易香妤，徐衛(wèi)立，李 波

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

自2002年成立起，三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三峽梯調(diào)”，TGDCC )氣象服務(wù)在上游流域梯級(jí)水庫(kù)的施工建設(shè)、防洪調(diào)度、電力生產(chǎn)、長(zhǎng)江航運(yùn)等方面發(fā)揮了重要保障作用。

為了提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)，長(zhǎng)江電力在電力行業(yè)率先建立了三峽梯調(diào)專(zhuān)業(yè)氣象團(tuán)隊(duì)，并從2002年開(kāi)始投入試運(yùn)行了三峽梯調(diào)中心專(zhuān)業(yè)氣象臺(tái)氣象應(yīng)用軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了氣象信息傳輸處理、氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理、氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)、氣象信息加工與分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作平臺(tái)、氣象信息與預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)等功能模塊[1]。初期的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、預(yù)報(bào)與服務(wù)效果良好，常規(guī)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為90%，較均值提高了5%，強(qiáng)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為38%，較均值提高了4%[2]，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在多年的生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，三峽梯調(diào)中心專(zhuān)業(yè)氣象臺(tái)氣象應(yīng)用軟件系統(tǒng)針對(duì)精度提升、穩(wěn)定數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)擴(kuò)展、功能優(yōu)化及軟硬件平臺(tái)等方面等進(jìn)行了多次系統(tǒng)升級(jí)改造，建成了基于Arcgis Engine的三峽梯級(jí)調(diào)度可視化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提升了三峽梯調(diào)氣象水文信息服務(wù)的可視化效果和實(shí)用性，相關(guān)功能還在湖北省氣象局有關(guān)單位的氣象決策服務(wù)和天氣會(huì)商業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用[3]。

隨著金沙江下游-三峽流域梯級(jí)電站的開(kāi)發(fā)和電力市場(chǎng)的改革，面對(duì)長(zhǎng)江上游流域復(fù)雜的地理地貌和天氣特征，三峽梯調(diào)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)對(duì)三峽梯調(diào)氣象服務(wù)保障提出了更高的要求。氣象服務(wù)的范圍不僅要由庫(kù)區(qū)的“點(diǎn)”推廣至流域的“面”，多庫(kù)聯(lián)合調(diào)度、長(zhǎng)江上游流域的防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)調(diào)度等業(yè)務(wù)還需要?dú)庀箢A(yù)報(bào)預(yù)測(cè)服務(wù)在時(shí)效性、精細(xì)化、準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行全面的提升[4]。同時(shí)原系統(tǒng)在硬件環(huán)境方面存在設(shè)備硬件良莠混雜、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)能力落后、通信鏈路無(wú)法滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮葐?wèn)題；在業(yè)務(wù)體系方面存在信息孤島[5]、業(yè)務(wù)煙囪等問(wèn)題，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間缺乏有效協(xié)作和聯(lián)動(dòng)，制約了系統(tǒng)效能的發(fā)揮、業(yè)務(wù)水平的提升；在系統(tǒng)架構(gòu)方面存在凌亂分散、不易維護(hù)升級(jí)以及數(shù)據(jù)環(huán)境不統(tǒng)一、應(yīng)用接口不標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。面對(duì)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展與系統(tǒng)需求不足的矛盾，對(duì)現(xiàn)有氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造是進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、提高工作效率、緊跟業(yè)務(wù)需求的有效手段。

1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)

在氣象系統(tǒng)現(xiàn)有功能和資源的基礎(chǔ)上，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)自2018年開(kāi)始注重打造高性能、可靠的底層軟硬件平臺(tái)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，建立集約化的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對(duì)三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)、基礎(chǔ)環(huán)境、系統(tǒng)功能等進(jìn)行了全面的改造升級(jí)。改造設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)總體架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)思想，以降低層與層之間的耦合、提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性為基本原則，系統(tǒng)升級(jí)后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包含四大板塊：基礎(chǔ)設(shè)施支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)支撐管理系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)平臺(tái)、氣象業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture diagram for Meteorological Service System of TGDCC

經(jīng)過(guò)約2 a升級(jí)改造，新氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)于2020年汛期開(kāi)始試運(yùn)行，并于2021年汛期正式投入使用，命名為三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。升級(jí)改造后豐富了產(chǎn)品內(nèi)容、提升了服務(wù)質(zhì)量，且較好地整合兼容新老業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并能與水調(diào)、電調(diào)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)作運(yùn)行，為金沙江下游-三峽梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度生產(chǎn)提供“及時(shí)、精確、可靠”的氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)服務(wù)能力提供了重要技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)升級(jí)功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的常用業(yè)務(wù)功能前端展示主要在三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)和三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)中，本文簡(jiǎn)要介紹其重要功能。

