金沙江中下游面雨量分布特征及预报检验

徐 诚,淡 嘉,宋雯雯,陶 丽

(四川省气象服务中心， 成都 610072)

引言

金沙江起自青海省玉树巴塘河口，止于四川省宜宾市东北翠屏区合江门的长江干流河段。其中，从石鼓镇至四川省屏山县新市镇为中段，从新市镇至宜宾市岷江口为下段。金沙江中段大部分河段均为连续的“V”型峡谷，两岸山地海拔约1500～3000m，下段两岸多在海拔500m以下，仅向家坝附近山岭海拔超过500m。金沙江中下游共有龙盘、两家人、梨园、向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等12座巨型水电站。

近年来，国内在很多流域开展了面雨量预报和检验业务，许多专家对金沙江流域的降水特征也做了大量分析[1-5]，李武阶等[6]利用2002～2012年金沙江下游56个国家站逐日降水资料，采用算数平均方法计算得到金沙江中下游逐日面雨量，指出金沙江中下游降水的时空变化特征明显，年平均降雨量为812mm，夏季最多，秋季次之，冬季最少，且秋雨多于春雨；孙士型等[7]利用Micaps系统提供的金沙江流域内64个气象站2005～2008年逐日降水资料，分析金沙江流域面雨量的气候特征，结果表明金沙江流域年平均降水量较嘉陵江、乌江和三峡区间均偏小，雨季(5～10月)降水量占全年的90%；张海荣等[8]基于金沙江流域1966～2010年降水和径流资料，采用单变量MK趋势分析法、突变检验法和多变量MK法对金沙江流域近几十年来的降水和径流变化进行了分析，结果表明金沙江流域全年降水和年径流整体呈上升趋势；奚圆圆等[9]根据金沙江流域28个雨量站1979～2011年月降水资料，分析了金沙江流域降水量变化特征，结果显示金沙江流域降水量空间分布不均；赵庆由等[10]分析了金沙江流域上段、中段、下段的降水量变化趋势；徐晶等[11]针对我国七大江河流域开展了面雨量的计算方法研究及应用；毕宝贵等[12]探讨了面雨量计算方法并将其应用到了海河流域；刘静等[13]对淮河流域汛期面雨量多模式预报进行了检验评估；朱占云等[14]评估了欧洲细网格、日本高分辨率及多模式客观集成技术模式预报对浙江省6个水库流域客观面雨量的预报效果；。从以上专家的研究来看，主要是利用站点资料对金沙江全流域的降水特征的分析，利用中央气象台智能网格预报产品和西南区域数值天气预报业务模式产品对金沙江中下游面雨量预报特征及检验评估的研究较少。同时，由于金沙江中下游地形复杂，气象站点稀疏，气象预报难度加大，尤其是在定量降水预报方面精度普遍不高，难以满足金沙江中下游水电站预报调度的需求。因此，开展金沙江中下游各子流域面雨量的分布特征及其效果评估的研究，对于提高金沙江流域防汛决策气象服务水平有重要意义，并且为金沙江中下游水电站工程建设施工安全、工程运行、以及防洪安全以及能源安全提供全方位的气象保障服务是非常有必要的。

1 研究区域概况及资料说明

1.1 研究区域概况及子单元划分

金沙江流域地形极为复杂，流域内气候时空变化较大[15]，流域面积1200km2以上的支流有18条[2]。从玉树县巴塘河口至云南省丽江市石鼓镇为金沙江上段，从石鼓镇至四川省屏山县新市镇为金沙江中段，从宜宾市屏山县新市镇至宜宾市岷江口为金沙江下段。本文着重研究金沙江中下段流域2019年4～10月的面雨量分布特征及预报。

根据三峡梯度调通信中心的流域划分方法，将金沙江中下游分为五个子流域(如图1)，分别为石鼓—攀枝花(A区)、攀枝花—华弹(B区)、雅砻江下段(C区)、华弹—屏山(D区)、横江流域(E区)。本文主要研究金沙江中、下两段五个子流域的面雨量分布特征及预报检验。

1.2 资料来源及方法

1.2.1 资料来源

本文选用2019年4～10月西南区域数值天气预报业务模式(SWC-WARMS，以下简称西南区域模式)提供的9km分辨率的降水产品和中央气象台智能网格预报(NWGD)提供的5km分辨率的预报时效为0～24h的降水预报产品，利用泰森多边形方法计算金沙江下雨流域面雨量。以金沙江中下游面雨量为研究对象，利用误差统计方法将精细化数值预报资料计算出来的金沙江中下游面雨量预报值和中央台智能网格预报的面雨量值与该区域面雨量实况值进行对比分析。

