基于深度学习的雷达降雨临近预报及洪水预报

为探究深度学习的雷达降雨临近预报在流域洪水预报中的适用性,采用U-Net、嵌入注意力门的Attention-Unet和添加转换器的多级注意力TransAtt-Unet开展雷达降雨临近预报,将预报降雨作为HEC-HMS水文模型的输入,对柳林实验流域进行洪水预报。结果表明:1 h预见期时,Attention-Unet对短时强降雨预报结果较好,TransAtt-Unet预报降雨模拟的洪峰流量和径流量相对误差小于20%,各深度学习模型对量级较大的降雨和洪水预报精度较高;2 h预见期的预报降雨强度、降雨总量、洪峰流量和径流量存在显著低估,U-Net能取得相对较好的降雨预报结果。基于深度学习的1 h预见期雷达降雨临近预报及洪水预报可为流域防洪减灾提供科学依据。

雷达定量测量降雨在洪水预报中的应用

应用雷达的基数据资料,提取雷达反射率,利用分组Z—I关系转化雷达反射率为雨强,运用地面雨量站网实测雨量对其进行卡尔曼滤波校准,将其结果作为洪水预报模型的降雨输入,并将该方法应用于湖北省白莲河流域.

WRF模式在大渡河流域的定量降雨预报试验

为了更好地满足大渡河流域水库预报调度需要,利用中尺度WRF模式在大渡河流域进行了高分辨率的定量降雨预报试验,并对预报结果进行评定。结果表明,WRF模式对大渡河流域的降雨空间分布有较好的预测能力,能预测出流域发生的明显降雨过程,对流域降雨过程的主要雨带和强度有较好的预报效果,在降雨的空间分布上与实况基本吻合。但WRF模式对中雨及以上强度的降雨存在较大的空报率,还有待继续针对大渡河流域开展模式参数化方案优化和资料同化试验。

利用气象卫星进行降雨定量预报

由国内近期研制成功的“ＧＭＳ气象卫星云图降水预报系统”，利用ＧＭＳ气象卫星实时云图资料，进行蓝勃托投影，地江西万这隶库流域实际地理位置进行定标，并对红外数据进行反演，从而对未来降雨作出了定量预报。该系统还采用了概率分布方法，在子相对单一，可移植性好，非常适合非气象专业部门使用，该系统已在万安水电厂投入运行，并在１９９８年８月初发生特大洪水的雨情预报中发挥了作用。实践证明该系统是基本成功的。

定量降水预报与水文模型耦合的中小流域汛期洪水预报试验

预见期内的降水量直接影响着洪水预报的精度,预见期愈长,预见期内的降雨对预报值影响愈大,预见期内的降雨越来越被人们重视。本文以湖北省漳河水库流域为例,利用中尺度数值模式(AREM模式)的预报降雨信息,作为洪水预见期内的降雨,输入新安江模型,对流域2008年汛期典型洪水过程进行预报测试,结果表明考虑预见期内的降雨相对于未考虑预见期降雨对洪水预报结果提高具有明显的优势。研究表明中尺度暴雨模式预报技术在水文预报学的应用具有广阔的发展空间。

雷达定量降水估算在水文模式汛期洪水预报中的应用试验

通过雷达测雨技术获得高时空分辨率的降雨信息,作为水文模型的输入,用以提高水文预报的精度。文章以湖北省白莲河流域为例,利用分组Z-I关系转化雷达反射率为雨强,运用地面雨量站网实测雨量对其进行校准,将不同方法估算得到的雨量结果输入新安江模型进行洪水预报测试,结果表明未校准雷达估算降雨量直接输入水文模型,其结果是不理想的;利用校准后的雷达估算降雨量进行洪水预报,精度得到了很大提高。

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。

高分辨率短临模式在一次极端降雨过程中的定量检验

以2018年严重影响广东的一次极端季风低压降雨过程为研究对象,基于邻域法,对Grapes-1km短临模式预报降雨的极端性、站点预报能力进行定量检验。结果表明:(1)模式对降雨峰值时段的极端降雨具有一定低估,但是提前量越小,相对偏差的绝对值和均方根误差越小。(2)模式性能与降雨范围的局地性有一定的相关性,局地性降雨时段,模式预报的偏差较大。(3)分区检验结果显示,模式低估了站点降雨量,尤其是强降雨区域。(4)分级检验结果表明,模式晴雨预报调整不明显,而当降雨阈值提高后,模式调整效果更明显。(5)邻域范围内模式命中强降雨的相对位置显示模式预报降雨系统较实况移速偏快。(6)模式在临近时次的调整较为明显,调整效果较好。

