將三維圖像在二維平面進(jìn)行投影，研究圖像灰度在時(shí)間上的變化與圖像結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。光流法的實(shí)質(zhì)是由二維光流場(chǎng)重構(gòu)三維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，在原始光流方程的基礎(chǔ)上，需要給光流場(chǎng)增加約束條件［15］。目前常見(jiàn)的2種增加約束條件的方法為全局平滑約束法（HS）［17］和局部平滑約束法（LK）［18］。其中HS中認(rèn)為同一運(yùn)動(dòng)物體的光流場(chǎng)連續(xù)及平滑；而LK則假定小區(qū)域Ω的光流維持恒定不變，即在局部補(bǔ)充n個(gè)方程。

隨著研究的不斷深入，在計(jì)算過(guò)程中HS易出現(xiàn)局部最小化，而LK整場(chǎng)不易滿足最優(yōu)條件。為了克服這些缺點(diǎn)，近年來(lái)提出變分光流法的概念，變分光流計(jì)算就是最小化某個(gè)能量泛函的過(guò)程。目前，基于變分建模逐漸成為當(dāng)前主流的光流計(jì)算方法。本文采用的是王志斌等人提出的改進(jìn)光流法，將HS和LK結(jié)合起來(lái)，得到改進(jìn)光流能量函數(shù)，用數(shù)值方法求解其極小值，得到雷達(dá)回波運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)［20］。

（2） 雷達(dá)回波與降水強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換計(jì)算方案。

基于準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本概念雷達(dá)和雨量計(jì)的實(shí)時(shí)同步結(jié)合方法（RASIM方法），通過(guò)同步積分使雷達(dá)和自動(dòng)氣象站降水采樣為準(zhǔn)同雨團(tuán)樣本，建立Z-R（雷達(dá)回波反射率因子強(qiáng)度與降水強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換）關(guān)系［25］。

（3） 降水臨近預(yù)報(bào)方案。

根據(jù)Z-R動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換得到降水量，運(yùn)用多尺度合成降水臨近預(yù)報(bào)技術(shù)，使用半拉格朗日法對(duì)降水進(jìn)行外推，得到降水外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品［26-28］。

綜上所述，本文得到雷達(dá)外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要流程如圖1所示。

1.3 外推預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)方案

根據(jù)田剛等［21］在2020年對(duì)長(zhǎng)江流域39個(gè)分區(qū)17次降水過(guò)程“站點(diǎn)-格點(diǎn)”和“格點(diǎn)-格點(diǎn)”的0～3 h 檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，“格點(diǎn)-格點(diǎn)”的檢驗(yàn)效果更好。國(guó)家氣象信息中心格點(diǎn)資料融合了氣象站、雷達(dá)和衛(wèi)星資料，相比單一的站點(diǎn)資料，能夠填補(bǔ)站點(diǎn)稀缺地區(qū)的降水觀測(cè)盲區(qū)。因此本文采用“格點(diǎn)-格點(diǎn)”的檢驗(yàn)方法，以國(guó)家氣象信息中心下發(fā)的逐小時(shí)融合降水實(shí)況格點(diǎn)資料為基準(zhǔn)，對(duì)長(zhǎng)江組網(wǎng)雷達(dá)資料基于改進(jìn)光流法得到的外推降水臨近預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方案如下：

（1） “格點(diǎn)-格點(diǎn)”檢驗(yàn)定義。以外推預(yù)報(bào)格點(diǎn)為中心，劃定10 km為檢驗(yàn)范圍，依據(jù)這個(gè)范圍內(nèi)是否出現(xiàn)評(píng)定的事件的融合實(shí)況格點(diǎn)來(lái)評(píng)定該格點(diǎn)臨近外推預(yù)報(bào)降水是否正確。

（2） 降水分級(jí)及累加定量檢驗(yàn)。根據(jù)降水量（R）的大小，將降水量分為6個(gè)等級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)，降水等級(jí)劃分情況如表1所列。

（3） 檢驗(yàn)指標(biāo)。為精細(xì)化評(píng)估雷達(dá)外推降水臨近預(yù)報(bào)結(jié)果，采用包括TS評(píng)分、平均誤差、平均絕對(duì)誤差和均方根誤差在內(nèi)的檢驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。TS評(píng)分的計(jì)算公式如下。

