集成式中长期水文气象预报理论方法及应用分析朱承山

集成式中长期水文气象预报理论方法及应用分析朱承山
发布时间：2021-11-05T06:43:39.647Z 来源：基层建设2021年第24期作者：朱承山
[导读] 本文描述了在充分分析目前广泛应用于水利电力生产计划与调度、水文气象、防汛抗旱、防灾避险应急管理
湖南省欧阳海灌区水利水电工程管理局湖南耒阳 421836
摘要：、工程风险控制等部门或领域中的中长期水文气象预报理论方法的基础上，对这些预报方法进行系统性优化与归集后提出的一种新的集成式中长期预报系统的理论方法，该方法经过了近几年来不断研究与持续改进，结合具体生产实际的预报应用实践表明，充分利用和挖掘水文气象要素信息，采取多种策略、合理综合利用该理论方法进行实际作业预报，在一定程度上可提高预报准确率，获得较好的作业预报效果。

关键词：水文气象；集成预报；模型优化
中长期水文气象预报一直是人们不断探索和研究的课题，但由于其影响因素错综复杂，至今其物理形成机制还没有真正完全弄清楚。

然而通过国内外许多专家学者的不懈努力，至今提出了一些比较成熟的理论方法，如线性逐步回归法，灰色理论，模糊聚类法、集成理论方法等，并在实际应用中取得了比较明显的效果。

但国内外众多学者一般都着重于从本身的学术观点出发，常常基于上述的理论方法或思路，采用单一的预报模式或在某一种理论方法的基础上进行模型改进做出预报，这种预报方法思路就可能会造成预报成功率比较低，预报精度达不到要求，预报效果不理想，难以有效地指导生产实际。

针对这种情形，1996-1998年作者在汲取了一些国内外比较成熟和先进的预报理论方法的基础上，研究提出一种基于这些理论方法综合而成的中长期水文气象预报方法-集成（综合）预报理论模型或方法，并经过多年实际应用，效果较好，现予以介绍，供同行参考或借鉴。

一、集成预报理论方法
目前，中长期水文气象预报理论方法大致有三种，即第一种天气学方法，它是从大量的历史天气资料，主要是高空环流的逐日平均形势进行分析综合，挑选相关影响因素，寻找出环流形势的主要演变规律建立模型，根据前期环流的特点进行预报；第二种物理成因法，它是从海气关系、地气关系以及影响大气长期运动的其它宇宙地球物理因素，如太阳活动和行星运动等对大气环流、水文现象的作用进行预报；最后一种是数理统计法，它是根据要素自身的演变的统计规律和分析与挑选出影响预报量的各个要素，寻求方法建立预报模型进行预报。

开始的思路是将两种系统理论方法如灰色系统理论、模糊聚类方法结合起来，构成灰色模糊聚类方法进行预报，效果比单一方法效果要好，但这种方法一般是两种方法的优化组合或改进，但结合三种以上的方法就要受到限制，因此，作者在经过充分理论分析和不断探索之后，最后提出集成预报理论方法，它是在原综合预报方法的基础上，将成因分析、统计分析和模型优化方法等结合起来，分别采用国内外比较成熟和先进的预报方法逐一对预报量进行预报，然后通过筛选或优化，提取对预报量效果较好的方法进行系统集成，构成集成预报系统，再对预报量进行综合预报，它的基本思路和建模程序如下。

第一步，收集有关水文、气象要素资料，主要是预报量和相应的前期预报因子，一般预报站点（或面）的预报量有如水库年平均入库流量（或断面以上的河道流量）、年降水总量、月平均入库流量（或水量）、月降水量、汛末雨季结束时间（雨季明显地区）等，而预报因子是通过统计相关系数法筛选，主要选择国内286个站点的海温（St）、国内100个地面站的温度（Tt）和降水（Rr）、国内288个站的100百帕高度（H1）、东半球和西半球576个站点的500百帕高度（H5）、综合因子（Mf），含有25个因子，即：亚欧地区环流指数（Iz，Im，），亚洲地区环流指数（Iz，Im，），副高指数（北半球面积指数、强度指数、脊线位置、北界位置），副高指数（西北太平洋面积指数、强度指数、脊线位置、北界位置、西伸脊点）、极涡面积指数（亚洲、太平洋区、北半球）、青藏高原指数（A、B）、印缅槽指数、海温指数（黑潮A、印度洋B）、太阳黑子相对数、厄尔尼诺（100百帕高度H1、200百帕高度H2）、南方涛动指数（SOI）和通过分析确定的预报站点（面）或邻近站点（面）的前期流量、降雨量、汛末雨季结束时间等历史资料。

