李麗， 郭俊， 徐勛建， 馮濤， 楊莉

(1.電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410129；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長(zhǎng)沙410129)

降水量是水電廠生產(chǎn)調(diào)度中最重要的不確定性因子〔2〕。目前水電廠流域降水預(yù)報(bào)主要有兩種來源，一是當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)發(fā)布的未來24 h，48 h降水，按降水量大小劃分為無雨 (＜0.1 mm)、小雨 (0.1－10 mm)、中雨 (10－25 mm)、大雨 (25－50 mm)、暴雨及以上 (＞50 mm)，實(shí)際生產(chǎn)中降水的“五級(jí)” 劃分標(biāo)準(zhǔn)過于粗略〔3－5〕； 二是數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)，目前比較容易獲得的數(shù)值模式結(jié)果有美國(guó)GFS和歐洲ECMWF降水預(yù)報(bào)，其網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°(約為50 km×50 km)， 在水電廠流域內(nèi)一般只有幾十個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，代表性差〔6〕。因此，水電廠實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度中亟需精細(xì)化定量降水預(yù)報(bào)。文中以湖南柘溪水電廠為例，分析精細(xì)化降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)在水電廠的應(yīng)用及效果。

1 數(shù)據(jù)和方法簡(jiǎn)介

1.1 數(shù)值模式

文中使用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式 (WRF，Weather Research and Forecasting Model)是氣象界廣泛應(yīng)用的、技術(shù)成熟的、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。模式采用雙重嵌套網(wǎng)格，外層網(wǎng)格覆蓋全國(guó)，分辨率為9×9 km，內(nèi)層嵌套網(wǎng)格覆蓋湖南，分辨率為3×3 km，以GFS分析場(chǎng)為預(yù)報(bào)初值場(chǎng)，每天進(jìn)行兩次計(jì)算。柘溪流域共有2 511個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，所有網(wǎng)格點(diǎn)的降水預(yù)報(bào)平均值為預(yù)報(bào)的面雨量。

1.2 柘溪水庫簡(jiǎn)介

柘溪流域位于湖南中部，流域面積22 600 km2，柘溪水電廠共有32個(gè)自建雨量站，根據(jù)32個(gè)雨量站位置分布，將柘溪流域劃分為32個(gè)泰森多邊形，根據(jù)泰森多邊形的面積設(shè)定每個(gè)雨量站的權(quán)重系數(shù)，32個(gè)雨量站降水量的加權(quán)平均即為流域?qū)嶋H面雨量。

1.3 預(yù)報(bào)降水量準(zhǔn)確度分析

以柘溪流域逐日實(shí)際面雨量為基礎(chǔ)，預(yù)報(bào)面雨量值在實(shí)際面雨量值的±20%或±5 mm(二者取大值)以內(nèi)，為降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確；預(yù)報(bào)面雨量值在實(shí)際面雨量值的±40%或±10 mm(二者取大值)以內(nèi)，為降水量預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確；否則，為降水量預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確。

2 柘溪水電廠精細(xì)化降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)效果分析

通過分析柘溪流域1995—2015年平均的逐旬面雨量 (圖1)，發(fā)現(xiàn)柘溪流域存在明顯的降水集中期，每年的5月上旬到7月中旬為主汛期。

圖1 柘溪流域1995—2015年平均逐旬降水量

2.1 春夏轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報(bào)效果分析

每年4—5月為柘溪流域汛期開始時(shí)間，降水以小雨、中雨為主，大雨也有較大出現(xiàn)頻率。通過柘溪流域面雨量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值對(duì)比 (圖2)，可知數(shù)值模式精細(xì)化降水預(yù)報(bào) (表1)對(duì)4—5月中雨、大雨降雨量準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率達(dá)50%～60%，但由于處于春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，對(duì)中雨、大雨的預(yù)報(bào)存在20%的誤差。

圖2 柘溪流域4—5月逐日降水量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值對(duì)比

表1 柘溪流域4—5月逐日降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度分析 %

2.2 前夏期降水預(yù)報(bào)效果分析

每年6—7月為柘溪流域的主汛期，暴雨、大雨出現(xiàn)最為頻繁，小雨和中雨出現(xiàn)頻率有所降低。通過面雨量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的對(duì)比 (圖3)，可知數(shù)值模式精細(xì)化降水預(yù)報(bào) (表2)對(duì)暴雨、大雨降水量的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率很高，暴雨降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為100%，大雨降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確和基本準(zhǔn)確率為72%，但對(duì)中雨降水量的預(yù)報(bào)存在較大誤差，不準(zhǔn)確高達(dá)37%。

