水文預報方案精度評定和檢驗標準綜述

孫德升

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順113007)

水文預報方案精度評定和檢驗標準綜述

孫德升

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順113007)

水文預報方案是實施預報的基本依據。水文預報方案成果達到精度要求后，才能用于發布預報，因此水文預報方案精度評定和檢驗的標準就顯得十分關鍵。文章從水文預報誤差統計指標入手，探討了水文預報方案精度評定和檢驗的目的，對比了評定和檢驗方法，并對現有規范中水文預報方案精度評定方法和標準進行了分析。

水文預報;精度;評定;檢驗標準

0 前言

水文預報精度是對水文預報誤差的度量。水文預報誤差是指水文要素的實測值與預報值之差，包括隨機誤差和系統誤差。

上述兩種誤差不可能從預報值中加以分清，只能把預報誤差作為綜合性隨機誤差來概括。從而通過與實測值的對比，求出誤差的理論與經驗關系進行評定［1-3］。

隨著水文資料的積累，測驗技術和計算方法的改進，以及預報技術、預報經驗的不斷豐富和完善，預報精度將會逐漸提高，預報誤差會逐漸減少，但絕不能完全消除。

當然，要盡量減少可以避免的誤差。諸如在編制方案前應對預報流域或河段的自然地理概況、水文氣象特征、站網分布、資料系列、人類活動情況等進行詳細的了解和調研，以便在充分掌握客觀情況的基礎上，確定合適的預報方法。

同時，在預報作業的實踐中，要經常總結經驗，不斷探索水情變化規律、注意搞好實時校正，并及時修訂預報方案，提高方案和作業預報的精度［4］。

1 水文預報誤差統計特性

根據大量統計分析和物理成因分析，水文預報誤差的分布規律一般是兩端有限的偏態分布，水文預報要求的保證率不太高(例如水文情報預報規范中要求乙等方案的合格率為70%)，用正態分布與偏態分布的差別不大，所以，目前多以正態分布作為水文預報精度評定的基礎。

預報誤差用絕對誤差表示為:

用相對誤差表示為:

式中:yi為實測值，y為預報值。

預報誤差有正有負，評定時取其絕對值。

1.1 平均誤差

式中:n 為觀測次數，i=1，2，…，n。

1.2 均方誤差

均方誤差σ的計算公式為:

1.3 用確定性系數作為評定有效性的表征值

計算公式為:

式中:Se為預報值誤差的均方差，即式2-2的σ值;σy為實測值的均方差。

2 水文預報方案精度評定

2.1 評定的目的

利用水文預報方法原理所編制的流域河段、水庫等的水文預報方案是水文作業預報的根據。

為了能預先掌握應用方案的可靠程度及有效性、預報誤差的范圍是否超過允許的限度，必須對水文預報方案進行評定和檢驗，其評定和檢驗的目的是:

1)評定和檢驗水文預報方案的可靠性及預報值的精確程度，從而確定已建立的水文預報方案和采用的方法是否合理和適用，其精度能否滿足生產的需要。

2)了解和掌握方案的適用范圍及預報值可能存在的誤差大小，使作業預報人員合理應用預報方案，并使需要預報的單位能正確掌握使用預報成果。另外，還可通過對不同的預報方法進行實際效益的對比，發現存在的問題，總結提高，從而推動水文預報技術的發展［5-7］。

評定和檢驗預報方案是采用統一的許可誤差和有效性標準進行。

評定是由建立模型的全部序列值按其預報誤差確定模型的有效性;檢驗是引用未參加建立模型的預留序列值按模型做檢驗預報，視誤差情況確定方案的有效性。二者不可偏廢。

需要指出的是，評定和檢驗的定量指標形式雖然一樣，但定量時二者有所不同。前者在計算指標時以建模的全部實測序列值為基礎，而后者卻以預留序列值為基礎。

從實用觀點評判，檢驗較評定更為重要。至于對每次作業預報效果的評定，要根據誤差值與許可誤差作對比確定［8-9］。

這里所指的許可誤差是根據預報的技術水平、資料條件、誤差分布規律和結合生產對預報的要求來確定的，用預報誤差的許可范圍來表示，并把它作為評定預報精度的尺度。

2.2 評定的方法

2.2.1 有效性和合格率的評定

由于確定性系數是介于兩極端之間，因此它在一定程度上反映了系列間的密切程度，故作評定、檢驗標準是可行的，實質它是用平均值作對比的預報有效性的度量標準［10］。計算Se和σy值必須考慮到它們的季節性變化。只有在正態分布的情況下，DC才是預報變量和預報誤差的完全可靠的統計特征。

