撫順市汛期降水量預(yù)測(cè)方法淺析

劉振楠，王琦玥

（遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113005）

0 引言

撫順市降水量中長期預(yù)報(bào)一直處于空白狀態(tài)，在遼寧省汛期中長期預(yù)報(bào)中，撫順市僅以中北部地區(qū)進(jìn)行概述，使得預(yù)報(bào)精度不高，難以有效地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。撫順市主要降水集中在汛期6～8 月，降水量占全年降水量64%，汛期年際降水量變化較大，干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)汛期降水量，對(duì)制定撫順市水庫調(diào)度策略和水資源開發(fā)利用策略、防災(zāi)抗災(zāi)減災(zāi)有著重要的指導(dǎo)意義。降水過程受多種因素影響，單一的水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，將多種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法有機(jī)的結(jié)合起來，是提高降水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度的有效途徑。本文選取1965-2018年撫順市汛期降水量資料進(jìn)行降水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法簡介

水文預(yù)報(bào)就是據(jù)已知的信息對(duì)未來一定時(shí)期內(nèi)的水文狀態(tài)作出定性或定量的預(yù)測(cè)。目前遼寧省水文預(yù)報(bào)方法主要采用馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)、模糊數(shù)學(xué)法、趨勢(shì)分析法、小波分析法4種趨勢(shì)分析方法和周期均值疊加法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、厄爾尼諾相似年法等7 種數(shù)值預(yù)測(cè)方法，其中部分預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法適用于大氣候預(yù)測(cè)。本文以2019 年汛期降水量預(yù)測(cè)為例，主要采用周期均值疊加法為數(shù)值預(yù)測(cè)方法，結(jié)合馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)、模糊數(shù)學(xué)法兩種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，綜合確定撫順市汛期降水量。本次采用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法均使用軟件計(jì)算得出結(jié)果，以下簡要介紹預(yù)報(bào)原理，以近10 年預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性為主進(jìn)行討論。

1.1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

馬爾可夫預(yù)測(cè)法是一種預(yù)測(cè)事件發(fā)生概率的方法，在對(duì)降水進(jìn)行分級(jí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史資料確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣；并依據(jù)當(dāng)前降雨等級(jí)確定未來年份各降雨等級(jí)發(fā)生的概率，以概率最大的等級(jí)作為預(yù)測(cè)結(jié)果,2019年汛期降水量趨勢(shì)預(yù)測(cè)見表1。

表1 馬爾可夫預(yù)測(cè)法2019年汛期降水量趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由表1 可以看出，由馬爾科夫鏈法得出撫順市2019年汛期降水量整體趨勢(shì)偏多，概率最高為偏多2成以上。

模糊數(shù)學(xué)法根據(jù)撫順市汛期降雨量周期變化特性。將待預(yù)報(bào)年份觀測(cè)值作為待識(shí)別的子系列，與歷史各子系列進(jìn)行模糊比較識(shí)別，按照非凸模糊集擇近原則，選擇貼近度最大的模式進(jìn)行預(yù)報(bào)[1]。

由模糊數(shù)學(xué)法得出撫順市2019 年汛期降水量整體趨勢(shì)偏多，相似年以1985 年605.7 mm 概率最高。兩種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法均顯示2019 年汛期降水量偏多。

1.2 周期均值疊加法

周期均值疊加法將水文要素隨時(shí)間變化的過程看成是有限個(gè)具有不同周期的周期波相互疊加而成。采用方差分析識(shí)別周期，并假定這些周期在預(yù)測(cè)時(shí)段仍保持不變，則可以對(duì)這些周期進(jìn)行外延，并進(jìn)行疊加預(yù)測(cè)。本文主要采用方差計(jì)算分析的方法來識(shí)別周期并進(jìn)行汛期降水量預(yù)報(bào)，周期疊加數(shù)學(xué)模型[2，3]如下：

式中：x( t )為水文要素序列；pi( t )為第幾個(gè)周期波序列；ε( t )為誤差項(xiàng)。

對(duì)撫順市汛期降水量進(jìn)行周期波識(shí)別計(jì)算，選取信度α=0.1，得到4 個(gè)周期波進(jìn)行線性疊加計(jì)算，得到模擬過程，同時(shí)將周期波外延疊加得到預(yù)測(cè)結(jié)果，得出2019 年撫順市汛期降水量預(yù)測(cè)值為575.1 mm，比多年均值497.6 mm 偏多15.6%，預(yù)測(cè)結(jié)果與數(shù)理統(tǒng)計(jì)法兩種預(yù)測(cè)趨勢(shì)結(jié)果一致。周期均值疊加擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖1。