圖3 柘溪流域6—7月逐日降水量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值對(duì)比

表2 柘溪流域6—7月逐日降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度分析 %

2.3 后夏－秋季降水預(yù)報(bào)效果分析

每年8—10月，柘溪流域的主汛期基本結(jié)束，降水量級(jí)和降水頻次都有明顯減弱，但受夏季局地對(duì)流和臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)影響，仍有大雨、中雨出現(xiàn)。通過面雨量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的對(duì)比 (圖4)，可知數(shù)值模式精細(xì)化降水預(yù)報(bào) (表3)對(duì)大雨降水量的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高達(dá)71%，中雨降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確和基本準(zhǔn)確率為75%，對(duì)小雨和無雨情況降水量預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確率只有3%。

圖4 柘溪流域8—10月逐日降水量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值對(duì)比

表3 柘溪流域8—10月逐日降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度分析 %

2.4 秋冬轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報(bào)分析

每年11月為柘溪流域的秋汛期，大雨和中雨有一定的出現(xiàn)頻率。通過面雨量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的對(duì)比 (圖5)，可知數(shù)值模式精細(xì)化降水預(yù)報(bào) (表4)對(duì)大雨、中雨降水量的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，大雨為45%，中雨為50%。由于處于秋－冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，對(duì)中雨、大雨的預(yù)報(bào)誤差較大。

圖5 柘溪流域11月逐日降水量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值對(duì)比

表4 柘溪流域11月逐日降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度分析 %

2.5 冬季－春季降水預(yù)報(bào)分析

每年12月至次年3月為柘溪流域的旱季，降水量級(jí)和降水頻次都最弱，幾乎沒有大雨出現(xiàn)，中雨出現(xiàn)頻率也比較低。通過面雨量實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的對(duì)比 (圖6)，可知數(shù)值模式精細(xì)化降水預(yù)報(bào)(表5)對(duì)中雨降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確和基本準(zhǔn)確率為75%，對(duì)小雨和無雨情況降水量準(zhǔn)確率超過97%。

圖6 柘溪流域12月—次年3月逐日降水量預(yù)報(bào)值與實(shí)際值對(duì)比

表5 柘溪流域12－3月逐日降水量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度分析 %

3 總結(jié)

1)高精度中尺度數(shù)值模式可以精細(xì)化的預(yù)報(bào)出柘溪流域降水量具體數(shù)值，相比傳統(tǒng) “無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨及以上”的五級(jí)降水，預(yù)報(bào)精細(xì)度高。

2)經(jīng)過2年應(yīng)用驗(yàn)證，精細(xì)化降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)對(duì)柘溪流域降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高，其中無雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為100%，小雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為93.4%，大雨及暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為65%以上，為水電廠生產(chǎn)調(diào)度提供了科學(xué)指導(dǎo)。

3)每年4、5月為春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期，11月為秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期，環(huán)流系統(tǒng)不穩(wěn)定，精細(xì)化降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)對(duì)中雨、大雨的預(yù)報(bào)存在一定誤差。提高季節(jié)轉(zhuǎn)換期降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率是下一步研究方向。

〔1〕周惠成，李麗琴，胡軍，等.短期降雨預(yù)報(bào)在水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制中的應(yīng)用研究:中國(guó)水利學(xué)會(huì)2005學(xué)術(shù)年會(huì)〔C〕.2005.

〔2〕李瑋，郭生練，劉攀，等.水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究及其應(yīng)用 〔J〕.水力發(fā)電，2006，32(3):8-12.

〔3〕王玉才，熊安武，鄒霞，等.降雨預(yù)報(bào)信息下高關(guān)水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析 〔J〕.水電與新能源，2015(10):10-14.

〔4〕吳彬貴，姚學(xué)祥，廉鐵輝，等.降水預(yù)報(bào)在水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制中的可用性研究 〔J〕.氣象科技，2007，35(5):708-713.

〔5〕任明磊，何曉燕，黃金池，等.基于短期降雨預(yù)報(bào)信息的水庫汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制方法研究及風(fēng)險(xiǎn)分析 〔J〕.水利學(xué)報(bào)，2013，44(S1):66-72.

〔6〕郝春灃，賈仰文，王浩.氣象水文模型耦合研究及其在渭河流域的應(yīng)用 〔J〕.水利學(xué)報(bào)，2012，43(9):1042-1049.