2.1 系統(tǒng)功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)是面向三峽梯調(diào)氣象預(yù)報(bào)員的核心業(yè)務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)依托湖北省氣象局的天擎系統(tǒng)、HBase分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、Cassandra 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)資源，開(kāi)發(fā)了綜合監(jiān)測(cè)、氣象信息綜合分析、壩區(qū)天氣預(yù)警、預(yù)報(bào)訂正、產(chǎn)品制作發(fā)布、流域氣候和評(píng)價(jià)檢驗(yàn)六大模塊功能。平臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)界面示意Fig.2 Schematic diagram of the interface for Meteorological Operation System of TGDCC

2.1.1 實(shí)況監(jiān)測(cè)產(chǎn)品豐富

在實(shí)況監(jiān)測(cè)的手段和數(shù)量方面，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較大突破。預(yù)報(bào)員可依據(jù)自動(dòng)站的類(lèi)型對(duì)長(zhǎng)江流域降水、氣溫、氣壓、濕度、能見(jiàn)度、風(fēng)、面雨量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；也可以查看長(zhǎng)江流域雷達(dá)拼圖(包括組合反射率、回波頂高、液態(tài)水含量、三維反射率)和氣象衛(wèi)星產(chǎn)品(包含風(fēng)云2號(hào)、風(fēng)云4號(hào)、葵花8號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果)；此外，系統(tǒng)還能滿(mǎn)足雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹天氣監(jiān)測(cè)報(bào)警產(chǎn)品的生成、報(bào)警以及雷達(dá)定量降水估算產(chǎn)品結(jié)果顯示。

2.1.2 警報(bào)預(yù)警時(shí)效性高

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壩區(qū)強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)報(bào)警功能和壩區(qū)預(yù)警產(chǎn)品一站式制作和一鍵式發(fā)布功能。預(yù)報(bào)員通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、雷達(dá)拼圖、衛(wèi)星云圖等實(shí)時(shí)信息，預(yù)報(bào)三峽壩區(qū)、葛洲壩壩區(qū)和三峽專(zhuān)用公路沿線(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，當(dāng)監(jiān)測(cè)到實(shí)況超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)采用圖、文、聲等方式進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)提醒值班預(yù)報(bào)員快速響應(yīng)，大大提高了警報(bào)和預(yù)警工作的效率和響應(yīng)時(shí)間。

2.1.3 多時(shí)間尺度的氣候產(chǎn)品

系統(tǒng)提供多時(shí)間尺度的氣候產(chǎn)品，包括：① 長(zhǎng)江流域雨季(金沙江雨季、梅雨、華西秋雨)的首場(chǎng)和末場(chǎng)強(qiáng)降水、140項(xiàng)氣候系統(tǒng)指數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；② 多模式長(zhǎng)江流域主要?dú)庀笳军c(diǎn)延伸期(11～30 d)降水集合過(guò)程預(yù)報(bào)；③ 水庫(kù)調(diào)度關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期等特定時(shí)期)內(nèi)長(zhǎng)江流域降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)；④ 長(zhǎng)江流域月、季、年降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)。隨著延伸期降水預(yù)測(cè)對(duì)水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃的影響越來(lái)越深遠(yuǎn)，多時(shí)間尺度的氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)品為預(yù)報(bào)員提供了更科學(xué)高效的技術(shù)支撐。

2.2 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)

三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)是在氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的面向三峽水庫(kù)梯級(jí)調(diào)度各類(lèi)用戶(hù)的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)數(shù)據(jù)源包括CMACast衛(wèi)星的接收資料和智能預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)平臺(tái)生成的各類(lèi)產(chǎn)品，采用B/S架構(gòu)，通過(guò)leaflet地理信息系統(tǒng)框架進(jìn)行交互和顯示，主要提供氣象產(chǎn)品展示、綜合信息查詢(xún)、業(yè)務(wù)監(jiān)控管理，可實(shí)現(xiàn)綜合降水、受電區(qū)氣溫、臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)，提供壩區(qū)預(yù)警、預(yù)報(bào)產(chǎn)品、模式預(yù)報(bào)的查詢(xún)，提供氣象知識(shí)科普學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)流程化天氣預(yù)報(bào)會(huì)商，并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，平臺(tái)界面如圖3所示。

圖3 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)界面示意Fig.3 Schematic diagram of the interface for Meteorological Information Network of TGDCC

3 系統(tǒng)升級(jí)成效

3.1 數(shù)據(jù)平臺(tái)

氣象數(shù)據(jù)是氣象業(yè)務(wù)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代氣象技術(shù)的發(fā)展，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(地面、高空各層多要素，雷達(dá)、衛(wèi)星)、數(shù)值模式數(shù)據(jù)(天氣模式、氣候模式)及二次開(kāi)發(fā)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，單日接收數(shù)據(jù)量從“以G計(jì)量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙訲計(jì)量”，海量的氣象大數(shù)據(jù)給傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)的管理和服務(wù)帶來(lái)巨大壓力。升級(jí)后的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)依托湖北省氣象局的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建了以云平臺(tái)為支撐，多信息渠道為保障，本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)共享同步的專(zhuān)用氣象信息網(wǎng)絡(luò)[6]，實(shí)現(xiàn)了氣象大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，并與三峽梯調(diào)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互和互備，開(kāi)啟了氣象水文信息的深度共享的新局面。

