葛艾天,吳 夏,葉 光,胡 琨

（中石油北京天然氣管道有限公司，北京,100101）

基于數(shù)值天氣預(yù)報的管道洪水風(fēng)險預(yù)報應(yīng)用研究

葛艾天,吳 夏,葉 光,胡 琨

（中石油北京天然氣管道有限公司，北京,100101）

降雨是導(dǎo)致油氣管道發(fā)生洪水災(zāi)害的基本因素之一，如何有效利用數(shù)值天氣預(yù)報成果用于管道洪水風(fēng)險預(yù)報，使管道管理機構(gòu)提前制定應(yīng)對措施，減少洪水災(zāi)害的發(fā)生和危害，具有積極的意義。本文以陜京三線輸氣管道山西臨縣段為例，結(jié)合汛期降雨實測數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)和管道穿河點歷史水毀數(shù)據(jù)，以臨界降雨量作為洪水風(fēng)險預(yù)報的破壞力指標，提出了基于數(shù)值天氣預(yù)報的管道洪水風(fēng)險預(yù)報應(yīng)用和改進方法。

油氣管道；洪水災(zāi)害；數(shù)值天氣預(yù)報；混淆矩陣；集合預(yù)報

0 引言

THORPEX (The Observing System Research and Predictability Experiment) Interactive Grand Global Ensemble（TIGGE）數(shù)據(jù)集作為一種公開的全球數(shù)值天氣預(yù)報集合已得到了行業(yè)應(yīng)用的普遍認可。數(shù)值天氣預(yù)報是以初始條件和邊界條件為基礎(chǔ)，通過時間積分得到未來時刻氣象要素場的預(yù)報值，但由于初始值的不確定性，存在一定的誤差，因此數(shù)值預(yù)報就有一定的隨機性，特別是對短期強降雨的預(yù)報，存在較大的漏報誤報現(xiàn)象。

因此，為克服這個問題，本文以陜京三線油氣輸送管道山西臨縣段為例，采集了2011年到2013年汛期降雨實測數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)和管道穿河點歷史水毀數(shù)據(jù)，以臨界降雨量作為洪水風(fēng)險預(yù)報的破壞力指標，提出了基于數(shù)值天氣預(yù)報的管道洪水風(fēng)險預(yù)報應(yīng)用和改進方法。

1 數(shù)據(jù)來源及臨界降雨量估計1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究地區(qū)為山西省臨縣陜京三線沿線及湫水河林家坪水文站的控制流域，研究時段選為2011年至2013年汛期6月至9月，數(shù)據(jù)來源如下表所示：

數(shù)值天氣預(yù)報：TIGGE數(shù)據(jù)集，選擇ECMWF、CMA、UKMO6小時步長分降雨預(yù)報數(shù)據(jù)；

地面實測降雨：中華人民共和國水文年鑒汛期降雨摘錄表；

1.2 臨界降雨量估計

本文研究是以降雨量作為洪水風(fēng)險預(yù)報的破壞力指標，臨界降雨量估計的原理是：

(1) 對于運營期間未被破壞的管道穿河點，臨界雨量大于運營期間發(fā)生的任何一場降雨的6h降雨量，即臨界雨量下界等于實測最大雨量；

(2) 對于運營期間被破壞的管道穿河點，臨界雨量大于運營期間可承受降雨的雨量，小于被破壞時經(jīng)歷降雨的雨量。

根據(jù)管道穿河點的代表雨量站和水毀情況的不同，可以將所有穿河點歸為3種類型，分別以類別A、B、C表示。由于A類穿河點在運營期間未發(fā)生水毀，所以無法確定臨界雨量的上界，簡單起見，人為給定臨界雨量上界一個合適的數(shù)值，在表中以＊號標記。