TSk=NAkNAk+NBk+NCk（1）

式中：k為1～6，分別代表各級(jí)降水；NAk為預(yù)報(bào)正確的次數(shù)，NBk為空?qǐng)?bào)次數(shù)，NCk為漏報(bào)次數(shù)。降水分級(jí)檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2所列。

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)降水天氣過(guò)程降水實(shí)況

根據(jù)氣象資料，從環(huán)流背景場(chǎng)可以看出2021年9月24日河南省處于副熱帶高壓邊緣，在500 hPa高度上受偏西氣流控制，在中低層受到西南急流影響；河南省南部地區(qū)在850 hPa高度上位于暖式切變線的位置，在925 hPa高度上位于超低空急流出口左側(cè)。從物理場(chǎng)來(lái)看，河南省南部地區(qū)在低層有暖濕氣流持續(xù)性輸入，水汽條件良好；對(duì)流有效位能CAPE值在600 J/kg以上，能量條件良好。綜上所述，從環(huán)流背景場(chǎng)和物理場(chǎng)各方面條件來(lái)看，都有利于河南省南部地區(qū)的強(qiáng)降水天氣發(fā)生。根據(jù)華中地區(qū)氣象站點(diǎn)資料，2021年9月24日09：00至9月25日08：00的24 h降水實(shí)況如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出河南省在9月24日09：00至9月25日08：00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)24 h累計(jì)雨量大部地區(qū)達(dá)到50 mm以上暴雨級(jí)別，部分地區(qū)超過(guò)100 mm達(dá)到大暴雨級(jí)別，少數(shù)站點(diǎn)超過(guò)250 mm達(dá)到特大暴雨級(jí)別，其中累計(jì)雨量最大的站點(diǎn)為南陽(yáng)站，甚至達(dá)到472 mm。本次降水過(guò)程累計(jì)雨量大，極端性非常明顯，這個(gè)量級(jí)的降水極易引起中小河流洪水災(zāi)害。根據(jù)氣象站點(diǎn)資料得到南陽(yáng)站逐小時(shí)降水量如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出本次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程中的主要降水時(shí)段集中在9月24日19：00至9月25日04：00，該時(shí)間段內(nèi)最大小時(shí)雨量達(dá)66.5 mm，平均小時(shí)雨量達(dá)52.0 mm。本次降水過(guò)程具有降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，從24日19：00開(kāi)始，需要重點(diǎn)關(guān)注該地區(qū)的降水情況及后續(xù)發(fā)展。由于氣象站點(diǎn)分布不均勻，有的地方分布密集，有的地方分布稀疏，會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)盲區(qū)，因此本文采用融合實(shí)況降水產(chǎn)品來(lái)對(duì)雷達(dá)外推降水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)會(huì)更具實(shí)際指導(dǎo)意義。圖4是0.01°×0.01°分辨率的融合實(shí)況降水產(chǎn)品圖。

根據(jù)圖4可以看出本次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程影響范圍較小，主要是鴨河口水庫(kù)及周邊地區(qū)；累計(jì)雨量大，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到整個(gè)鴨河口水庫(kù)2021年9月24日09：00至9月25日08：00的24 h面雨量為166 mm。本文對(duì)111°E～116°E，32°N～36°N范圍內(nèi)的雷達(dá)外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，該范圍內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)目為502×302共計(jì)151 604個(gè)，其中格點(diǎn)最大累計(jì)雨量的值為472 mm，處于鴨河口水庫(kù)范圍內(nèi)。

綜上，根據(jù)站點(diǎn)實(shí)況和融合實(shí)況產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)這次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程極端性非常明顯，具有影響范圍小、降水強(qiáng)度大、維持時(shí)間長(zhǎng)以及累計(jì)雨量大的特點(diǎn)，再加上鴨河口水庫(kù)地形影響，產(chǎn)生了本次千年一遇的洪水過(guò)程。

2.2 融合實(shí)況與預(yù)報(bào)降水落區(qū)空間分布對(duì)比

根據(jù)融合實(shí)況格點(diǎn)資料，得到2021年9月24日09：00至9月25日08：00的24 h逐小時(shí)降水量，考慮降水過(guò)程主要集中在9月24日19：00至9月25日04：00之間，選取鴨河口水庫(kù)區(qū)域降水最為明顯的3個(gè)時(shí)間段對(duì)融合實(shí)況和外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