3.2 分析系統(tǒng)

氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)是當(dāng)前中國(guó)氣象預(yù)報(bào)行業(yè)內(nèi)的重要支撐平臺(tái)[7]。三峽氣象業(yè)務(wù)所使用的氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)從早期的第二代(MICAPS2)升級(jí)為第四代(MICAPS4)，并逐漸向云化、智能化發(fā)展。MICAPS4靈活性高、開(kāi)放程度大，提供完整的數(shù)據(jù)采集、預(yù)報(bào)員交互操作和數(shù)據(jù)分析服務(wù)，預(yù)報(bào)員能夠在短時(shí)間內(nèi)分析氣象實(shí)況資料和數(shù)值分析預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并掌握大氣三維結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況[8]。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量

為加強(qiáng)流域短時(shí)降水預(yù)報(bào)能力，新系統(tǒng)引入了基于變分光流法的雷達(dá)外推、高分辨率快速同化預(yù)報(bào)產(chǎn)品與雷達(dá)資料外推相融合[9]的三峽庫(kù)區(qū)短時(shí)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品，提升了三峽庫(kù)區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程短臨預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣警報(bào)和預(yù)警的準(zhǔn)確率。2021年，三峽-葛洲壩壩區(qū)發(fā)布了147次天氣警報(bào)和39次天氣預(yù)警，全年天氣無(wú)漏報(bào)，警報(bào)預(yù)警評(píng)分超90%。

為支持水文精細(xì)預(yù)報(bào)，建立了從實(shí)況、短時(shí)、短期到中期的精細(xì)化、網(wǎng)格化的長(zhǎng)江流域降水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了流域氣象預(yù)報(bào)從固定分區(qū)的流域面雨量跨度預(yù)報(bào)向任意分區(qū)降水格點(diǎn)預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變，為提升水文預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期提供了變革性的氣象支持。

采用前期環(huán)流特征、海洋特征和大氣下墊面的氣候特征等信息，基于氣候數(shù)值模式法、數(shù)值模式的環(huán)流降尺度法提供長(zhǎng)江流域月尺度降水氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)產(chǎn)品；利用長(zhǎng)江流域氣象站點(diǎn)資料和大氣環(huán)流指數(shù)資料及模式輸出資料，依托最優(yōu)子集回歸統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法、前期氣候特征相似組合法、動(dòng)力模式降尺度法等提供長(zhǎng)江流域關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期)、季、年尺度氣候預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品，各時(shí)間尺度氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)品對(duì)后期調(diào)度計(jì)劃具有較大參考作用[10]。例如2021年7月21日起的延伸期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確預(yù)判了長(zhǎng)江上游8月上旬末開(kāi)始將轉(zhuǎn)入多雨形勢(shì)，同年汛期前成功將長(zhǎng)江干流以北降水偏多情形提前預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的降雨形勢(shì)預(yù)判對(duì)后期調(diào)度計(jì)劃提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

3.4 個(gè)性服務(wù)

隨著業(yè)務(wù)的創(chuàng)新擴(kuò)展，氣象業(yè)務(wù)在生產(chǎn)中的重要性逐日顯現(xiàn)。從流域大水電的降雨預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)，到受電區(qū)域特殊天氣(寒潮、高溫、臺(tái)風(fēng)等)跟蹤預(yù)報(bào)，再到發(fā)展中的金沙江新能源風(fēng)、光資源評(píng)估預(yù)測(cè)，梯調(diào)氣象依靠業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的完善升級(jí)，針對(duì)不同業(yè)務(wù)板塊提供了專(zhuān)業(yè)、豐富、個(gè)性化的氣象服務(wù)產(chǎn)品，利用氣象信息網(wǎng)的“天氣預(yù)報(bào)會(huì)商”模塊能進(jìn)行流程化水文氣象會(huì)商，實(shí)現(xiàn)了有力的基礎(chǔ)服務(wù)保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的升級(jí)使用是利用共享氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)，完成了共享使用和氣象產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用，建成了無(wú)縫隙、格點(diǎn)化、精細(xì)化、定量化的流域降水預(yù)報(bào)體系，實(shí)現(xiàn)了流域降水預(yù)報(bào)從面雨量跨度預(yù)報(bào)向分區(qū)格點(diǎn)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，打造了各業(yè)務(wù)板塊個(gè)性化的氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，延長(zhǎng)了氣象預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期，有效提高了梯級(jí)水庫(kù)氣象監(jiān)測(cè)、短中期預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)的精確度。