表1 各類穿河點的臨界雨量估計值

2 確定性風(fēng)險預(yù)報

使用確定性風(fēng)險預(yù)報方法首先假定天氣預(yù)報雨量值是準確的，其次結(jié)合上節(jié)中已經(jīng)完成的臨界雨量估計，給出未來幾天內(nèi)的預(yù)報雨量值，最終與臨界雨量進行比較，就可以判斷管道水毀災(zāi)害將是否發(fā)生。由于準確的臨界雨量大小通常無法給出，而只能估計臨界雨量所處的區(qū)間范圍，所以未來的水毀災(zāi)害也就具有了一定不確定性，可以根據(jù)以下原則給予不同的風(fēng)險預(yù)警等級：

（1）預(yù)報雨量低于臨界雨量下界時，管道不會被破壞，不具有風(fēng)險（即安全）。

（2）預(yù)報雨量高于臨界雨量的下界，而低于臨界雨量的上界時，管道可能被破壞，給出橙色預(yù)警。

（3）管道穿河點的預(yù)報雨量高于臨界雨量的上界時，管道一定被破壞，給出紅色預(yù)警。

為了對洪水風(fēng)險預(yù)警結(jié)果的準確性進行評價，使用歷史的天氣預(yù)報降雨數(shù)據(jù)，給出各場洪水的風(fēng)險預(yù)警等級。洪水風(fēng)險預(yù)警的效果存在以下幾種情況：

根據(jù)洪水風(fēng)險預(yù)警各種情況所占的比例，可以評價風(fēng)險預(yù)警的準確性，以ECMWF的天氣預(yù)報輸入為例進行評價。以C類管道穿河點為例，圖中紅線表示臨界雨量上界，綠線表示臨界雨量下界。根據(jù)管道洪水風(fēng)險判斷原理，將預(yù)報雨量與臨界雨量的上下界比較，給出危險洪水的預(yù)警等級。同時，各場洪水的真實風(fēng)險等級由實測降雨給出，依此判斷預(yù)警準確與否。

從圖1可以看出，由于6h預(yù)報雨量普遍低于真實雨量，以至于任何一場降雨的預(yù)報雨量都小于C類穿河點臨界雨量的下界，導(dǎo)致管道運營期內(nèi)沒有發(fā)布任何紅色預(yù)警或橙色預(yù)警，預(yù)報結(jié)果為全部漏報。

圖1 C類穿河點預(yù)報雨量與臨界雨量上下界

所有類別穿河點的預(yù)報結(jié)果評定如表3所示?？梢钥闯觯A(yù)報雨量普遍偏低的問題在其他類別的管道穿河點同樣存在，導(dǎo)致所有危險暴雨全部漏報。結(jié)果表明，確定性預(yù)報方法的漏報率太高，無法滿足需求，不再進行基于其他機構(gòu)天氣預(yù)報的評價。

由于確定性預(yù)報方法基于預(yù)報雨量準確的假定，實際上這一假定難以滿足。目前天氣預(yù)報的精度還較低，無法代表降雨量的真實水平，尤其對于大暴雨，預(yù)報雨量更加不可靠。因此，針對該問題，將采用概率風(fēng)險預(yù)報的方法予以改進。

3 概率風(fēng)險預(yù)報

3.1 洪水風(fēng)險概率分析方法

天氣預(yù)報雨量值是不可靠的，給定預(yù)報雨量，無法準確地知道未來的真實雨量是多少，這決定了未來災(zāi)害的發(fā)生是隨機的。我們可以用災(zāi)害發(fā)生的概率來表示風(fēng)險的大小——災(zāi)害的發(fā)生由未來真實雨量與臨界雨量的大小關(guān)系確定，所以風(fēng)險值等于未來真實雨量大于臨界雨量的概率，即

上式中，I表示未來的真實雨量，Ic表示臨界雨量。真實雨量是隨機的，可以根據(jù)預(yù)報雨量給出真實雨量的分布規(guī)律，從而給出上述概率值，求出風(fēng)險值大小。

