三峡梯调气象业务系统升级改造研究

易香妤，徐卫立，李 波

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

自2002年成立起，三峡水利枢纽梯级调度通信中心(以下简称“三峡梯调”，TGDCC )气象服务在上游流域梯级水库的施工建设、防洪调度、电力生产、长江航运等方面发挥了重要保障作用。

为了提供优质的气象服务，长江电力在电力行业率先建立了三峡梯调专业气象团队，并从2002年开始投入试运行了三峡梯调中心专业气象台气象应用软件系统，该系统包含了气象信息传输处理、气象信息数据库管理、气象业务监测、气象信息加工与分析预测系统、气象预报业务工作平台、气象信息与预报产品发布系统等功能模块[1]。初期的气象业务系统设计合理、运行稳定、预报与服务效果良好，常规降水预报准确率为90%，较均值提高了5%，强降水预报准确率为38%，较均值提高了4%[2]，取得了良好的社会效益和经济效益。

在多年的生产应用过程中，三峡梯调中心专业气象台气象应用软件系统针对精度提升、稳定数据、业务扩展、功能优化及软硬件平台等方面等进行了多次系统升级改造，建成了基于Arcgis Engine的三峡梯级调度可视化气象业务系统，提升了三峡梯调气象水文信息服务的可视化效果和实用性，相关功能还在湖北省气象局有关单位的气象决策服务和天气会商业务中得到应用[3]。

随着金沙江下游-三峡流域梯级电站的开发和电力市场的改革，面对长江上游流域复杂的地理地貌和天气特征，三峡梯调的生产业务对三峡梯调气象服务保障提出了更高的要求。气象服务的范围不仅要由库区的“点”推广至流域的“面”，多库联合调度、长江上游流域的防灾减灾、生态调度等业务还需要气象预报预测服务在时效性、精细化、准确性等方面进行全面的提升[4]。同时原系统在硬件环境方面存在设备硬件良莠混杂、数据处理存储能力落后、通信链路无法满足大数据传输的需求等问题；在业务体系方面存在信息孤岛[5]、业务烟囱等问题，各业务系统间缺乏有效协作和联动，制约了系统效能的发挥、业务水平的提升；在系统架构方面存在凌乱分散、不易维护升级以及数据环境不统一、应用接口不标准等问题。面对业务不断扩展与系统需求不足的矛盾，对现有气象业务系统进行升级改造是进一步提升预报准确率、提高工作效率、紧跟业务需求的有效手段。

1 三峡梯调气象业务系统升级

在气象系统现有功能和资源的基础上，三峡梯调气象业务自2018年开始注重打造高性能、可靠的底层软硬件平台，加强顶层设计，建立集约化的气象业务系统，对三峡梯调气象业务系统的体系架构、基础环境、系统功能等进行了全面的改造升级。改造设计后的系统总体架构采用分层设计思想，以降低层与层之间的耦合、提高系统可扩展性为基本原则，系统升级后的设计结构包含四大板块：基础设施支撑环境、数据支撑管理系统、气象预报预测平台、气象业务服务平台，具体内容如图1所示。

图1 三峡梯调气象业务系统总体架构Fig.1 Overall architecture diagram for Meteorological Service System of TGDCC

经过约2 a升级改造，新气象业务系统于2020年汛期开始试运行，并于2021年汛期正式投入使用，命名为三峡梯调气象业务系统。升级改造后丰富了产品内容、提升了服务质量，且较好地整合兼容新老业务系统，并能与水调、电调等业务系统协作运行，为金沙江下游-三峡梯级水库联合调度生产提供“及时、精确、可靠”的气象预报预测服务能力提供了重要技术保障。

2 系统升级功能

三峡梯调气象业务系统实现的常用业务功能前端展示主要在三峡梯调气象业务系统和三峡梯调气象信息网中，本文简要介绍其重要功能。

2.1 系统功能

三峡梯调气象业务系统是面向三峡梯调气象预报员的核心业务平台，平台依托湖北省气象局的天擎系统、HBase分布式数据库、Cassandra 分布式数据库等数据资源，开发了综合监测、气象信息综合分析、坝区天气预警、预报订正、产品制作发布、流域气候和评价检验六大模块功能。平台界面如图2所示。

图2 三峡梯调气象业务系统界面示意Fig.2 Schematic diagram of the interface for Meteorological Operation System of TGDCC

2.1.1 实况监测产品丰富

在实况监测的手段和数量方面，三峡梯调气象业务系统实现了较大突破。预报员可依据自动站的类型对长江流域降水、气温、气压、湿度、能见度、风、面雨量等进行实时监测；也可以查看长江流域雷达拼图(包括组合反射率、回波顶高、液态水含量、三维反射率)和气象卫星产品(包含风云2号、风云4号、葵花8号卫星观测结果)；此外，系统还能满足雷暴大风、短时强降水、冰雹天气监测报警产品的生成、报警以及雷达定量降水估算产品结果显示。

2.1.2 警报预警时效性高

三峡梯调气象业务系统实现了坝区强天气监测报警功能和坝区预警产品一站式制作和一键式发布功能。预报员通过自动监测站、雷达拼图、卫星云图等实时信息，预报三峡坝区、葛洲坝坝区和三峡专用公路沿线的短时强降水、大风等灾害性天气，当监测到实况超过阈值时，系统采用图、文、声等方式进行报警，及时提醒值班预报员快速响应，大大提高了警报和预警工作的效率和响应时间。

