漢江“83·10”致洪暴雨重預報研究

漢江“83·10”致洪暴雨重預報研究

李 春 龍，邱 輝，邢 雯 慧，楊 文 發，段 唯 鑫

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

摘要：受氣象監測及預報能力限制，1983年10月3～6日漢江流域的致洪暴雨過程，普遍未能準確預報，從而對丹江口水庫防洪調度形成了很大壓力。通過比較2015年和1983年氣象監測水平、降雨預報水平，利用中尺度數值模式WRF和區域氣候模式RegCM4分別對“83·10”暴雨過程以及1983年以來與“83·10”相似量級來水天氣過程進行模擬，在當前技術條件下，重現“83·10”暴雨預報過程，并研究預報效果。研究表明：2015年氣象監測預測水平較1983年有本質提高，中尺度數值模式能夠提前3 d預測出該過程，區域氣候模式能提前一個月預測出1983年10月上旬降雨集中；在當前技術條件下，充分運用現有各種觀測資料，綜合應用多種數值預報模式，可使漢江上游大范圍強降雨過程基本不會漏報。

關 鍵 詞：暴雨； 定量降雨預報； WRF； RegCM4； 預報重現； 漢江

漢江是長江最大的支流，漢江上游是南水北調中線工程的水源地。2013年丹江口水庫加高工程完工，2014年南水北調中線工程正式通水。水利專家投入大量精力研究提高漢江流域的預報調度理論和技術，研究大洪水時如何兼顧流域防洪安全和水資源的高效利用。“83·10”洪水是丹江口水庫建成后的最大洪水，當時水庫入庫洪峰流量為34 300 m3/s(10月6日)，最高庫水位為160.07 m(10月7日)，丹江口水庫超正常高水位運行，承擔了很大的防洪壓力。在分析、研究丹江口水庫調度運行規則、編制洪水調度方案以及實時預報調度、汛末蓄水調度等工作中，該場洪水常常被當作經典案例進行剖析。導致“83·10”洪水的直接原因是漢江上游秋季暴雨，1983年10月丹江口以上地區降雨量比歷年同期偏多近1倍，尤其是在10月上旬漢江流域發生了連續大雨和暴雨、局部大暴雨。

以20世紀80年代條件來判斷，漢江“83·10”洪水預報是成功的，具有一定的預見期，準確率也比較高，基本上滿足了該次防洪調度的要求，降雨預報在整個調度過程中仍然發揮了重要作用[1]。同時丹江口水庫在“83·10”洪水的實時調度中也暴露了許多問題，受當時條件限制，對造成1983年10月漢江嚴重秋汛的漢江中上游特大暴雨過程未能事先預報出來。到2015年前后，基于觀測能力、計算與存儲能力以及氣象數值模式的進步，暴雨過程預報能力有了本質的提高，如果發生類似“83·10”洪水致洪暴雨，以現在的條件能不能預報出暴雨過程，能提前多長時間預報出，是當前社會各界在各種有關南水北調工程、丹江口水庫運用場合屢屢提出的問題。本文主要以長江水利委員會水文局對“83·10”致洪暴雨預報情況進行分析，以期回答以上問題。

1 漢江“83·10”致洪暴雨實況及實時預報

1983年9月中旬末至下旬，漢江中上游出現連續陰雨天氣，10月3～6日漢江流域發生了1949年以來降雨量最大、范圍最廣、持續時間最長的一次大暴雨。1983年10月3日暴雨中心主要位于漢江上游干流以北地區，暴雨區呈東～西向帶狀分布。最大暴雨中心在唐白河上游的馬山口站，雨量為168 mm；次大中心位于石泉～白河區間任河的觀音堂站，雨量為112 mm。4日雨區向南擴展，漢江上中游普降大～暴雨，主要暴雨中心仍在上游干流以北，暴雨中心有兩個，一個位于石泉～白河區間旬河青泥灣站，日雨量為95 mm，另一個位于唐白河的馬山口站，日雨量為96 mm。5日暴雨區南移到漢江干流以南地區，白河～丹江口區間的武當山站為暴雨中心，降雨量為102 mm，漢江上中游干流以北地區雨勢減弱。6日雨區繼續南移，漢江上中游降雨接近尾聲。7日雨區全部移出漢江，強降雨過程結束。10月3～6日漢江上游丹江口以上地區過程面雨量128 mm，中游丹江口水庫至皇莊區間面平均雨深約113 mm。