3.2 洪水風(fēng)險概率矩陣計算

以ECMWF 6小時降雨預(yù)報為例，采用K-均值法對預(yù)報降雨量進行聚類，得到以數(shù)值大小區(qū)分的10個分組，其中小于等于0.05mm的降雨量歸于0組，認為無降雨。表2為ECMWF 6小時降雨量每組預(yù)報值對應(yīng)不同組實測值的概率矩陣，即“混淆矩陣”。

表2 ECMWF 6小時雨量預(yù)報值—實測值混淆矩陣

混淆矩陣可以直觀地評價數(shù)據(jù)分類的質(zhì)量，對角元素代表預(yù)報值等于實測值的點的比例，非對角元素為預(yù)報出錯的點的比例?；煜仃噷蔷€的值越高，說明預(yù)報值等于實測值的點的個數(shù)越多，預(yù)報水平越高。

為了使用單一數(shù)值評價混淆矩陣，對其做如下處理：

（1）將矩陣對角線上的所有數(shù)據(jù)修改為零。非對角線數(shù)據(jù)按其與對角線的距離加權(quán)，即緊臨對角線的數(shù)據(jù)不變，再外層的數(shù)據(jù)均乘以2，距對角線第3層的數(shù)據(jù)均乘以3，依次類推。

（2）對按(1)處理的矩陣求其2范數(shù)，得到混淆矩陣的距離加權(quán)2范數(shù)。

（3）重復(fù)步驟(1)、(2)，但使用距離的平方加權(quán)。即緊臨對角線數(shù)據(jù)不變，再外層的數(shù)據(jù)均乘以22，距對角線第3層的數(shù)據(jù)均乘以32，依次類推，得到混淆矩陣的距離平方加權(quán)2范數(shù)。

對ECMWF 6小時降雨量混淆矩陣進行處理，得到對角線距離加權(quán)2范數(shù)為3.47；對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)為19.88。這兩個指標也可用于對比不同機構(gòu)降雨預(yù)報的準確度，其中對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)更多考慮了雨量特別明顯的高估和低估情況。

由于數(shù)據(jù)樣本有限，混淆矩陣中元素的單調(diào)性和平滑度不盡合理。為了合理反映對大降雨量的預(yù)報特點，并為洪水預(yù)警的概率預(yù)報做準備，需要對上述混淆矩陣做修正。修正的重點在后三行，即實測大降雨量對應(yīng)的元素。修正方法為，根據(jù)已有元素，按照從對角線向兩側(cè)遞減的原則對元素值進行單調(diào)平滑擬合插值。

3.3 管道洪水風(fēng)險概率分析

臨界雨量存在上界和下界，需要分別計算出兩種不同級別的風(fēng)險值，稱之為紅色風(fēng)險和橙色風(fēng)險。

表5是ECMWF 6小時雨量預(yù)報值—實測值的修正混淆矩陣，我們以C類穿河點（水毀上、下界分別是：77.8mm、38.4mm）洪水災(zāi)害分析為例，假設(shè)ECMWF未來6小時天氣預(yù)報降雨量為18，計算過程和結(jié)果如下：

（1）根據(jù)水毀上、下界在表5中分別定位對應(yīng)實測值區(qū)間所在的行，分別是“(36.66，56.10]”和“＞56.10”所在行；

（2）根據(jù)ECMWF預(yù)報值“18”找到預(yù)報值區(qū)間對應(yīng)的列“(17.79，25.67]”，該列數(shù)值是預(yù)報值對應(yīng)的未來真實雨量的概率；

（3）在步驟(2)對應(yīng)的列中，分別根據(jù)水毀的上、下界所在行向下做累計計算（注意上、下界所在行數(shù)值進行差分計算），則可以分別計算出未來降雨大于上、下界的概率。