根據(jù)圖5可以看出：各時(shí)次降水強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且降水大值中心基本都在鴨河口水庫(kù)范圍；在本次極端強(qiáng)降水過(guò)程中，降水落區(qū)和降水強(qiáng)度都與實(shí)況十分接近，可將本次過(guò)程影響范圍小、降水強(qiáng)度大、維持時(shí)間長(zhǎng)以及累計(jì)雨量大的特點(diǎn)充分預(yù)報(bào)出來(lái)，為0～3 h外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品的可靠性提供了有利支撐。

2.3 降水分級(jí)樣本分析

為定性評(píng)估改進(jìn)光流法在雷達(dá)外推預(yù)報(bào)中的準(zhǔn)確率，首先選取此時(shí)間段的外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品和融合降水實(shí)況進(jìn)行分級(jí)分析，為二者的對(duì)比評(píng)估做準(zhǔn)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在9月24日20：00至9月25日05：00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，逐小時(shí)雨量≥20 mm的樣本總數(shù)量分別為1 118，2 419，2 788，5 298，6 372，5 131，3 820，3 493，1 707，1 289個(gè)；逐小時(shí)雨量≥50 mm的樣本總數(shù)量分別為69，162，224，701，625，677，447，203，17，0個(gè)。逐3 h累計(jì)雨量≥50 mm的樣本總數(shù)量分別為1 422，2 801，5 551，6 975，6 472，4 490，2 862，2 247，825，245個(gè)；逐3 h累計(jì)雨量≥70 mm的樣本總數(shù)量分別為779，1 509，2 758，3 678，3 574，2 490，936，410，75，0個(gè)。融合實(shí)況格點(diǎn)參與檢驗(yàn)的逐小時(shí)雨量和逐3 h累計(jì)雨量≥0.1 mm分級(jí)樣本數(shù)量如表3、表4所列。

2.4 “格點(diǎn)-格點(diǎn)”分級(jí)降水預(yù)報(bào)TS檢驗(yàn)

應(yīng)用111°E～116°E，32°N～36°N范圍內(nèi)的融合實(shí)況151 604個(gè)格點(diǎn)評(píng)估改進(jìn)光流法臨近降水預(yù)報(bào)的結(jié)果，表5給出了9月24日20：00至9月25日05：00“格點(diǎn)-格點(diǎn)”檢驗(yàn)逐小時(shí)的TS評(píng)分結(jié)果。

由表5可以看出，外推預(yù)報(bào)雨量在0.1～3.0 mm范圍內(nèi)，TS評(píng)分較好，基本在0.75～0.90之間；而在3.0～10.0 mm范圍內(nèi)，TS評(píng)分表現(xiàn)降低，基本在0.65～0.85 之間；在10.0～20.0 mm范圍內(nèi)，TS評(píng)分基本在0.60～0.75之間；在20.0～50.0 mm范圍內(nèi)，TS評(píng)分在0.45～0.80之間；在50.0～70.0 mm范圍內(nèi)，TS評(píng)分在0.35～0.70之間；在70.0 mm以上范圍，在樣本數(shù)量相對(duì)較多的時(shí)次有正的評(píng)分，TS評(píng)分大部分在0.25～0.35之間。短時(shí)強(qiáng)降水雨量預(yù)報(bào)難度大，雨量越大，預(yù)報(bào)精度越低，預(yù)報(bào)結(jié)論常常有漏報(bào)情況，在流域降水密集區(qū)，50 mm以上降水量級(jí)TS評(píng)分超過(guò)0.1就算預(yù)報(bào)效果較好［21］，而外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品在雨量達(dá)50 mm以上有較高TS評(píng)分，表現(xiàn)出改進(jìn)光流法在極端強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)性。

表6給出了9月24日20：00至9月25日05：00“格點(diǎn)-格點(diǎn)”檢驗(yàn)逐3 h的TS評(píng)分結(jié)果。從0～3 h的TS評(píng)分結(jié)果來(lái)看，當(dāng)3 h累計(jì)雨量在0.10～50.0 mm時(shí)，TS評(píng)分普遍在0.55～0.85之間；當(dāng)3 h累計(jì)雨量在50.0 mm以上時(shí)，TS評(píng)分隨樣本數(shù)量變化明顯，TS評(píng)分大部分在0.35～0.75之間。綜上，0～3 h累計(jì)雨量在50.0 mm以下時(shí)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，降水落區(qū)及強(qiáng)度基本都預(yù)報(bào)出來(lái)了；在50.0 mm以上范圍的極端降水情況，預(yù)報(bào)效果較好，對(duì)極端降水的落區(qū)和強(qiáng)度有一定的預(yù)測(cè)性，且由于預(yù)報(bào)時(shí)間提前量長(zhǎng)，為洪水預(yù)報(bào)提供了有利決策支撐，在這次洪水過(guò)程中有較好的應(yīng)用反饋。