1983年10月3日上午08:00預報：受中低層切變影響，漢江中上游及三峽、清江地區當天有小雨局部中雨，第2天將減弱；預報面降雨量：3日5～10 mm，4日1～5 mm，5日無雨。

2 漢江2015年與1983年天氣預報能力比較

2.1 氣象觀測手段

漢江流域1983年和2015年氣象觀測能力比較見表1。統計截止2015年，漢江流域的氣象觀測能力比1983年有了長足進步。2015年10月，漢江流域地面氣象站到報站數60個，是83年的近7倍，高空站與83年沒有變化。常規氣象資料的重要進步，還體現在觀測頻次的增加，以及報文接收及處理時間的大幅縮短。2015年，漢江流域可以接收60多個自動氣象站資料，基本上每個縣一個自動氣象站。該資料每小時一次，有氣壓、雨量、溫度、風向、風速、露點溫度6個要素。遙感資料方面，中國兩顆靜止氣象衛星FY-2E 和FY-2D組成雙星業務系統，對中國和周邊地區的天氣系統進行有效地監視。每年6～8 月的主汛期，執行“主汛期觀測模式”，兩顆衛星的共同觀測區域每天可以進行96次觀測，即每15 min獲取1幅云圖。漢江流域分布有漢中、安康、十堰、南陽、襄陽、隨州、武漢7部新一代天氣雷達[4-5]。

表1 漢江流域1983年和2015年氣象觀測能力比較

時間地面站/個高空站/個自動站/個地面報到報頻次/(次·d-1)高空報到報頻次/(次·d-1)衛星云圖/(幅·d-1)雷達/部1983年94無42無無2015年604約608396(汛期)7

2.2 定量降雨預報預見期與精度

漢江“83·10”期間，漢江短期降雨預報的預見期為2～3 d，第3天僅為描述降雨趨勢，沒有定量降雨預報，更沒有中期及延伸期降雨預報。現有漢江短期定量降雨預報的預見期為3 d，中期定量降雨預報的預見期為7～10 d，延伸期降雨預報的預見期為10～30 d，有效預見期達7～10 d。

定量降雨預報較80年代的降雨預報精度明顯提高。以中央氣象臺暴雨預報TS評分為例，1999年的暴雨年平均預報評分約為0.050，至2011年達到0.169[6]，預報準確率提高了約70.4%，2016年更是達到了0.210[7]。1983年和2015年前后降雨預報作業時效和預報精度比較見表2。

表2 1983年和2015年降雨預報作業時效

時間08時資料到報時間填圖分析方式數值預報降雨預報方法短期預報完成時間有效預見期19839:30左右人工無天氣學方法11:00左右2～3d20158:40左右無紙化多種數值預報產品1d內天氣學方法為主,2d以后數值預報為主9:30之前7～10d

以長江水利委員會水文局實際業務過程中發布中期、短期定量降雨預報情況為對象，挑選2010年以來丹江口水庫最大入庫流量超過20 000 m3/s對應的前期致洪暴雨過程進行檢驗。2010年7月25日丹江口最大入庫流量為34 100 m3/s，對應前期有2次強降雨過程，分別是2010年7月14～18日、7月22～24日。2011年9月19日丹江口最大入庫流量為26 600 m3/s，對應前期有3次強降雨過程，分別是2011年9月5～7日、9月11～14日、9月16～18日。檢驗發現現有中期降雨預報能提前預報漢江強降雨過程的發生，短中期降雨預報的結合能有效延長漢江定量降雨預報的預見期，提高漢江降雨預報的精度，較“83·10”相比，定量降雨預報技術水平有了顯著的提高，可為實時預報調度提供重要的技術支撐。限于篇幅，略去具體檢驗數據。

