降水预报格点化技术在洪水预报业务中的应用

王 鹏，张 亮

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.河南河长学院，河南 郑州 450045）

1 系统概述

1.1 研究背景

格点化降水可有效表征一定范围内的面雨量，在洪水预报作业中具有基础参考作用。代刊等人分析指出，中国中短期气象预报技术存在客观预报技术方法未全面深入开展、格点化的处理技术基础薄弱等问题。冶运涛等人认为，流域产汇流机理研究中，能否通过动态融合进行不同预报时效的嵌套，滚动预测预报降水（暴雨）状态，是实施数字孪生系统的评判准则之一。

1.1.1 原则要求

降水预报格点化技术在洪水预报业务中的应用开发，充分考虑技术与开发工具的选择，提高技术方法的可靠性与手段应用的稳定性；平台设计时考虑客户端开放性，允许部分功能、项目编码等内容可扩充，保证技术应用功能的可持续发展。

1.1.2 研究目标

将降水预报产品研发为具备精细化时空分布信息的格点数据，能够准确有效地反映研究区域内降水时空权重分配，直接应用于洪水预报系统和防汛业务平台，实现预报时效内累积雨量、降水笼罩面积等预报特征要素统计功能。

1.2 系统组成

1.2.1 系统架构

降水预报格点化应用系统总体框架采用B/S 三层架构体系，由基础数据层，应用服务层和表示层组成，采用数据库管理和备份机制，在保证系统整体性能稳定、体系结构清晰的前提下，满足对数据实时性、可靠性和一致性需求见图1。

图1 降水格点化应用系统总体架构图

1.2.2 库表组成

降水预报的产品数据库包括降水预报产品表、预报产品等值线表及预报产品等值面表，其中降水预报产品表存储降水预报产品列表时间，预报产品等值线表存储降水预报编辑等值线数据，预报产品等值面表存储降水预报产品图片；降水预报等值面图形表在实时数据库中，主要用于存储降水预报产品图片；行政编码表在站点数据库中，主要用于行政降水预报统计。

1.2.3 应用环境

降水预报格点化技术运行环境由硬件和软件环境组成。硬件环境包括降水、洪水业务系统所运载客户端、网络环境；软件运行环境为研发技术以系统软件和应用软件形式，其中降水预报格点化处理技术依托降水预报制作软件运行，降水格点数据与洪水预报系统应用依托洪水预报数据库运行。

2 技术功能

2.1 降水预报格点化

以数值模式的预报格点规则为依据，将人工降水预报按照图形矢量格式分配为格点数据，形成与数值预报模式格点的坐标位置、降水时空权重一致的降水预报格点数据，并按照洪水预报数据库格点信息写入规则入库存储，实现将人工降水预报格点数据在洪水预报系统中的应用。同时对面雨量值、不同量级降水笼罩面积等特征进行统计，针对预报时效内的任意时段，利用GIS 分析形成所选时段累积雨量等值线和等值面图；等值线在软件终端支持人工二次编辑。

2.1.1 功能实现方案

基于具备地理信息应用功能的降水预报制作软件，通过GIS插值方法，将降水预报等值面和等值线计算得出全部预报格点的日雨量数据，并按照空间拓扑关系归纳为各个格点与研究区间的对应关系；根据数值模式相应的时段雨量数据，计算研究区域中小时级别的时段面雨量，得出各时段的对应雨量权重，将人工降水预报日雨量数据转化为数值预报权重模式下的时段雨量；最后按照洪水预报库库表结构要求，完善时段雨量格点格式，将预报格点的数据信息保存入库。

2.1.2 GIS算法说明

①反距离加权算法：根据降水预报等值线对格点数据定义，计算研究区域内全部有效降水数据的格点到雨量等值线的距离，利用距离倒数计算各条等值线的权重值，再根据等值线权重值和雨量值，获取更合理更准确的格点雨量值。②分区统计算法：根据来自其他数据集的值（雨量栅格），为每一个由区域数据集定义的区域（分区数据）计算统计数据，为输入区域数据集里的每一个区域计算单个输出值。③空间属性关联：根据图层边界内各个格点坐标信息，计算其相对空间位置，并利用GIS的空间拓扑关系，在格点的属性里匹配对应的区间编码。

2.2 降水预报图层

2.2.1 功能实现方案

2.2.1.1 人工降水预报图层

将人工绘制的降水预报等值面生成预报产品图层保存至业务数据库，通过降水预报服务地址发送数据请求获取产品数据，利用GDAL 将预报产品图层数据（shp）转换为GeoJSON 格式，返回并在前端平台进行图层的加载、渲染和展示（图2），实现WebAPI类型图层服务。

图2 人工降水预报图层服务方案流程图

2.2.1.2 数值模式降水预报图层

开发数值模式降水预报服务接口，系统平台通过发送降水预报请求，寻找对应的网格数据文件，并根据时段对网格数据进行提取计算，传入降水预报GIS 分析工具，自动生成降水预报等值面；利用GDAL将预报产品图层数据转换为GeoJSON格式，并返回进行图层加载、渲染和展示（图3）。

图3 数值模式降水预报图层服务方案流程图

2.2.1.3 特征要素统计

通过GIS 插值算法将降水预报等值线（面）计算为雨量格点，根据区间边界数据生成区间雨量值、笼罩面积等特征统计数据并保存；系统平台通过统计服务接口发送要素特征统计请求，接收返回结果并在平台前端加载展示。

2.2.2 GeoJSON格式说明

GeoJSON（JavaScript Object Notation）是对各种地理数据结构进行编码的格式。GeoJSON对象可以表示几何、特征或者特征集合，支持点、线、面、多点、多线、多面和几何集合等类型，其中特征包含一个几何对象和其他属性。

3 应用与成效

3.1 降水预报格点应用

降水预报格点技术提升了降水预报的精细化程度，为洪水预报提供了时空分辨率属性的预报技术手段，有效提升了气象预报和水文预报的结合度，并在业务实践中，可根据水文特性和经验认识，对预报格点时空分辨率进行适应性调整，优化雨洪预报关系，为延长洪水预报预见期和预报精度提供有力支撑。同时该项技术方法可自动生成预报时效内指定时段的累积面雨量等值面，并计算指定边界的区域面雨量值，使表征降水过程的产品更直观合理，累积特征值更科学准确。

3.2 降水预报图层服务

GeoJSON 格式标准存储降水预报图层技术系统平台通过图表形式，对最新降水预报产品进行加载，特别是图层形式，可将降水预报产品叠加在综合业务系统界面，明确指示强降雨中心位置、移动趋势、雨区范围等信息，及时统计分析暴雨洪水灾害影响范围和特征值，完善了降水预报产品在暴雨洪水灾害防御决策过程中的适用能力。