汉江“83·10”致洪暴雨重预报研究

受气象监测及预报能力限制,1983年10月3~6日汉江流域的致洪暴雨过程,普遍未能准确预报,从而对丹江口水库防洪调度形成了很大压力。通过比较2015年和1983年气象监测水平、降雨预报水平,利用中尺度数值模式WRF和区域气候模式Reg CM4分别对"83·10"暴雨过程以及1983年以来与"83·10"相似量级来水天气过程进行模拟,在当前技术条件下,重现"83·10"暴雨预报过程,并研究预报效果。研究表明:2015年气象监测预测水平较1983年有本质提高,中尺度数值模式能够提前3 d预测出该过程,区域气候模式能提前一个月预测出1983年10月上旬降雨集中;在当前技术条件下,充分运用现有各种观测资料,综合应用多种数值预报模式,可使汉江上游大范围强降雨过程基本不会漏报。     

青狮潭水库降水集合预报模式构建及应用

数值降水集合预报能够降低因单值预报带来的不确定性,是国内外关注的热点。但当前研究多将集合样本预报技巧等同对待,采用集合算数平均得到最终预报结论,这种集合预报方式较为粗放,难以有效区分不同集合样本的差异。针对该问题,本文选择位于广西暴雨中心的青狮潭水库为研究区,构建了基于ETS评分的综合定量评价模型,通过WRF模式21组参数化方案敏感性分析,以及样本数量与集合预报技巧的定量分析,依据ETS评价结果实现了青狮潭水库降水集合预报方案的构建。经验证,本文构建的集合预报方案较集合算数平均预报技巧更高,表现更加稳定。     

基于TIGGE多模式的6 h降雨预报精度对比分析

降雨数值预报是预防极端天气导致灾害事件的重要手段,其预报精度是预报产品是否被采用的依据。以跋山水库流域为研究对象,选取了TIGGE系统中的ECMWF、NCEP、CMA、JMA、UKMO共5个预报模式的控制预报与集合预报,分别从降雨分级预报检验和降雨量预报检验两个角度,利用Brier评分和Talagrand分布图,分析了2007—2019年5—9月控制预报和集合预报降雨数据的精度。结果表明:(1)就降雨分级预报而言,对于无雨、小雨和中雨量级,5个预报模式控制预报和集合平均预报效果相差不大;对于大雨量级,JMA和NCEP的控制预报效果最佳,JMA和UKMO的集合平均预报效果最佳;对于暴雨及以上量级,NCEP的控制预报和集合平均预报均效果最佳;(2)针对降雨量预报,UKMO控制预报和集合平均预报效果最佳;(3)无雨等级的Brier评分最高,且Brier评分随着降雨等级的提升而降低,表明大量级降雨时Brier评分较好;CMA的评分在无雨、小雨、中雨、大雨4个等级表现最好;(4)5个模式Talagrand分布形态均呈粗略的“U”字型,表明5个预报模式集合成员的分散不够。综合来看,UKMO和NCEP的预报效果最佳。据此研究可选出高精度的降雨预报产品。     

基于ECMWF和WRF的嘉陵江流域面雨量预报精度评估

将降雨数值预报产品运用到水文预报中已经逐渐成为提高洪水作业预报的预见期的重要手段。为充分了解ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts)和WRF(Weather Research and Forecasting model)2种数值天气预报产品对嘉陵江研究区面雨量预报的预报精度和误差分布,且为增强洪水预报精度的稳健性提供科学支持,采用TS评分、空报率、漏报率、正确率等指标,对嘉陵江地区7个气象分区内的2016年汛期面雨量预报结果进行了检验,分析了不同分区内各检验指标与预报时效的关系。结果表明:ECMWF数值预报产品和WRF数值预报产品均可用于该地区晴雨预报,且2种产品的预报精度随降水等级的增大呈增大趋势,随预报时效的增加呈减小趋势。综合而言,ECMWF数值预报产品对嘉陵江研究区的预报效果更好。     

长江上游流域短期水文气象耦合预报技术研究

为延长水文预报有效预见期,提高预报精度,采用WRF模型降雨预报作为输入,建立针对长江上游的WRF定量降雨预报模型,利用2014年WRF模型对长江上游的预报结果,采用水文气象耦合的方式,研究输入资料在空间尺度变化的情况下对水文预报的影响。     