圖1 周期均值疊加擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

2 預(yù)報(bào)精度評(píng)定

撫順市現(xiàn)有1965-2018年共54 a雨量資料。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL250-2000）中規(guī)定：對(duì)于定量預(yù)報(bào)，水位（流量）按多年變幅的10%，其他要素按多年變幅的20%、要素極值的出現(xiàn)時(shí)間按多年變幅的30%作為許可誤差，根據(jù)所發(fā)布的數(shù)值或變幅的中值進(jìn)行評(píng)定[4]。汛期降水量誤差按多年變幅的20%評(píng)定，撫順市汛期降水量最大變幅為569 mm，最大許可誤差為113.8 mm，從54 個(gè)擬合年份中，周期預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差小于113.8 的年份有48個(gè)，合格率達(dá)到88.8%。例子中對(duì)2019年撫順市汛期降水量進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果為575.1 mm，實(shí)測(cè)值為519.9 mm，絕對(duì)誤差小于113.8 mm，結(jié)果在允許誤差以內(nèi)，符合精度要求?，F(xiàn)利用2010-2019年共10年來作為預(yù)報(bào)年份，結(jié)合2種數(shù)理預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，分別計(jì)算與預(yù)測(cè)，3種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法與多年均值對(duì)比趨勢(shì)中，模糊數(shù)學(xué)法和周期均值疊加法汛期雨量預(yù)測(cè)與多年均值比偏多或偏少1 成以內(nèi)，視為基本持平，超過1 成，趨勢(shì)分為多或少兩種，馬爾科夫鏈法視概率分布而定，兩種數(shù)理方法中有至少一種與周期均值疊加法一致，視為一致，否則為不一致。預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法趨勢(shì)對(duì)比見表2。

表2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法趨勢(shì)對(duì)比

由表2 可以看出，10 年中，周期均值疊加法與兩種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中至少一種趨勢(shì)一致的有8 年，僅有兩年趨勢(shì)不一致，證明以此3 種方法結(jié)合進(jìn)行汛期降水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)符合趨勢(shì)基本一致要求。針對(duì)兩年趨勢(shì)不一致的情況，保留趨勢(shì)預(yù)測(cè)的不同結(jié)果，采用相同的參數(shù)通過周期均值疊加法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果及精度評(píng)定判斷是否合理。評(píng)定結(jié)果見表3。

表3 撫順市汛期降水量預(yù)測(cè)結(jié)果精度評(píng)定 mm

由表3 可以看出，近10 年中，周期預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差小于113.8 mm的年份由8個(gè)，合格率達(dá)到80%，預(yù)報(bào)系列比樣本系列合格預(yù)報(bào)率高，其中2017 年和2018 年雖然預(yù)測(cè)趨勢(shì)不一樣，但精度評(píng)定結(jié)果合格。近10年僅有兩年不符合精度要求。其中2010 年為洪澇災(zāi)害年，降水偏多，實(shí)測(cè)雨量接近800 mm，比多年均值497.6 mm 高出60.8%，屬于特殊氣候年；2015 年為干旱年，預(yù)測(cè)值明顯高于實(shí)測(cè)值，且已是連續(xù)出現(xiàn)干旱年，不符合撫順市長期水文氣象規(guī)律。對(duì)于非極端天氣預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)，周期均值疊加法符合精度要求。

3 結(jié)語

（1）本文涉及到的3種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法均由計(jì)算機(jī)完成，節(jié)約了計(jì)算的時(shí)間成本，計(jì)算結(jié)果可靠。以周期均值疊加法為主，結(jié)合兩種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法綜合確定預(yù)測(cè)雨量值，預(yù)報(bào)值符合精度要求，證明該方式適合撫順市汛期降水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可以作為中長期預(yù)報(bào)方法。

（2）從周期均值疊加法擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖可看出，撫順市汛期降水量呈現(xiàn)一定的周期性規(guī)律，也符合撫順市3～5 a一個(gè)洪澇干旱周期，周期均值疊加法比較適合撫順市，但其中有兩年精度不合格，表示周期均值疊加法對(duì)極端天氣，如干旱、洪澇災(zāi)害年，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性差，未來可修改計(jì)算參數(shù)并嘗試更多的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，以提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和預(yù)見性。

（3）馬爾科夫鏈法和模糊數(shù)學(xué)法僅能作為趨勢(shì)預(yù)測(cè)，相比之下周期均值疊加預(yù)測(cè)更直觀，但水文要素受人為、水利工程得諸多因素影響，分析得到的水文周期非準(zhǔn)確嚴(yán)格的物理周期，因此不能無限外延，只能作為短時(shí)期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。