3 數值模式模擬“83·10”致洪暴雨

3.1 WRF模擬

WRF模式是由美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國國家大氣海洋局的預報系統實驗室、美國國家環境預報中心(NCEP)和俄克拉荷馬大學的暴雨分析預報中心等多單位聯合發展起來的新一代非靜力平衡、高分辨率、科研和業務預報統一的中尺度預報和資料同化模式。WRF模式主要應用于中小尺度天氣系統的精細研究。

3.1.1 模擬區域及參數設置

模式選用WRF版本為WRF3.5.1，蘭勃特投影，三層網格嵌套(見表3)，分辨率分別為81，27，9 km，網格數分別為D1(97×88)、D2(130×115)、D3(130×97)，垂直層數18層，模式層頂氣壓為50 hPa，使用的地形數據分辨率分別是10′，5′，2′。最外層時間積分步長為300 s，在積分過程中，采用內層網格向外層網格反饋方案[8-9]。模式的初始條件和側邊界條件采用美國國家環境預報中心(NCEP)再分析資料2，分辨率為2.5°×2.5°。模式其它參數化方案選擇見表3。

運用該模式對10月3～6日的降雨過程進行了滾動模擬，模擬日期從9月27日20:00(北京時，下同)開始，一直滾動到10月5日20:00，每次模擬未來7 d的降雨。

表3 WRF模擬主要參數化方案

物理方案參數優化方案微物理方案Linetal方案長波輻射方案RRTM方案短波輻射方案Goddard短波方案陸面方案Noah陸面模式行星邊界層方案YSU方案積云對流參數方案KF集合方案

3.1.2 模擬效果分析

10月3日，漢江上游有大雨、局地暴雨。WRF模式提前3～6 d(9月27日～30日)的降雨預報落區偏南，模擬降雨落區主要位于長江干流附近；WRF模式提前1～2 d(10月1～2日)雨帶位置模擬基本正確(見圖1)。

4日，漢江流域大部有大～暴雨。WRF模式提前7 d(9月27日)預報長江干流附近有大～暴雨，漢江流域有小～中雨，漢江降雨預報偏小，雨帶偏南。提前5～6 d(9月28～29日)預報漢江流域有小～中雨、局地大雨，預報降雨偏小。提前4 d(9月30日)預報漢江流域有小～中雨，其中，漢江上游有大～暴雨，預報雨帶偏北，中下游雨量預報偏小。提前3 d(10月1日)預報漢江流域有大雨、局地暴雨，預報基本正確。提前1～2 d(10月2～3日)預報漢江上游和下游有大～暴雨，中游預報偏小(見圖2)。

5日，漢江流域有大～暴雨。WRF模式對5日的降雨預報較好，提前1～7 d基本都預報正確，只是雨帶位置有偏差。提前7 d(9月28日)預報漢江流域有大～暴雨、局地大暴雨，預報正確。提前5～6 d(9月29～30日)和2 d(10月3日)的預報雨帶偏北，中游預報偏小。提前4 d(10月1日)預報漢江流域暴雨～大暴雨，雨量預報偏大，雨帶預報正確。提前3 d(10月2日)的預報雨帶位置偏南。提前1 d(10月4日)預報漢江流域有暴雨、局地大暴雨，預報正確(見圖3)。

圖1 1983年10月3日降雨實況分布與WRF模式模擬結果(單位：mm)

圖2 1983年10月4日降雨實況分布與WRF模式模擬結果(單位：mm)

圖3 1983年10月5日降雨實況分布與WRF模式模擬結果(單位：mm)

圖4 1983年10月6日降雨實況分布與WRF模式模擬結果(單位：mm)

