基于GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息預(yù)報(bào)桓仁流域洪水,水文學(xué)論文

基于GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息預(yù)報(bào)桓仁流域洪水,水文學(xué)論文洪水預(yù)報(bào)是指運(yùn)用前期和現(xiàn)時(shí)的水文、氣象等信息，揭示和預(yù)測(cè)洪水的發(fā)生及其變化經(jīng)過(guò)的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，直接為水庫(kù)的防汛搶險(xiǎn)、水資源的合理利用及工農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)服務(wù)。傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)模型使用實(shí)測(cè)降水信息進(jìn)行預(yù)報(bào)，其預(yù)見(jiàn)期取決于流域匯流時(shí)間，預(yù)見(jiàn)期較短，不利于水庫(kù)的防洪調(diào)度。若能延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，水庫(kù)就能及時(shí)預(yù)泄和預(yù)蓄，能有效提高水庫(kù)防洪安全和增加水電資源利用率。因而，延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期就顯得尤為重要?，F(xiàn)前階段，隨著世界各國(guó)氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用氣象水文耦合模型延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門，高冰等利用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)形式WRF和分布式水文模型GBHM對(duì)三峽水庫(kù)2000年7場(chǎng)洪水的研究，延長(zhǎng)了洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期，陸桂華等用加拿大區(qū)域性中尺度大氣形式MC2和新安江模型單向耦合模型系統(tǒng)對(duì)淮河流域2005年7月的一次暴雨洪水的研究，延長(zhǎng)了洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期，Z.Yu等構(gòu)建了中尺度形式MM5與水文模型HMS耦合模擬模型，該模型能夠模擬流域的部分流量經(jīng)過(guò)。上述研究表示清楚了氣象水文耦合模型有很好的應(yīng)用前景，但洪水預(yù)報(bào)應(yīng)考慮獲取降水預(yù)報(bào)信息的實(shí)時(shí)性和方便性，而國(guó)內(nèi)當(dāng)前并不能方便地實(shí)時(shí)獲取其使用所需的降水預(yù)報(bào)信息；且降水預(yù)報(bào)信息存在一定的不確定性，若直接輸入到洪水預(yù)報(bào)模型中，不同時(shí)間的洪水預(yù)報(bào)精度波動(dòng)較大。本文以桓仁流域?yàn)檠芯勘尘埃褂每蓮奶鞖庠诰€網(wǎng)站上方便實(shí)時(shí)獲取的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息，首先改良原洪水預(yù)報(bào)方案，挖掘出可在單位線法匯流計(jì)算中準(zhǔn)確選擇單位線的規(guī)則，其次對(duì)GFS信息進(jìn)行修正釋用，利用釋用后的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息與洪水預(yù)報(bào)方案耦合，以期到達(dá)延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期的目的。1、工程背景1.1流域水文氣象特征桓仁流域面積為10364km2，屬于半濕潤(rùn)地區(qū)。流域年均降水量860mm。一年中70%的雨量集中在6~9月，大洪水多發(fā)生在7~8月。一次天氣經(jīng)過(guò)造成的暴雨歷時(shí)較短，致使大多數(shù)洪水呈單峰型。一次洪水歷時(shí)7天左右，漲洪歷時(shí)一般僅需要1天左右；退水歷時(shí)一般6天左右；一次洪水總量多集中在3天之內(nèi)。1.2水庫(kù)大概情況桓仁水庫(kù)是渾江梯級(jí)電站的龍頭，是以發(fā)電、防洪為主兼顧其他綜合利用的不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核。水庫(kù)的死水位為290m，正常蓄水位和防洪限制水位均為300m，50年一遇的防洪高水位為306.0m。興利庫(kù)容為8.2?108m3；防洪庫(kù)容為12.6?108m3；總庫(kù)容34.6108m3。1.3原洪水預(yù)報(bào)方案原桓仁流域產(chǎn)流預(yù)報(bào)方案為新安江產(chǎn)流模型。以1966-2005年的77場(chǎng)洪水為模擬期，并使用優(yōu)化技術(shù)率定產(chǎn)流參數(shù)。根據(jù)我們國(guó)家現(xiàn)行(水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范〕SL250-2000，徑流深相對(duì)誤差小于20%，絕對(duì)誤差小于20mm，為合格預(yù)報(bào)。模擬預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次為70場(chǎng)，合格率90.91%。以2006-2018年的10場(chǎng)洪水作為檢驗(yàn)期，檢驗(yàn)預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次為9場(chǎng)，合格率90%。產(chǎn)流預(yù)報(bào)方案精度甲級(jí)?；溉柿饔蛟瓍R流預(yù)報(bào)方案，根據(jù)歷史雨洪資料中具有明顯峰型的洪水，分析歸納出了六條6h時(shí)段單位線。按現(xiàn)行規(guī)范，洪峰預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差，峰現(xiàn)時(shí)間以1個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)為許可誤差。