由于不同類別管道穿河點臨界雨量不同，需分別計算風(fēng)險值。計算出的未來風(fēng)險值從數(shù)值上表征了水毀災(zāi)害發(fā)生的可能性，可以人為給定一個閾值，當風(fēng)險值高于該閾值時，發(fā)布風(fēng)險預(yù)警。

對于ECMWF數(shù)據(jù)，概率預(yù)報的風(fēng)險等級評價方法和參數(shù)如下：

（1）若上界的風(fēng)險概率高于0.045，則給出紅色預(yù)警（0.045是紅色預(yù)警閾值）；

（2）在未給出紅色預(yù)警的條件下，若下界的風(fēng)險概率高于0.09，則給出橙色預(yù)警（0.09是橙色預(yù)警閾值）。

根據(jù)以上原理，使用2011-2013年ECMWF預(yù)報數(shù)據(jù)進行風(fēng)險預(yù)報，預(yù)警結(jié)果如表3所示，受篇幅的限制，只展示2011～2012部分的計算結(jié)果。

表3 基于降雨的概率預(yù)報方法的風(fēng)險預(yù)警結(jié)果（ECMWF）

結(jié)果顯示，概率預(yù)報的結(jié)果有一定的應(yīng)用價值。但由于概率預(yù)報的方法賦予了閾值（臨界雨量）更多彈性，使得預(yù)報雨量較低時也有可能發(fā)布預(yù)警信息，導(dǎo)致大量誤報。針對該問題，將采用集合風(fēng)險預(yù)報的方法予以改進。

4 集合風(fēng)險預(yù)報

4.1 多家機構(gòu)風(fēng)險概率預(yù)報數(shù)據(jù)分析

只使用單一機構(gòu)的預(yù)報降雨數(shù)據(jù)容易受到離群點數(shù)據(jù)的影響，可以采用集合預(yù)報的方法，使用多家機構(gòu)的預(yù)報降雨數(shù)據(jù)分別進行概率預(yù)報，綜合考慮所有預(yù)報結(jié)果給出風(fēng)險等級，以提高預(yù)警準確度。本研究中，采用歐洲ECMWF、英國UKMO、中國CMA這三家機構(gòu)的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)來完成風(fēng)險集合預(yù)報的任務(wù)。

按照“3.2洪水風(fēng)險概率矩陣計算”中給出的方法，分別計算出CMA、UKMO的對角線距離加權(quán)2范數(shù)、對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)和預(yù)報值—實測值的修正混淆矩陣（表4和表5）。

CMA 6小時降雨量混淆矩陣的對角線距離加權(quán)2范數(shù)為6.28，對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)為37.09。

表4 CMA 6小時雨量預(yù)報值—實測值的修正混淆矩陣

UKMO 6小時降雨量混淆矩陣的對角線距離加權(quán)2范數(shù)為3.13，對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)為10.31。

表5 UKMO 6小時雨量預(yù)報值—實測值的修正混淆矩陣

對角線距離加權(quán)2范數(shù)、對角線距離平方加權(quán)2范數(shù)兩個指標可用于對比不同機構(gòu)降雨預(yù)報的準確度。圖2為ECMWF、CMA、UKMO三個機構(gòu)的6小時雨量的預(yù)報—實測混淆矩陣的兩種對角線加權(quán)2范數(shù)對比圖。

圖2 各機構(gòu)兩種2-范數(shù)對比圖

從圖2中可以看出，ECMWF、UKMO的6小時降雨預(yù)報水平高于CMA。UKMO與ECMWF的距離加權(quán)2范數(shù)相差無幾，而距離平方加權(quán)2范數(shù)方面，UKMO遠小于ECMWF，這說明UKMO存在較少的過分高估或低估的現(xiàn)象。

4.2 集合風(fēng)險預(yù)報方法

不同機構(gòu)的預(yù)報特點存在差異，不能使用統(tǒng)一的風(fēng)險閾值，因此，需要以盡可能消除漏報為目標，確定每家機構(gòu)各自的風(fēng)險閾值（如表6）。