MM5在黄河流域降水和气温预报中的应用

基于NCEP再分析资料,利用中尺度数值预报模式MM5开展了黄河流域降水和气温预报工作,对其在2011年渭河流域典型降水过程及2011年宁蒙河段和黄河下游的气温预报效果进行分析检验。结果表明:MM5对渭河流域雨区分布、强度及强降水中心位置和量级的预报与实况比较吻合,模式能够正确反映渭河流域汛期降水的空间分布特征;对于气温预报,随着预报时效的延长,误差增大,但平均误差范围均在允许的误差范围内,尤其是对内蒙古河段凌情预报的关键站点-包头站,预报效果最佳。     

模式水平分辨率对梅雨锋降水定量预报的影响

利用三维非静力平衡中尺度／云模式对1999年6月23日08时～24日08时江淮地区一次梅雨锋系统降水过程进行了五种不同水平分辨率的数值模拟试验。模拟结果表明，提高模式水平分辨率，明显提高了大到暴雨的定量预报(大于25mm和大于50mm)的精度；但研究发现，这种精度的改进随着水平分辨率的进一步提高存在明显的阈界，即在水平分辨率提高到18公里以后，再提高水平分辨率，对暴雨预报成功率的改进幅度不大，因此，对于梅雨锋雨带中尺度强降水的业务预报，将模式水平分辨率提高到18公里比较适宜。     

变化环境下气象水文预报研究进展

随着全球气候变化、下垫面改变及高强度人类活动的不断加剧,流域降水、蒸发、径流等气象水文要素都受到直接性的影响,水文序列的一致性假设不复存在。在变化环境下,传统径流预报方法适用性逐步变差,从而对气象水文的精准预报带来挑战。本文分别从气象水文预报的各个环节——多源降水数据融合、数值天气预报、流域水文模型、参数率定、数据同化、集合预报等方面综述了变化环境下的气象水文预报的研究进展。可以看到,国内外学者围绕上述技术都开展了大量研究,并取得了大量成果。未来针对变化环境下气象水文预报研究,将主要围绕以下方向开展:(1)落地和预报降水精度及时空分辨率的进一步提高;(2)水文模型结构的改进及不确定性分析;(3)水文预报误差的描述方法及其可靠性。     

集合降雨预报在柬埔寨区域的应用研究

为了在分析研究区域内降雨变化趋势的基础上,探讨不同预见期的集合降雨预报数据在柬埔寨地区的可利用性及降雨集合预报数据的准确性,以柬埔寨境内3S河流域和湄公河流域上段为研究区域,分别采用滑动平均和数理统计法(M-K检验、Kendall检验、Spearman检验和LRT检验)分析研究区域内降水量的变化趋势。结果表明该区域内降雨呈缓慢增长趋势。采用ECMWF提供的降雨集合预报信息对比分析了1,3,5,7 d集合降雨预报对实测降雨的覆盖程度,并采用3个指标评价了集合降雨预报控制值的精度。结果表明随着预见期的延长,1~7 d集合降雨预报精度逐渐降低,但中短期集合降雨预报整体精度较高,推荐在研究区域采用1~5 d预报数据。     

基于TOPSIS的长江上游流域降水模拟与预报研究

为研究长江上游流域高精度的短期降水模拟和预报,优选适宜于流域的WRF模式参数化方案组合,构建了模式中不同微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,建立了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多个指标的定量综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案优选方法,并在长江上游流域选取了4场典型强降雨过程进行模拟分析。研究结果表明:在长江上游流域采用微物理过程WSM3方案、陆面过程Noah方案、积云参数KF方案条件下,WRF模拟降水与实测降水的空间分布和降水量级更为相符。     

多源城市暴雨预报数据融合研究进展

全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程,加剧了城市暴雨洪涝问题。为有效预报洪水,减轻洪涝灾害,借助水文水力模型对城市水循环的各个环节进行模拟。而单一暴雨预报数据的不确定性是使用水文水力模型模拟预报洪水面临的重大挑战。从城市雨洪模型输入不确定性的角度出发,回顾了暴雨预报技术的发展历程,总结了各种预报方法的特点、适用性和局限性,指出基于单一暴雨预报数据驱动模型预报洪水的不足,提出多源暴雨预报数据融合的基本框架。未来应强化降雨观测和定量降水预报能力,发展多源信息耦合技术,实现高精度、长预见期的洪水预报,为城市防洪减灾提供依据。     

