杜開連，葛 憶，張佳麗，朱 力

(句容市水利局，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

由落地雨驅(qū)動水文模型進行洪水預報，其預見期為主雨停止時刻至洪峰出現(xiàn)的時距，是由流域產(chǎn)匯流特性決定的。為了提高流域洪水預報的精度，延長洪水預報的預見期，為流域防洪減災贏得更多的應急響應時間，提高防洪調(diào)度的應急能力，應采取切實措施利用TIGGE等數(shù)值氣象預報產(chǎn)品進行降水預報，提高洪水預報的精度，延長洪水預報的預見期。歐洲洪水預報系統(tǒng)計劃于2003年啟動后，最早開始將氣象集合預報數(shù)值模式產(chǎn)品應用于洪水預報業(yè)務[1]。 2004年，歐洲中期天氣預報中心在英國里丁召開了由氣象和水文2個領(lǐng)域的科技工作者參加的國際水文集合預報試驗第1次研討會[2-3]。2005年世界氣象組織啟動了為期10年的THORPEX計劃[4]，作為THORPEX的一個重要組成部分，TIGGE歸檔了全球范圍內(nèi)10個數(shù)值天氣預報中心的集合預報產(chǎn)品[5-6]。目前，針對降雨預報能力的評估和集合預報，國內(nèi)外學者已做了大量研究。例如，趙琳娜等[7]指出多模式集合預報可以改善單一模式的不確定性；包紅軍等[8]將TIGGE產(chǎn)品應用于淮河流域洪水預報，結(jié)果表明采用TIGGE集合預報產(chǎn)品，可以將洪水預報的預見期延長；杜雅玲等[9]利用TIGGE數(shù)據(jù)的中期降水預報評估了在江蘇省的應用效果，發(fā)現(xiàn)各模式在對中雨以上等級降水存在較明顯的漏報；ChenkaiCai等[10]將TIGGE集合預報產(chǎn)品應用于淮河流域，對TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMOCMA等5個模式的精度進行了評價，并進行了非線性集合校正研究。本文以赤山湖流域為研究區(qū)域，選用不同模式的降雨預報數(shù)據(jù)，結(jié)合流域?qū)崪y降雨資料，對各模式在17 d預見期內(nèi)的預報精度進行綜合評價，旨在為研究TIGGE應用于赤山湖流域洪水預報提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

赤山湖流域集水面積527 km2，發(fā)源于秦淮河北支句容河的支流北河、中河與南西河，屬丘陵山區(qū)和圩區(qū)混合地貌，亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，水文氣象特點復雜，洪澇災害頻發(fā)。赤山湖流域出口有赤山閘控制泄流，流域下游地區(qū)分布著赤山湖內(nèi)湖、西萬畝圩等蓄滯洪區(qū)，這些蓄滯洪區(qū)是秦淮河流域調(diào)蓄洪水的重要措施，也是秦淮河流域全局防洪利益與赤山湖流域局部防洪利益沖突的焦點。

赤山湖流域有赤山閘、二圣水庫、茅山水庫、虬山水庫、潘沖水庫、馬埂水庫、李塔水庫等自動測報雨量站，流域水系及測站分布見圖1。

圖1 赤山湖流域水系及測站分布示意

2 降水實測與預報資料

2.1 實測降水資料

收集了赤山湖流域2015—2018年汛期(5月1日至9月30日)赤山閘、二圣水庫、茅山水庫、虬山水庫、潘沖水庫、馬埂水庫、李塔水庫7個雨量站的逐日實測雨量資料，采用泰森多邊形法求得實測的流域面平均雨量系列。

2.2 TIGGE資料

目前TIGGE已經(jīng)歸檔了全球多個氣象業(yè)務中心或預報模式的短中期降水集合預報產(chǎn)品，預報時效達1～14 d。考慮到赤山湖流域1～7 d的降水量預報對流域防洪預報調(diào)度決策意義較大，本文降水預報最長預見期時長取為7 d。本文主要選取TIGGE的歐洲中期天氣預報中心ECMWF、日本氣象廳JMA、中國氣象局CMA、英國氣象局UKMO和韓國氣象廳KMA預報模式[5-6]的7d預報降雨量。由于各個機構(gòu)發(fā)布的降水預報時空分辨率有所不同，因此統(tǒng)一選用預報時間為每天的世界標準時間(00:00UTC)的預報產(chǎn)品，預報時長統(tǒng)一為7 d(共168 h)，時間序列為2015—2019年汛期(5月1日至9月30日)，分辨率為0.5°×0.5°。根據(jù)覆蓋赤山湖流域的格點TIGGE模式降雨預報資料采用泰森多邊形法，求得TIGGE模式預報的流域面平均雨量系列。