1.2.2 面雨量计算方法

本文采用泰森多边形法计算流域内面雨量。首先，求出研究区域所在的多边形面积，然后根据每个格点所占流域面积的权重，采用加权法对流域内各个格点的降水量进行叠加求和。

1.2.3 面雨量检验方法

本文采用平均绝对误差、模糊评分和TS评分等统计评价指标，对金沙江下游区域面雨量预报产品进行检验。以上几种统计评价指标计算如下：

(1)平均绝对误差(Ea)。指预报值和实况值的平均绝对误差，其计算公式为：

(1)

式(1)中，n为有雨预报正确的天数，Rf为有雨且预报正确时的面雨量预报值，Ro为有雨且预报正确时的面雨量实况值。本文仅统计实况有雨且预报也有雨时的误差。

(2)模糊评分(Mp)。为了较客观地评定面雨量预报，引入中国气象局在《全国七大江河流域面雨量监测和预报业务规定》中提供的模糊评分检验方法进行检验。其计算公式为：

(2)

式(2)中第一项为预报基础分，规定为60分；第二项为强度(量级)预报的加权分，Fi和Oi分别表示面雨量预报值和实况值。当面雨量预报量级与实况一致时(即预报与实况误差为0)，该预报评分为100。当面雨量预报值为0而实况面雨量也为0时，视为预报正确，预报评分为100分。

(3)TS评分(Tsk)。参考2005年中国气象局《中短期天气预报质量检验办法(试行)》中提供的方法，检验面雨量预报效果。其计算公式为：

(3)

式(3)中NAk为k等级降水预报正确(即预报等级与实况等级相同)的天数，NBk为k等级空报天数(即预报等级大于实况等级，记为预报等级空报)，NCk为k等级漏报(即预报等级小于实况等级，记为实况等级漏报)天数。

1.2.4 面雨量等级划分

参考我国江河面雨量等级划分标准[16]，将24h面雨量划分为：小雨(0.1～5.9mm)、中雨(6.0～14.9mm)、大雨(15.0～29.9mm)、暴雨(≥30.0mm)。

2 金沙江中下游面雨量分布特征

2.1 金沙江中下游各子流域月累计面雨量实况分布特征

从图2中可以看出：金沙江中下游月累计面雨量主要集中在6～9月。其中，A区，B区和E区的最大月累计面雨量均出现在7月，最大月降雨量分别为226.1mm、196.7mm、191.7mm；3区最大月累计面雨量出现在8月，为177.4mm；4区最大月累计面雨量出现在9月，为150.6mm。

2.2 金沙江中下游各子流域暴雨频次分布特征

分析4～10月金沙江中下游各子流域暴雨频次分布(如表1)可以发现以下特征：(1)2019年4～10月金沙江中下游总共出现暴雨次数22次，主要出现在6～9月，其中7，8月频次最高。(2)4月、5月、10月均无暴雨出现。(3)出现暴雨次数最多的区域是A区，其次是C区和E区，D区没有出现暴雨。

表1 2019年4～10月金沙江下游各子流域暴雨频次分布

2.3 金沙江中下游各子流域日面雨量的月极值分布特征

根据长江流域气象服务业务标准，将日面雨量≥20mm定义为强降水面雨量。从表2中可以看出：2019年4～10月期间，金沙江中下游各子流域强降雨天气主要出现在6～9月，其中A区、B区和E区强降雨最早出现在6月，最大日面雨量分别为29.5mm、26.3mm、23.8mm。B区和C区的强降水结束较早，D区在此期间没有出现强降雨日数。金沙江中下游5个子流域中日面雨量最大值出现在E区，为42.7mm。

表2 金沙江中下游各子流域日面雨量月极值分布特征表

3 2019年4～10月金沙江中下游面雨量预报检验评估

3.1 两种预报模式与金沙江中下游2019年4～10面雨量实况的相关性

3.1.1 金沙江中下游日面雨量和月累计面雨量实况与两种预报模式的相关系数

从表3中可以看到，在日面雨量的预报上，中央台智能网格预报模式和金沙江中下游2019年4～10月5个区的面雨量实况的相关系数明显大于西南区域预报模式和金沙江下游面雨量实况的相关系数。经查表，均通过0.05的显著性检验。说明中央台智能网格预报模式对于金沙江下游日面雨量的预报优于西南区域预报模式。其中，中央台智能网格预报模式对于金沙江下游B区和D区日面雨量预报准确率最高，相关系数分别达到0.75和0.70。