基于集合预报的淮河流域洪水预报研究

建立基于集合预报的淮河具有行蓄洪区流域洪水预报及早期预警模型。在洪水预报中引入数值天气预报以延长洪水预报的预见期。集合预报采用多模式和多分析集合预报技术,考虑初始场的不确定性和模式的不确定性,避免“单一”确定性数值天气预报结果易存在的预报误区。THORPEX 项目支撑的THORPEXInteractiveGrand GlobalEnsemble（TIGGE ）集合预报目的是建立全球交互式预报系统。本文以淮河流域为试验流域,以TIGGE 集合预报（加拿大气象中心（简称CMC,集合成员数为15个）、 欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF,集合成员数为51个）、 英国气象局（简称UKMO ,集合成员数为24个）、 美国国家环境预测中心（简称NCEP,集合成员数为15个））驱动构建的水文与水力学相结合的具有行蓄洪区流域洪水预报模型以达延长洪水预报的预见期,新安江模型用于降雨径流计算、一维水动力学模型用于河道洪水演算,实现洪水预报及早期预警。为了进行比较,同时采用地面雨量计观测降水驱动构建的洪水预报模型,对2007和2008年淮河汛期洪水进行检验。结果表明,基于TIGGE 集合预报驱动的洪水预报预见期延长了72~120h ,证明了TIGGE 集合预报可以应用于洪水预报及早期预警。     

复杂地形区域近地层风场的WRF模拟研究

风能资源评估是风能开发利用的关键环节之一,它是制定风能规划、风电场选址和风电功率预测的重要基础。本文采用WRF中尺度大气模式对湖南省湘西自治州某风电场区域进行高分辨率数值模拟,模拟时间为2011年5月19日8∶00—5月24日8∶00,采用4层嵌套结构,最内层水平分辨率为1 km×1 km,并将模拟结果中的小时平均风速(10 m、50 m、70 m)、温度和压强与实测数据进行对比分析。研究结果表明,应用WRF模式对复杂地形区域进行值模拟,不但可以对风速、温度和压强进行较好地模拟,还能刻画出复杂地形局地风场特性。为风能资源评估提供了一种可行的评估手段。     

基于时效匹配法的融合降雨临近预报研究

基于天气雷达外推的降雨临近预报其有效预报期通常不超过3h,而数值天气预报的预热问题"Spin-up"往往导致短期内的预报能力较差.鉴于此,本研究通过"取长补短"设计了一种依据临界成功率指标(CSI)和均方根误差(RMSE)的时效匹配方法,对两者的降雨预报进行融合,并选取了位于大清河水系的阜平、紫荆关流域的4场时空分布均...     

适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统研究

为了探寻适合云南地区风功率预测的数值天气预报系统,利用 GFS 资料为中尺度模式 WRF提供初始场和边界条件,评估了不同模式分辨率、参数化方案对云南地区风速模拟结果的影响。结果表明: 对于云南地区,3 km 分辨率风速模拟效果总体上优于 9 km 分辨率; 不同参数化方案对于风速模拟效果影响较大,其中第 3 套参数化方案( 长波辐射方案选用 Earth Held － Suarez,短波辐射方案选用 RRTMG,陆面过程选用 Noah,积云对流方案选用 Kain － Fritsch,行星边界层方案选用 YSU) 为云南地区的最优化方案,其模拟结果与观测资料均方根误差最小( 区域平均均方根误差约为 1. 67 m / s,17 个观测站点平均均方根误差约为 3. 30 m / s) 。进一步结合功率预测模型分析表明,较优的分辨率 －参数化组合方案可以提升云南地区风电场功率预测合格率达 9. 68% ～ 38. 71% 。研究成果对提高云南地区风电场功率预测水平、制定合理消纳风电计划具有一定的指导意义。     