不同时段降雨输入对区域洪水预报精度的影响探讨

定量分析了大凌河流域3 h、6 h、9 h三个时段降雨输入对区域洪水预报精度的影响。分析表明:在同一组水文模型参数下,降雨输入时段越大,洪水预报精度越低;在不同组水文模型参数下,降雨输入时段对洪水预报精度影响程度较低。研究成果对于指制定区域洪水预报方案具有重要参考意义。

基于路径相似的登陆热带气旋降水之动力-统计集合预报模型

数值天气预报(NWP)过去几十年在热带气旋(TC)预报方面的最大进步是越来越准确的路径预报。对于登陆TC降水的预报,目前以数值模式为代表的技术手段预报能力还十分有限。围绕动力-统计结合之方法研究,初步发展了登陆热带气旋降水(LTP)预报的一种新方法:基于路径相似的登陆热带气旋降水之动力统计集合预报(LTP_DSEF)模型。该方法主要分为五步:TC路径预报、相似路径TC识别、其他特征相似性的判别、TC降水集合预报和最佳预报方案选择;涉及两个关键技术:TC降水分离的客观天气图分析法(OSAT)和TC路径相似面积指数(TSAI)。LTP DSEF模型对2012-2016年影响华南地区出现最大日降水量≥100 mm的21个TC的定量降水预报(QPF)试验结果显示,该模型对登陆TC过程降水的预报结果优于动力模式。登陆TC过程降水≥50 mm情况下,建模样本和独立样本平均TS评分均高于动力模式(EC、GFS、T639)相应的最好表现。对LTP_DSEF模型三个最佳方案的参数取值分析显示,起报时刻参数设定为最临近影响时刻即TC对陆地产生降水的前一天12:00 UTC、集合参数取最大值时预报效果稳定趋好。

基于水土耦合物理机制的区域滑坡概率预报技术研究

基于水土耦合物理机制的滑坡预报是通过计算安全系数给出确定性的预报结果,其可靠性依赖模型输入数据的精度,尤其是土体粘结力和内摩擦角。但这些数据尤其在区域尺度上存在较大的不确定性,进而导致安全系数存在不确定性。为解决该问题,引入了蒙特-卡洛随机取值的方法,提出了基于水土耦合物理机制的滑坡概率预报模型,并首次尝试选取西南地区为试验区域开展滑坡预报试验及检验。结果表明:2017年汛期发生了11次典型的滑坡案例,该模型成功预报9次,成功率达82%。具有较好的预报准确率,可为地质灾害防灾减灾提供技术支撑。

中央气象台精细化网格降水预报技术的发展和思考

定量降水预报(QPF)是中央气象台最传统且最核心的天气预报业务,随着经济社会的快速发展对降水预报精细化程度需求越来越高,提升降水预报的精细化水平成为中央气象台面临和需要解决的首要问题之一。目前中央气象台制作和发布空间分辨率5 km,未来3天逐1 h时间间隔、未来10天逐3 h时间间隔的网格化定量降水预报产品,并发布雨、雨夹雪、冻雨和雪降水相态及新增积雪深度的精细化预报产品。本文围绕精细化降水预报技术这一关键环节,回顾了中央气象台在数值模式精细化降水预报、时空精细化降水预报技术、降水相态和新增积雪精细化预报技术以及精细化检验评估技术等方面的进展,并思考目前精细化降水预报业务技术发展存在的问题及未来的发展,以期为中央气象台和全国精细化QPF技术的发展提供重要参考。

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。

崇左市短临降水预报系统的应用检验

利用崇左短临降水系统,对2019年7月至2020年6月崇左174个站点逐小时定量降水预报产品(QPF)进行点对点的检验评估,并选取检验时段内20个强降水个例进行分析。结果表明,降水评分受预报事件频率季节变化影响较大;预报效果西部高于东部;对大范围降水及频率较高的暖云降水预报效果较好;系统对短时强降水预报主动性好,命中率较高,对短时强降水短临预报预警业务有较好的参考价值。