2.3 降水預報精度評價方法

通常采用雨量預報的均方根誤差評價降雨預報的精度。均方根誤差公式為

(1)

式中：fi為降雨預報值，mm；oi為降雨實測值，mm；n為樣本容量。

除反映降水誤差的RMSE指標外，還通常采用確報率、漏報率及空報率來評價預報的降水量級的準確程度。本文采用氣象部門制定的24 h降雨量級多級劃分標準。通常，氣象上認為無雨即為降雨量為0；由于在實際進行洪水預報時，小于1 mm的時段降雨量對洪水的形成幾乎沒有直接的影響。因此，本文將的24 h無雨標準改為24 h降雨總量小于1 mm，其余不變。

為了能綜合評價降雨預報精度，文獻[10]在確報率、空報率和漏報率評價指標的基礎(chǔ)上提出降雨預報三率綜合評價方法：

Pi=w1·Ph,i+w2·(1-Pf,i)+w3·(1-Pm,i)

(2)

(3)

考慮到不同預見期降水預報精度對洪水資源安全利用的作用大小，1～7 d的預見期精度綜合評價指標權(quán)重Vi分別賦為0.2，0.2，0.15，0.15，0.15，0.1，0.05；鑒于漏報對于防洪調(diào)度可能產(chǎn)生較大不利，本文主要考慮漏報率最低的預報方案，因此w1，w2，w3分別取為0.3，0.2，0.5。

3 評價計算結(jié)果

采用均方根誤差與三率綜合評價值對TIGGE降水預報中心CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預報模式在赤山湖流域的精度進行評價，采樣時段為2015—2019年汛期(5—9月)。

3.1 均方根誤差

CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預報模式在赤山湖流域的RMSE計算結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 赤山湖流域降水預報均方根誤差結(jié)果

圖2 赤山湖流域降水預報均方根誤差

由表1、圖2可知：

(1)5個氣象預報模式中JMA、ECMWF的RMSE最小，預報效果最好；UKMO、CMA效果次之，KMA預報效果最差。

(2)KMA的RMSE波動較大，尤其是1 d預見期的RMSE達30 mm以上；其次，UKMO的RMSE波動也較大。

(3)各模式降水預報的RMSE有隨預見期增加而增大的趨勢。

3.2 三率綜合評價值

CMA、JMA、ECMWF、UKMO、KMA預報模式在赤山湖流域的三率綜合評價值計算結(jié)果如表2、圖3所示。

由表2、圖3可知：

表2 赤山湖流域降水預報三率綜合評價值

圖3 赤山湖流域降水預報三率綜合評價值

(1)對于暴雨量級的降水預報，5個氣象預報模式中JMA的三率綜合評價值最高，具有明顯的優(yōu)勢。

(2)對于大雨及其以下量級的降水預報，ECMWF的三率綜合評價值高于其他模式，但5個氣象預報模式的三率綜合評價值相差不大。

(3)整體上，各模式降水預報的三率綜合評價值隨著量級增大有下降趨勢。

4 結(jié)語

將TIGGE應用于赤山湖流域，基于2015—2019年汛期(5—9月)降雨預報數(shù)據(jù)和流域?qū)崪y降雨資料，采用均方誤根差指標RMSE和降雨預報三率綜合評價指標對TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMO、CMA等5個模式的預報精度進行了評價研究，結(jié)論如下：

(1)在赤山湖流域TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMO、CMA這5個模式中，無論是均方根誤差RMSE還是三率綜合評價指標，JMA模式的表現(xiàn)最好，其次是ECMWF；UKMO、CMA和KMA整體誤差偏大，KMA還出現(xiàn)了不合理的波動。

(2)隨著預見期的增長，各模式預報精度都呈下降趨勢；整個預見期內(nèi)各模式無雨預報能力均較強，小雨及以上量級降雨的預報能力逐漸減弱。

(3)應加強對TIGGE產(chǎn)品的校正方法及其應用研究。