當非正態分布時，只有確認兩個變量的標準化誤差，其經驗分配曲線相似后，才能用系數DC。標準化誤差值的表達式為:

確定性系數DC以下述方式定義預報方法可靠性程度:

如果DC=1，預報方法完全正確，沒有誤差。

DC=0，預報方法并不比“自然”預報提供更多的信息。

DC＜0，預報方法的誤差比“自然”預報的更大。

顯然，預報誤差的均方差愈小，DC愈接近于1，預報模型愈好。

對流域模型制定的水文預報方案評定或檢驗規定見表1。

表1 水文預報方案評定或檢驗規定

模型的合格率是指合格預報次數占預報總次數的百分率。誤差小于允許誤差δ許的預報為合格，水文情報預報規范規定預報方案合格率的評定和檢驗標準見表2。

表2 預報方案合格率的評定和檢驗標準

預報方案的合格率達甲、乙等級的可用于作業預報，可對用戶正式提供預報成果。丙等以下者，不能用于作業預報。

2.2.2 作業預報評定

作業預報評定按每次預報誤差大小，分四個等級，見表3。

表3 作業預報評定等級

3 探討

綜上所述，從以下5個方面進行探討:

1)水文預報是會有誤差的，目前采用的評定方法和標準具有一定的主觀性。

因此，在實際工作中，既要重視評定結果，又不應機械地以合格率或確定性系數作為衡量預報優劣的標準，而應講究預報服務效益，從每次預報評定中認真總結經驗，改進預報方案，力求提高預報時效和精度，這才是評定的最終目的。

2)確定性系數的高低，取決于所率定模型系列的長短。

如率定期很長，小水部分占很大的比重，所率定出來的確定性系數，一般來說比短系列率定的確定性系數要高(因小水部分率定時，把確定性系數提高了)。

因此，經確定性系數率定的模型應用在作業預報時，必須注意預見期與系列長度相適應。同時，應注意從包含各種水文情勢的系列中率定確定性系數，以提高模型的實用性。

3)現有的水文預報評定和檢驗的方法及標準主要是針對流域洪水預報來制定的，基本上屬于短期預報標準，對中長期水文預報的特點考慮的比較少，這也是由于中長期水文預報理論和方法發展滯后所造成的結果，故現有的中長期水文預報方案的評定和檢驗只能是參照執行現有的規范，但不能硬性照搬。

在《水文情報預報規范》(SD138—85)中未提及中長期水文預報，而在水文情報預報規范 (SL250—2000)和水文情報預報規范(GB/T 22482—2008)中已對中長期水文預報評定和檢驗的方法及標準進行了初步規范。

4)一般而言，預報精度隨著預見期的加長而降低，在相同預報水平下，中長期預報的誤差大于短期預報的誤差。

因此，按“短期預報”標準確定的中長期預報結果，在定量定性上可能偏高。

在應用中可在現行標準基礎上適當降低預報方案等級的劃分。

5)中長期水文預報評定和檢驗應綜合考慮各種有效性標準，不應只偏重于一種而偏廢其它，既要考慮規范中規定的確定性系數及合格率的指標，也要考慮平均相對誤差和最大相對誤差等指標，并從總體上考慮這些指標的有機平衡，否則就很難滿足生產實際的要求。

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1007-7596(2014)06-0030-03

2013-12-28

孫德升(1964-)，男，遼寧本溪人，高級工程師，從事水利工程施工和管理工作。