台湾地区登陆台风降雨结构之雷达观测

中央气象局全省都卜勒雷达网於2001年建置完成，都卜勒雷达所量测的降雨回波和径向速度数据资料，提供了一个前所未有的机会，进行台湾地区降雨系统内部降雨和运动场结构的研究。本文利用位於瑞芳乡五分山雷达回波资料探讨侵台台风降雨结构的特徵，并以纳莉台风(0116)爲例，分析台风登陆前後降雨分布以及降雨率变化特性。同时利用TRMM卫星降雨雷达和微波成像器资料分析纳莉台风登陆前後眼墙区深对流的发展情形。本文同时提出台风定量降雨预报除了了解其降雨强度(rainfall intensity)特性外，也应该重视降雨壮度(rainfall strength)的特徵，对於侵台台风降雨延时(duration)以及影响范围的估计都有重大意义。

定量降水估计（QPE）和短期定量降水预报（QPF）

我国地处东亚季风区，是暴雨频发和多发地带。每年汛期，致洪暴雨引发的洪涝灾害造成国民经济与人民生命财产的巨大损失。正确的定量降水估计和短期定量降水预报（特别是暴雨监测和预报）是各级政府指挥抗洪救灾的主要科学依据之一，开展对暴雨的深入研究是国家十分紧迫的重要需求。目前我国的暴雨定量预报准确率仅有百分之十几（TS评分），与发达国家（美国为百分之二十几）还有很大差距。同时，暴雨预报和服务水平与社会经济和人民生产生活高速发展的迫切需求间距离也越来越大，主要表现在：①定量降水估计的精度还有待于进一步提高；②对极易致灾（流域洪涝、山洪爆发、城市积涝）的特大暴雨的预报水平还很低；③对暴雨过程强降水时空结构的精细化预报能力还有待提升；（4）对突发性、频发性和持续性暴雨过程的预报能力还显不足。

变化环境下城市水文学的发展与挑战——II.城市雨洪模拟与管理

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。从城市雨洪模型构建的角度,回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程,总结了各种技术的特点、适用性和局限性,指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足,提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度,介绍了城市雨洪管理基本理念和策略,分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景,未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力,探索城市化流域的产汇流机理和响应机制,开发有效的城市雨洪模型系统,发展多源信息耦合技术,开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究,实现城市可持续发展以及保障城市水安全。

基于雷达和雨量站的权重校准法研究及其应用

利用雷达测量降雨可获得流域面上的瞬时降雨分布,但数据有一定的误差,可利用雨量站实测资料修正。以湖北省白莲河水库流域为例,首先运用集对分析方法确定雷达估算降雨场的Z^I关系,然后结合流域雨量站点对雷达估算降雨量进行校准。在此基础上提出了一种基于雷达和雨量站点资料的权重校准法,通过雨量站确定流域内各网格的降雨量级,对各网格的雷达测量降雨量精度进行调整,以充分发挥两种降雨估算方法各自的优势,得到比较理想的流域面雨量,最后将其输入到三水源新安江洪水预报模型,与其他降雨估算方法进行比较,洪水预报精度有一定提高。

简析气象服务与水文服务的有效衔接

水文服务和气象服务都是防洪减灾非工程措施的重要环节。水文气象预测预报的准确度和预见期直接关系到防洪减灾的应急响应和重要决策。作为水文预测预报的输入,气象服务产品的质量很大程度成为水文预测预报的精度和预见期的不确定因素。在分析水文服务和气象服务各自特点的基础上,简要明确不同水文预测预报领域对气象服务产品,特别是定量降雨估算(QPE)和定量降雨预报(QPF)的特殊需求,指出了目前气象服务产品在针对水文服务需求方面尚存在的不足,对加强气象服务与水文服务的有效衔接进行了展望。

浙江省滑波、泥石流多发区气象预警研究

在对浙江最主要的突发性地质滑坡、泥石流子体与降雨量的统计分析后,提出了有效降雨量概念,通过统计分析,获得了计算有效降雨量关系式和四个多发区的临界有效降雨量。针对滑坡、泥石流,应用MM5中尺度预报模式进行本地化,并结合卫星和雷达的客观雨量预报方法。三种客观预报雨量的方法互相补充。经2003年和2004年试报,对雨量预报和滑坡、泥石流预测有较好的效果。