2.1.3 多时间尺度的气候产品

系统提供多时间尺度的气候产品，包括：① 长江流域雨季(金沙江雨季、梅雨、华西秋雨)的首场和末场强降水、140项气候系统指数的长期监测；② 多模式长江流域主要气象站点延伸期(11～30 d)降水集合过程预报；③ 水库调度关键期(消落期、汛期、蓄水期等特定时期)内长江流域降水趋势预测；④ 长江流域月、季、年降水趋势预测。随着延伸期降水预测对水库调度计划的影响越来越深远，多时间尺度的气候预测产品为预报员提供了更科学高效的技术支撑。

2.2 三峡梯调气象信息网

三峡梯调气象信息网是在气象业务系统的基础上开发的面向三峡水库梯级调度各类用户的气象业务服务平台。平台数据源包括CMACast卫星的接收资料和智能预报预测平台生成的各类产品，采用B/S架构，通过leaflet地理信息系统框架进行交互和显示，主要提供气象产品展示、综合信息查询、业务监控管理，可实现综合降水、受电区气温、台风的监测，提供坝区预警、预报产品、模式预报的查询，提供气象知识科普学习功能，实现流程化天气预报会商，并可对系统进行管理，平台界面如图3所示。

图3 三峡梯调气象信息网界面示意Fig.3 Schematic diagram of the interface for Meteorological Information Network of TGDCC

3 系统升级成效

3.1 数据平台

气象数据是气象业务和科学研究的基础，随着现代气象技术的发展，气象观测数据(地面、高空各层多要素，雷达、卫星)、数值模式数据(天气模式、气候模式)及二次开发等产品数据如雨后春笋般涌现，单日接收数据量从“以G计量”转变为“以T计量”，海量的气象大数据给传统的数据平台的管理和服务带来巨大压力。升级后的气象业务系统依托湖北省气象局的数据资源，构建了以云平台为支撑，多信息渠道为保障，本地数据库共享同步的专用气象信息网络[6]，实现了气象大数据的实时收集，并与三峡梯调水调自动化系统实现了数据交互和互备，开启了气象水文信息的深度共享的新局面。

3.2 分析系统

气象信息综合分析处理系统(MICAPS)是当前中国气象预报行业内的重要支撑平台[7]。三峡气象业务所使用的气象信息综合分析处理系统从早期的第二代(MICAPS2)升级为第四代(MICAPS4)，并逐渐向云化、智能化发展。MICAPS4灵活性高、开放程度大，提供完整的数据采集、预报员交互操作和数据分析服务，预报员能够在短时间内分析气象实况资料和数值分析预报产品，并掌握大气三维结构的运动状况[8]。

3.3 产品质量

为加强流域短时降水预报能力，新系统引入了基于变分光流法的雷达外推、高分辨率快速同化预报产品与雷达资料外推相融合[9]的三峡库区短时网格预报产品，提升了三峡库区强降水过程短临预报、灾害性天气警报和预警的准确率。2021年，三峡-葛洲坝坝区发布了147次天气警报和39次天气预警，全年天气无漏报，警报预警评分超90%。

为支持水文精细预报，建立了从实况、短时、短期到中期的精细化、网格化的长江流域降水监测预报产品，实现了流域气象预报从固定分区的流域面雨量跨度预报向任意分区降水格点预报的转变，为提升水文预报的预报精度和延长洪水预见期提供了变革性的气象支持。

采用前期环流特征、海洋特征和大气下垫面的气候特征等信息，基于气候数值模式法、数值模式的环流降尺度法提供长江流域月尺度降水气候趋势预测产品；利用长江流域气象站点资料和大气环流指数资料及模式输出资料，依托最优子集回归统计预测法、前期气候特征相似组合法、动力模式降尺度法等提供长江流域关键期(消落期、汛期、蓄水期)、季、年尺度气候预测的业务产品，各时间尺度气候预测产品对后期调度计划具有较大参考作用[10]。例如2021年7月21日起的延伸期预报准确预判了长江上游8月上旬末开始将转入多雨形势，同年汛期前成功将长江干流以北降水偏多情形提前预测，准确的降雨形势预判对后期调度计划提供了强有力的技术保障。

3.4 个性服务

随着业务的创新扩展，气象业务在生产中的重要性逐日显现。从流域大水电的降雨预报和气候预测，到受电区域特殊天气(寒潮、高温、台风等)跟踪预报，再到发展中的金沙江新能源风、光资源评估预测，梯调气象依靠业务系统数据、系统的完善升级，针对不同业务板块提供了专业、丰富、个性化的气象服务产品，利用气象信息网的“天气预报会商”模块能进行流程化水文气象会商，实现了有力的基础服务保障。

4 结 语

三峡梯调气象业务系统的升级使用是利用共享气象大数据平台，完成了共享使用和气象产品二次开发应用，建成了无缝隙、格点化、精细化、定量化的流域降水预报体系，实现了流域降水预报从面雨量跨度预报向分区格点预报转变，打造了各业务板块个性化的气象业务应用服务，延长了气象预报预见期，有效提高了梯级水库气象监测、短中期预报、气候预测的精确度。