2.5 誤差分析

應(yīng)用融合降水格點(diǎn)來(lái)分析改進(jìn)光流法0～3 h臨近降水預(yù)報(bào)在本次過(guò)程中主要降水時(shí)段的預(yù)報(bào)誤差，主要采用以下3個(gè)指標(biāo)：平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差。各時(shí)段預(yù)報(bào)誤差如表7所列。

根據(jù)表7，從改進(jìn)光流法0～3 h臨近預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在平均誤差上，20.0 mm以下降水量預(yù)報(bào)值比實(shí)況偏大，且偏大的范圍在1.5 mm以內(nèi)，而20.0 mm以上降水量預(yù)報(bào)值比實(shí)況偏小，雨量值在70.0 mm以上最為明顯，偏小19.24 mm；從平均絕對(duì)誤差和均方根誤差來(lái)看，隨著降水量級(jí)的增加誤差逐漸增大，其中平均絕對(duì)誤差在50.0～70.0 mm降水量級(jí)上為27.14 mm，70.0 mm級(jí)別上為37.48 mm；均方根誤差50.0～70.0 mm降水量級(jí)上為31.55 mm，70.0 mm降水量級(jí)以上為42.94 mm。可以看出隨著降水量級(jí)的增加，平均絕對(duì)誤差、均方根誤差均呈逐漸增大的趨勢(shì)。

綜上，通過(guò)對(duì)改進(jìn)光流法在0～3 h臨近降水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)可知，在強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)中，雖然誤差會(huì)隨降水量級(jí)增加而逐漸增大，但能提前反映出降水量級(jí)的極端性，對(duì)本次超強(qiáng)致洪降水的提前預(yù)判起到了關(guān)鍵支撐作用。

3 結(jié)論與討論

本文利用長(zhǎng)江流域組網(wǎng)雷達(dá)觀測(cè)資料反演出基于改進(jìn)光流法的長(zhǎng)江流域雷達(dá)外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，然后利用空間分辨率為0.01°×0.01°的融合實(shí)況資料與降水外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出河南省鴨河口水庫(kù)2021年9月24～25日強(qiáng)降水天氣過(guò)程中主要降水時(shí)段0～1 h和0～3 h的TS評(píng)分檢驗(yàn)結(jié)果和偏差分析結(jié)果，得到以下主要結(jié)論：

（1） 改進(jìn)光流法在0～1 h的逐小時(shí)降水預(yù)報(bào)上較為精準(zhǔn)，當(dāng)小時(shí)雨量在50 mm以下時(shí)，TS評(píng)分普遍在0.45～0.85之間；在極端降水上，當(dāng)小時(shí)雨量在50～70 mm時(shí)，TS評(píng)分在0.35～0.70之間，70 mm以上時(shí)，TS評(píng)分在0.25～0.35之間。雨量在50 mm以上有較高的TS評(píng)分表現(xiàn)出改進(jìn)光流法在極端強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)性。

（2） 改進(jìn)光流法在0～3 h的降水預(yù)報(bào)上，3 h累計(jì)雨量在50 mm以下，TS評(píng)分普遍在0.55～0.85之間；50 mm以上時(shí)，TS評(píng)分普遍在0.35～0.75之間。該降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)降水極端性預(yù)報(bào)效果較好，且預(yù)報(bào)時(shí)間提前量長(zhǎng)，在這次洪水過(guò)程中有較好的應(yīng)用反饋。

（3） 改進(jìn)光流法在0～3 h的臨近降水預(yù)報(bào)較融合實(shí)況格點(diǎn)降水相比，雨量在20 mm以下較為接近，平均絕對(duì)誤差在10 mm以內(nèi)；雨量在20 mm以上級(jí)別誤差逐漸增大；隨著雨量增大，平均誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差均逐漸增大。