6日，漢江上、中游有中雨，下游及長江干流附近有大～暴雨。WRF模式對6日的降雨預報較好，提前1～7 d基本都預報正確，只是雨帶位置有偏差。提前6～7 d(9月29～30日)預報漢江中游有大～暴雨，上、下游有中雨，下游預報偏小。提前5 d(10月1日)預報漢江中下游有大～暴雨，預報正確。提前4 d(10月2日)預報漢江流域有小雨，長江干流附近有大～暴雨，雨帶預報偏南。提前3 d(10月3日)的預報上中游預報基本正確，下游預報偏小。提前1～2 d(10月4～5日)預報基本正確(見圖4)。

綜上，利用現在的數值模式WRF可較好模擬重現“83·10”的暴雨過程，預報時效可以提前到3～7 d左右。其中，降雨過程基本可以提前一周預測出來，預見期3 d以內的降雨預報精度較高，雨強和雨帶分布模擬基本正確。

3.2 RegCM4模擬

區域氣候模式RegCM誕生于美國國家大氣研究中心(NCAR)，其理論框架主要是基于中尺度氣象模式MM4，并在此基礎上進行改進，使之具備長期氣候模擬的能力。本文采用區域氣候模式RegCM4對1983年10月漢江的降雨進行模擬[10-11]。

3.2.1 模擬區域和參數設置

模型采用2種配置方案模擬，范圍分別為長江流域和全國，模型中心點29.5°N，106°E，網格數為200×240和100×120,初始邊界條件為NNRP2，海溫條件為OI_WK周平均，模擬時間為19830901～19831231，長江流域的范圍是90-122°E，22-35°N，全國的模擬區域為68-140°E，0-55°N。經過敏感性試驗，對比得出長江流域采用C2方案，全國范圍采用C3方案[12](見表4)。

表4 區域氣候模式RegCM4參數設置

參數方案水平分辨率/km垂直分層時間步長/s陸面模式降水參數化陸上海上C2302360CLMEmanulGrellC36018120BatsEmanulGrell

注：8月20日模擬，采用99BAT方案
圖5 RegCM4模擬1983年10月上旬降雨量

3.2.2 RegCM4模擬預報致洪暴雨效果

利用區域氣候模式RegCM4分別以8月20,31日、9月10,20日為初始時間對漢江10月份的降水進行模擬，產品主要有旬月累計降雨預報圖、逐日分區降雨預報表、旬月分區降雨預報表。從區域氣候模式8月20日的模擬結果來看(見圖5、表5,6)，10月上旬漢江流域的降雨預報偏多，并且從逐日預報的結果來看，10月3～5日，漢江流域有一次比較明顯的降雨過程，10月6日減弱；實況為1983年10月3～6日，漢江流域有一次強降雨過程，模擬結果與1983年10月上旬漢江的實況非常吻合。同樣從區域氣候模式9月20日的模擬結果來看(表5,6)，10月上旬漢江流域的降雨同樣預報偏多，并且從逐日預報的結果來看，10月4～5日，漢江流域有一次比較明顯的降雨過程；而實況為1983年10月3～6日，漢江流域有一次比較強的降雨過程，模擬結果與實況相比高度吻合，而且2次模擬都將上旬的降雨過程預報出來。

表5 RegCM4模擬1983年10月旬月降雨預報 mm

模擬時間區域10月旬月降雨預報上旬中旬下旬10月8月20日漢江上游111.377.049.1237.4漢江下游94.867.247.4209.49月20日漢江上游110.867.352.0230.0漢江下游82.761.751.2195.6

其他兩個起始時間(8月31日及9月10日)模擬效果與上述結果基本一致。RegCM4是區域氣候模式，水平分辨率較低，也能提前40多天非常好地模擬預報出漢江“83·10”強降雨過程，10月4，5日的預報效果甚至優于中尺度模式。區域氣候模式與中尺度模式結合可以更好地預報出漢江流域類似“83·10”的強降雨過程。