基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究

降雨数值模拟是延长水文预报预见期的重要方法,但由于降雨数值模拟中驱动数据所提供的初始场和边界场条件和大气的实际状态并不是完全吻合,导致模拟结果存在误差。减小降雨数值模拟的误差是提高水文预报精度的关键问题,特别是在大气数值模式和分布式水文模型耦合模拟过程中,高精度的降雨信息是准确模拟的关键。本文基于WRF模式和三维变分数据同化方法,选取雷达反射率和GTS(Global Telecommunication System)数据作为同化资料,开展基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究,从降雨的空间展布和指标评价两方面对同化前后的模拟结果进行对比。结果表明:同化后的模拟数据在CSI指标和RMSE指标上都优于同化前的模拟数据,说明同化后模拟数据的误差小于同化前的误差;将同化前后的数据展布在网格图中,发现同化后的数据可以更加准确地刻画降雨的空间分布规律,说明通过数据同化方法提高了模拟降雨和实际降雨空间分布的一致性,改善了WRF模式模拟降雨空间分布的能力。     

Real-time Neural-network-based Ensemble Typhoon Flood Forecasting Model with Self-organizing Map Cluster Analysis: A Case Study on the Wu River Basin in Taiwan

Accurate hourly real-time flood forecasting is necessary for early flood warning systems, especially during typhoon periods. Artificial intelligence methods have been increasingly used for real-time flood forecasting. This study developed a real-time flood forecasting model by using back-propagation networks (BPNs) with a self-organizing map (SOM) to create ensemble forecasts. Random weights and biases were set for the BPNs to learn the characteristics of a catchment system. An unsupervised SOM network with a classification function was then used to cluster representative BPN weights and biases; clusters of BPNs with high accuracy were selected to act as experts for the ensemble models to forecast flow rates. The model was applied to flood events in the Wu River Basin of Taiwan. Most observed values were within the forecasting intervals of the BPN clusters in the calibration and validation phases, indicating that the models had acceptable accuracy. For the large flood events of typhoons Saola in the calibration phase and Soulik in the validation phase, the mean average error of the ensemble mean model for the cluster A was 143.1 and 327.4 m³/s, respectively; these values were lower than those for the best individual model within the cluster (194.3 and 917.9 m³/s). The ensemble model thus outperformed the individual models and can accurately forecast flood values and intervals. Therefore, the model can be used to accurately forecast floods.

     

分布式水文模型结合雷达测雨用于三峡区间的洪水预报

长江三峡区间因暴雨形成的洪水峰高量大, 对三峡水库防洪安全和运行调度的影响不容忽视。依据三峡地区的地形地貌特征,采用基于 GIS的分布式水文模型来模拟区间洪水过程,以尽量减小洪水预报中的不确定性。研究表明 ,降雨信息缺失是洪水预报不确定性的主要来源,尤其是在雨量站稀疏的山区,雨量站观测 的降雨信息难以充分表征降雨空间变化。为此,进一步尝试利用雷达测雨数据作为分布式水 文模型的输入,通过对2个小流域的示例研究,结果表明雷达测雨能捕获降雨的空间分布, 它与分布式水文模型相结合,是提高洪水预报精度的有效途径之一。     

滑坡监测数据处理预报软件研究及应用

滑坡监测数据处理预报软件系统滑坡监测资料数据库及滑坡失稳预报模型为一体，它包括一个主控程序和８个主要功能模块；４个层次的滑坡失稳预报模型（变形阶段判别，中长期预测，短期预报，临滑综合判断）和３个变形阶段（初始变形，匀速变形，加速变形）。经滑坡实例验证，预报精度较高。该系统是进行滑坡监测数据管理与处理的实用软件。     

基于TIGGE数据的中期降水预报在江苏省的应用效果评估

预见期长达14d的中期降水预报对于旱涝预测与水资源调度管理等具有重要意义,全球多模式集合预报(TIGGE)资料为区域中期降水预报提供了新基础。基于2008-2013年江苏省实测降水数据,采用TS、BS评分、平均偏差和均方根误差等评估指标,重点评估了CMA、CMC、ECMWF、JMA和NCEP这五个TIGGE代表模式在江苏省的中期预报效果。结果表明:整个预见期内各模式对于中小雨的预报评分都较高,小雨的TS评分值最高多在0.5左右,中雨以上等级降水存在较明显的漏报。预见期长达15d的日累积降水量预报只存在3d的衰减期,之后各项误差指标值能维持稳定,3d以上预见期的误差主要为预报值偏大。同时,5d以上累积降水量预报也较实际偏大,且冬季预报效果最好夏季最差,苏北地区好于苏南地区。就各代表模式而言,ECMWF与JMA模式分别在降水分级预报和日累积降水量预报中表现最好。