（4） 在本次洪水過(guò)程中，改進(jìn)光流法在0～3 h的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有良好的應(yīng)用反饋，對(duì)河南省南部南陽(yáng)地區(qū)中小河流流域發(fā)生的強(qiáng)降水位置、強(qiáng)度均有較好的預(yù)報(bào)表現(xiàn)，反映出了本次降水過(guò)程影響范圍小、降水強(qiáng)度大、維持時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大的特征；該預(yù)報(bào)產(chǎn)品在3 h內(nèi)仍有較高準(zhǔn)確率，有助于提高突發(fā)洪水預(yù)測(cè)精度，為洪水預(yù)報(bào)模型提供了一種較為可靠的降水輸入預(yù)報(bào)。

綜上，根據(jù)對(duì)基于改進(jìn)光流法外推降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品結(jié)果的檢驗(yàn)，可以看出該外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有較高準(zhǔn)確率和較長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)，可為突發(fā)洪水預(yù)報(bào)提供重要的參考。另外，雖然在這次洪水過(guò)程中外推降水預(yù)報(bào)表現(xiàn)較好，但仍有一定的提升空間。鑒于此，本文認(rèn)為未來(lái)還可以通過(guò)以下3個(gè)方面來(lái)提高：① 建立更加密集的多普勒天氣雷達(dá)組網(wǎng)，提供更精準(zhǔn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以此來(lái)進(jìn)行外推預(yù)報(bào)；② 改進(jìn)外推預(yù)報(bào)的算法，提高外推預(yù)報(bào)的精度；③ 雷達(dá)外推預(yù)報(bào)和數(shù)值模式預(yù)報(bào)進(jìn)行融合，增加預(yù)報(bào)時(shí)效，為洪水預(yù)報(bào)提供更多的提前量，進(jìn)一步減少因突發(fā)致洪降水帶來(lái)的災(zāi)害影響。

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（編輯：謝玲嫻）

Application of optical flow radar extrapolation precipitation products for forecasting sudden heavy rainfall

WEI Fan1，TIAN Gang1， 2， 3，XU Weili4，LI Chunlong5

（1.Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan 430074，China； 2.Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning，Research Institute of Heavy Rain of China Meteorological Administration，Wuhan 430205，China； 3.Three Gorges National Climatological Observatory，Yichang 443099，China； 4.Hubei Key Laboratory of Intelligent Yangtze and Hydroelectric Science，China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443133，China； 5.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The floods occurring in small and medium-sized rivers in complex hills are strong suddenness and short confluence time.The precipitation short-term proximity prediction product with high accuracy and long-term timeliness is particularly crucial for flood forecasting models.Taking the 1000-year return period catastrophic flood of Yahekou Reservoir in Henan Province in September 2021 as an example，the TS score and forecast deviation of radar extrapolated precipitation prediction products based on the improved optical flow method are examined for the 0～1 h and 0～3 h precipitation forecasts during this flood using the three source fusion grid point real precipitation data provided by the National Meteorological Information Center.The results showed that：① The improved optical flow method is more accurate in 0～1 h hourly precipitation forecast.When the accumulated rainfall is below 50 mm，the TS score ranges from 0.45 to 0.85；when the rainfall is between 50 mm and 70 mm，the TS score is between 0.35 and 0.70，when the rainfall is above 70 mm，the TS score is between 0.25 and 0.35.The high TS score of rainfall above 50 mm shows the superiority of the improved optical flow method in extreme heavy rainfall prediction.② In 0～3 h precipitation forecast，when the accumulated rainfall is less than 50 mm，the TS score is 0.55 to 0.85，when it is above 50 mm，the TS score is between 0.35 and 0.75.This precipitation forecast product not only has good prediction effect on extreme precipitation，but also has a prediction time up to 3 hours，providing a longer decision-making time for flood control scheduling.③ Compared with the grid point precipitation of the fusion real situation，the precipitation forecast product of the improved optical flow method in 0～3 h is relatively close to the precipitation below 20 mm，and the average absolute error is within 10 mm.The error gradually increases when the rainfall exceeds 20 mm；with the increase of rainfall，the average error，average absolute error and root mean square error increase gradually.④ The improved precipitation prediction products of optical flow method in 0～3 h have good prediction performance for extreme heavy precipitation of small influence range，large precipitation intensity，long duration and large accumulated precipitation.The research results can provide a more reliable precipitation input forecast for flood forecasting model.

Key words：

extreme heavy rainfall；precipitation forecast product；nowcast；optical flow method；radar extrapolation product；Yahekou Reservoir