表3 金沙江中下游日面雨量及月累计面雨量实况与两种预报模式的相关系数表

在月累计面雨量的预报上，两种模式与金沙江中下雨各个子流域月面雨量的相关系数明显大于与日面雨量的相关系数，并且均通过0.05的显著性检验。其中，对于金沙江中下游C区、D区、E区的月面雨量预报，西南区域模式和实况的相关系数大于中央气象台智能网格预报模式和实况的相关系数；A区、B区则相反。表明：西南区域模式对于金沙江中下游C区、D区、E区的月累计面雨量预报优于中央气象台预报模式；中央气象台预报模式对于金沙江中下游A区、B区的预报优于西南区域模式。

3.1.2 金沙江中下游不同量级面雨量与两种预报模式的相关系数

从表4中可以看到，对于小雨和中雨的预报，西南区域模式和金沙江中下游A区、C区和D区的面雨量实况的相关系数明显大于中央台智能网格预报模式和实况的相关系数，B区和E区则相反。经查表，D区的相关系数均未通过显著性检验。在大雨和暴雨的预报上相关系数均未通过显著性检验。表明：西南区域模式对于金沙江中下游小雨和中雨的预报在A区、C区明显优于中央台智能网格预报；E区结果相反。

表4 金沙江中下游不同量级日面雨量与两种预报模式的相关系数表

3.2 2019年4～10月金沙江中下游面雨量预报检验评估

3.2.1 平均绝对误差检验

从图3中可以看到，中央气象台智能网格预报金沙江中下游各个区域平均绝对误差Ea均小于西南区域模式预报的平均绝对误差。说明中央气象台智能网格预报在金沙江中下游面雨量预报中具有较大的参考意义。

3.2.2 模糊评分检验

从图4中可以看到，两种模式面雨量预报的Mp值均在60分以上，但五个区域的Mp均为中央气象台智能网格模式高于西南区域预报模式。因此，从Mp检验结果上看，中央气象台智能网格预报模式对金沙江中下游面雨量预报更具有参考意义。

3.2.3 TS评分检验

从图5中可以看到，各个雨量等级的TS评分总体上中央气象台智能网格模式高于西南区域模式面雨量预报。因此，从TS评分结果上看，中央气象台智能网格预报模式对金沙江下游面雨量预报更具有参考意义。

4 结论和讨论

本文对金沙江中下游5个子流域2019年4～10月面雨量分布特征进行分析，并且检验评估了中央台智能网格模式和西南区域数值预报模式对五个子单元面雨量预报效果，得出如下结论：

(1)金沙江中下游5个子流域月累计面雨量主要集中在6～9月，强降雨天气也主要出现在6～9月。其中A区、B区和E区强降雨最早出现在6月，B区和C区的强降水结束较早，D区在此期间没有出现强降雨日数。

(2)金沙江中下游5个子流域2019年4～10月期间总共出现暴雨次数22次，主要出集中在6～9月，其中7，8月频次最高。4月、5月、10月均无暴雨出现。出现暴雨次数最多的区域是A区，D区没有出现暴雨。

(3)在金沙江中下游日面雨量方面，中央台智能网格预报模式对于金沙江下游日面雨量的预报优于西南区域预报模式。在月累计面雨量方面，西南区域模式对于金沙江中下游C区、D区、E区的预报优于中央气象台预报模式； A区、B区则相反。

(4)在小雨和中雨量级面雨量预报上，西南区域模式对于金沙江中下游小雨和中雨的预报在A区、C区明显优于中央台智能网格预报；E区则相反。

(5)从平均绝对误差、模糊评分和TS评分结果看来，中央台智能网格预报模式对金沙江中下游2019年4～10月各个子流域的面雨量预报效果总体上优于西南区域预报模式。

本文的研究基于2019年4～9月金沙江中下游面雨量实况和西南区域数值预报模式及中央台智能网格预报模式，探讨了金沙江中下游面雨量的特征及两种模式在此区域的适用性。同时，由于仅选取了6个月的资料，样本量有限，为了更好的对比两种模式在金沙江中下游面雨量预报上的优劣还需要进一步的研究分析。