表6 RegCM4模擬1983年10月逐日降雨預報 mm

模擬時間區域1日2日3日4日5日6日7日8日9日10日8月20日漢江上游0.31.35.745.541.41.60.11.91.711.9漢江下游1.50.82.320.761.27.70.10.10.10.39月20日漢江上游0.13.05.134.248.92.20.23.73.99.7漢江下游0.40.73.816.751.18.40.20.30.40.7

4 相似過程及其他數值模式模擬

2014年9月，漢江也出現了秋季洪水，與“83·10”洪水比較相似，選擇2014年9月6～18日的降雨過程進行分析。WRF模式對于漢江流域的降雨過程基本可以預報出來，其中提前1～2 d的預報效果較好，雨帶分布和降雨量級預報基本正確，72 h預報量級略有偏差，雨帶基本正確。歐洲中心細網格模式基本可以提前9 d預報出強降雨過程，其中7 d以內的降雨預報準確率較高，雨帶分布及量級預報基本正確。

5 結 論

(1) 漢江流域常規氣象觀測能力比20世紀80年代有了長足的進步，氣象衛星、雷達等大氣遙感觀測資料大量應用等，以及豐富的實況觀測資料為提高降雨預報提供了良好的基礎。與80年代相比，氣象資料接收處理效率大幅提升，資料接收處理時間的大幅縮減為預報員留下更充裕的預報分析時間，也有利于預報水平提高。

(2) 抽取近幾年漢江大水年對應的強降水天氣實際業務預報，檢驗得出中期預報均能較早地預報出漢江有明顯降雨過程發生，而短期預報對漢江流域4個分區的定量面雨量預報基本正確。

(3) WRF中尺度數值模式可以較準確地模擬預報出“83·10”降雨過程，預報時效最長可以提前7 d左右。降雨過程預報基本提前一周預測出來，預見期3 d以內的降雨預報精度較高，雨帶分布和雨強模擬基本正確。區域氣候模式RegCM4可以提前1個月甚至更長時間對趨勢進行較好的預測，而且氣候模式的逐日預報結果提前40 d準確預報出了10月4,5日的暴雨。歐洲中心中尺度模式等在“83·10”類似暴雨過程預報中表現良好。當前的數值模式基本可以準確預測類似“83·10”暴雨過程，為丹江口水庫防汛和水資源利用調度提供更多主動性和更高的安全系數。

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(編輯：劉 媛)

Study on re-forecast of '83.10' flood-causing rainstorm in Hanjiang River

LI Chunlong, QIU Hui, XING Wenhui, YANG Wenfa, DUAN Weixin

(Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010,China)

Abstract: Most of the weather-forecasters had not accurately forecasted the flood-causing rainstorm process from Oct. 3 to 6, 1983 in the Hanjiang River basin due to the constraints in weather monitoring and forecasting abilities, which exerted great pressure on Danjiangkou Reservior dispatching. The meteorological monitoring and forecasting abilities in 2015 are compared to that in the 1980s. The flood-causing rainstorm process from Oct. 3 to 6, 1983 and the similar weather processes since 1983 in Hanjiang River basin are simulated by mesoscale meteorological model WRF and regional climate model RegCM4. Under current technical conditions, the rainstorm forecasting processes are reproduced and its effects are studied. It shows that the forecasting ability in meteorological monitoring has been enhanced essentially. The analysis indicates that WRF is capable of forecasting this heavy rain process three days ahead and RegCM4 is capable of forecasting the concentration of rainfalls in the early October in 1983 one month ahead. At present, with abundant observed data and results from multiple numerical models, forecasters can hardly fail to forecast heavy rain processes occurring in large area in upper reaches of Hanjiang River.

Key words: flood-causing rainstorm; quantitative precipitation forecast; WRF; RegCM4; re-forecast; Hanjiang River

中圖法分類號： TV122

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.19.007

收稿日期：2017-02-17

作者簡介：李春龍，男，高級工程師，主要從事水文氣象預報工作。E-mail：licl@cjh.com.cn

文章編號：1001-4179(2017)19-0035-07