表6 各機構(gòu)風(fēng)險閾值

根據(jù)基于概率的風(fēng)險預(yù)警原理，使用2011-2013年各家天氣預(yù)報數(shù)據(jù)進行風(fēng)險預(yù)警。綜合考慮各家預(yù)報結(jié)果，給出最終的風(fēng)險預(yù)警等級，其基本原則是，某日同時給出預(yù)警信息的預(yù)報機構(gòu)數(shù)目越多，則發(fā)生水毀災(zāi)害的可能性就越大，風(fēng)險等級也越高。針對本研究所用數(shù)據(jù)的實際情況，對采用各家數(shù)據(jù)發(fā)出的預(yù)警級別及其準確性采用打分法計算集合預(yù)報的預(yù)警級別。各家機構(gòu)給出不同預(yù)警等級的得分情況如表10所示

表7 不同機構(gòu)給出不同預(yù)警等級的得分

對于6 h降雨預(yù)報而言，歐洲ECMWF的預(yù)報精度最高，所以得分比其他兩家機構(gòu)高。累計一天內(nèi)所有機構(gòu)風(fēng)險預(yù)警的總得分，根據(jù)以下規(guī)則給出最終的風(fēng)險預(yù)警。

（1）總得分小于4時，不給出預(yù)警（即安全）；

（2）總得分大于等于4，而小于6時，給出橙色預(yù)警；

（3）總得分大于等于6時，給出紅色預(yù)警。

管道洪水風(fēng)險集合預(yù)報方法綜合考慮了多家機構(gòu)的預(yù)報降雨及其精度水平，能有效剔除誤報情況，進一步提升預(yù)報準確度。

5 結(jié)束語

本研究從確定性預(yù)報，到概率預(yù)報，再到最后的集合預(yù)報，對預(yù)報降雨數(shù)據(jù)所包含信息的挖掘和利用越來越深入，風(fēng)險預(yù)警的準確度逐步提升，已經(jīng)能夠初步滿足需求。由于天氣預(yù)報精度不高，且獲得的歷史實測數(shù)據(jù)有限，預(yù)報結(jié)果仍存在一定的誤差，可通過采購使用高精度數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、隨著運用時間推移進一步繼續(xù)修正相關(guān)參數(shù)等方式繼續(xù)提高管道風(fēng)險預(yù)報精度。

[1] 丑紀范；2007；數(shù)值天氣預(yù)報的創(chuàng)新之路—從初值問題到反問題；氣象學(xué)報；65(5):673-682

[2] 穆穆，周菲凡等；2011；氣象預(yù)報的方法與不確定性；氣象；37(1):1-13

[3] 田剛，陳少平，于大峰；數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品評價分析和客觀訂正系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用；中國氣象學(xué)會2005年年會論文集；2005年

Application of pipeline flood risk forecast based on numerical weather forecast

Wu Xia,Ge Aitian,Ye Guang,Hu Kun
(PetroChina Beijing Natural Gas Pipeline Co.,Ltd.,Beijing,100101)

Rainfall is one of the basic factors leading to the occurrence of oil and gas pipelines,and how to effectively use the numerical weather forecast results for pipeline flood risk prediction,so that the pipeline management agencies to develop response measures in advance to reduce the occurrence and damage of flood disasters,has a positive meaning.The in Shaanxi Beijing gas pipeline in Linxian County,Shanxi Province section as an example,combined with flood rainfall measured data, numerical weather forecast data and pipeline river crossing history flood data, to critical rainfall flood risk prediction as damage index,is proposed based on and improvement of numerical weather prediction of tube flood risk forecasting methods.

oil and gas pipeline;flood disaster;numerical weather prediction;confusion matrix;ensemble forecasting

葛艾天(1969-),女,黑龍江大慶人 , 高級工程師,碩士,主要從事天然氣管道管理工作。

中國石油天然氣股份有限公司科技項目（2013B-3410-0508）