第二步，从物理成因分析着手，选择目前多种比较成熟和比较先进的理论方法参与建模，主要选择的方法有：线性和非线性逐步回归法、单站或多站相关法、模糊聚类法、神经网络法、投影追踪法、数据处理群法（即GMDH法）、线性和非线性卡尔曼法、灰色系统理论、线性和非线性回归法、线性和非线性自回归法等，从这些理论方法中逐步寻求对某单个预报量预报效果最好的预报方法，可能有1个或若干个，最后采用以下的集成理论或方法将挑选出来的这些预报方法的预报值线性或非线性组合计算出最终预报结果，即对各种方法的预报值进行集成或综合预报，采用的方法有如下3种：
a.权重集成法：如果对某个预报量y，如果经过优选共挑选出n种方法，如采用第i种预报方法得到其预报值为，历史拟合率为，则以此拟合率作为权重并作归一化处理，即为第i种方法的权重系数：
以第i种预报方法的权重乘以其相应预报值，再累加求和即得集成预报量y。

以上这种方法通常称线性权重系数法，也可以通过非线性组合方式进行最优拟合计算，即非线性权重法。

b.分散构成法：分散构成法的基本思路是，在所有所选择的方法中，如果只有第i种方法预报某一水文要素历史拟合率最好，预报效果也最为理想，那么预报量就只采用这种方法作预报，而不采用其他方法了，这就是单一预报法。

c.算术平均法
这种方法就是在采用所有所选择的方法预报同一预报量时，如果有m种方法预报效果比较好，则就以这m种方法的预报量的算术平均值作为最终综合预报结果。

二、实际应用效果分析
作者将集成预报方法或综合预报方法多年来应用于水库或某一地区的中长期水文预报，并经过多年的实际应用加以改进，现已逐于成熟，这种方法采用了目前国内外理论性较强、实际应用效果较好的一些方法，主要是逐步回归法、模糊聚类法、灰色系统理化、GMDH 法、神经网络法、线性和非线性卡尔漫滤波法等，通过优选选取了预报效果较好的方法有：周期分析法、逐步回归法、模糊聚法、自适应灰色理论、自组织人工神经网络、线性卡尔漫方法等，通过线性集成预报办法做出最终的预报量。

对于水库来说，中长期水文预报是搞好水库防洪度汛和蓄水兴利调度的基础性工作，它是制定水库年调度计划的重要理论依据，是提高水库工程的经济效益和社会效益的有效措施之一。

水库主要需要做出预报的预报量或预报对象有：每年年初做出当年全年逐月入库流量、逐月降雨量、年平均入库流量、年入库总水量、年降水量、汛末雨季结束时间等水文要素的预报，并以此制定全年水库防洪度汛计划的主要依据；每月月底预报下一个月的月平均入库流量月降水量，作为下个月灌溉、发电优化配水、改变电站运行方式的依据。

对于某一地区来说，主要是尽量提前（超前）做出本地区异常灾害性的水文气象预报，如汛末雨季结束时间、秋汛开始时间、热带气旋强度或路径等，为防洪抢险抗旱工作提供重要的参考信息。

对于中长期水文气象预报来说，要求采用预报效果好、精度较高的理论方法，且历史拟合预报合格率在70%以上，预报量的相对误差在20%以下，并尽可能不断提高预报精度。

这些预报理论方法已运用于湖南省的欧阳海水库、酒埠江水电站、双牌水电站和衡阳地区的雨季结束时间等的中长期水文气象预报研究中，且实际应用表明，预报效果较好，精度较高，可以满足生产实际的需求，且为当地取得了一定良好的经济效益和社会效益。

三、结论
a.本文提出的集成预报理论方法具有明显的物理成因，物理概念清楚，且操作性和实用性较强。

b.预报系统理论采用了“白箱子”模型，设计思路清晰，具有超前性、科学性和稳定性。

c.预报方法选择简单明了、清晰，内容详细，建立好预报模型后可采用自适应方法进行作业预报。

d.选择参与建模的预报方法比较先进和成熟，能把专家决策系统或专家经验提高到理论高度，采取集成（综合）方法预报，实际作业预报效果表明比单一方法较为理想，预报精度也要高，因此，具有重要的理论指导意义。

e.方法所采集的水文气象资料丰富，信息量大，建立的预报方法透明度高，兼容性强，可建立在大数据基础上进行信息化加工、处理与建模，并可进一步补充、完善、改进或优化模型，具有广阔的研究开发空间和应用前景。

参考文献：
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作者简介：
朱承山（1962.08-），男，汉族，湖南省汝城县人，本科学历，湖南省欧阳海灌区水利水电工程管理局教授级高级工程师，主要研究方向：水文水资源规划调度与管理、水文气象预报预测等。