原匯流預(yù)報(bào)方案使用六條6h時(shí)段單位線進(jìn)行匯流計(jì)算，調(diào)度人員憑經(jīng)歷體驗(yàn)選取某一條單位線的匯流計(jì)算結(jié)果作為預(yù)報(bào)方案。2、挖掘選擇單位線的規(guī)則作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)，并沒(méi)有整場(chǎng)洪水的雨洪資料，調(diào)度人員憑經(jīng)歷體驗(yàn)選取某一條單位線會(huì)造成預(yù)報(bào)結(jié)果的不穩(wěn)定，時(shí)常出現(xiàn)較大的偏差。因而考慮進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，挖掘出選擇單位線的規(guī)則，使匯流計(jì)算可根據(jù)規(guī)則直接準(zhǔn)確地選取單位線。2.1選擇單位線的影響因子使用歷史實(shí)測(cè)雨洪資料進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。為減小將來(lái)因使用預(yù)報(bào)降水信息與實(shí)測(cè)降水信息間存在的誤差對(duì)規(guī)則造成的影響，降水量均采用分級(jí)方式進(jìn)行處理。根據(jù)降水類型和單位線的關(guān)系，選取單位線影響因子并進(jìn)行量化。通過(guò)對(duì)流域歷史實(shí)測(cè)雨洪資料分析，擬定選擇單位線的主要影響因子有8個(gè)：前期影響雨量，6h時(shí)段降水量大于5mm的歷時(shí)，6h時(shí)段降水量大于10mm的歷時(shí)，次降水總量級(jí)，次平均降水量級(jí)，降水均勻程度，暴雨中心，降水分布趨勢(shì)。前期影響雨量Pa為本場(chǎng)洪水降水開(kāi)場(chǎng)時(shí)的前期影響雨量。6h時(shí)段降水量大于5mm歷時(shí)為流域次降水6h時(shí)段降水量大于5mm的時(shí)段數(shù)，反映雨強(qiáng)適中的降水在一場(chǎng)洪水中的分布情況。6h時(shí)段降水量大于10mm歷時(shí)為流域次降水6h時(shí)段降水量大于10mm的時(shí)段數(shù)，反映雨強(qiáng)較大的降水在一場(chǎng)洪水中的分布情況。次降水總量級(jí)是將流域次降水量分為5個(gè)級(jí)別，分析流域歷年次降水量資料，按30mm降水量為一個(gè)級(jí)別進(jìn)行劃分。次平均降水量級(jí)為次洪的6h時(shí)段平均降水量的級(jí)別，根據(jù)GFS發(fā)布的6h時(shí)段降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)圖中的量級(jí)進(jìn)行分級(jí)，共10級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。為減小因區(qū)間范圍過(guò)大造成的規(guī)則誤差，考慮設(shè)置0.5級(jí)別，如6h時(shí)段降水量級(jí)為5~10〔mm〕的量級(jí)為4級(jí)，增設(shè)為5~7.5〔mm〕為3.5級(jí)，7.5~10〔mm〕為4級(jí)。降水均勻程度為反響次降水量分布均勻度的量化，值越小表示降水在整個(gè)流域分布越均勻，采用式〔1〕計(jì)算。式中：max(Ps)為雨量站的次降水量最大值；min(Ps)為雨量站的次降水量最小值；average(Ps)為流域次降水量均值。暴雨中心根據(jù)桓仁流域10個(gè)雨量控制站的雨量大小進(jìn)行劃分，按距壩址距離分為上段、中段和下段，按在流域的位置，又分為偏左、偏右。降水分布趨勢(shì)，分為下游向上游遞減和上游向下游遞減兩種情況。2.2挖掘選擇單位線規(guī)則的方式方法與步驟1〕數(shù)據(jù)挖掘的決策樹(shù)方式方法數(shù)據(jù)挖掘〔DataMining，簡(jiǎn)記DM〕是采取專門算法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中不明顯的、潛在的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行分析與建模。可采取的算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析、決策樹(shù)等方式方法。本文采用決策樹(shù)方式方法對(duì)選擇單位線的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。決策樹(shù)方式方法的優(yōu)點(diǎn)有：可生成較好理解的規(guī)則；計(jì)算量不是很大；可處理連續(xù)和種類字段；能夠清楚明晰的顯示哪些信息較重要。2〕挖掘選擇單位線規(guī)則的步驟本文采用1966-2005年流域?qū)崪y(cè)雨洪資料對(duì)選擇單位線規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，使用2006-2018年的流域?qū)崪y(cè)雨洪資料進(jìn)行檢驗(yàn)。步驟如下：第一步：使用流域?qū)崪y(cè)降水資料對(duì)1966-2018年的87場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，記錄下每場(chǎng)洪水使用六條6h單位線進(jìn)行匯流計(jì)算的6個(gè)結(jié)果中，與實(shí)際洪水經(jīng)過(guò)最接近的單位線名稱及其8個(gè)單位線影響因子的數(shù)據(jù)信息。第二步：利用第一步的1966-2005年的77場(chǎng)洪水的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行決策樹(shù)方式方法挖掘，初步歸納出十條選擇單位線的規(guī)則。第三步：用十條選擇單位線的規(guī)則對(duì)1966-2005年的77場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，與第一步中記錄的與實(shí)際洪水經(jīng)過(guò)最接近的單位線名稱以及合格率進(jìn)行比照，對(duì)規(guī)則進(jìn)行屢次修正，讓使用選擇單位線規(guī)則的匯流計(jì)算結(jié)果與第一步記錄的結(jié)果較接近，得出最終的十條選擇單位線的規(guī)則。第四步：使用十條選擇單位線的規(guī)則對(duì)2006-2018年的10場(chǎng)洪水進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。2.3選擇單位線的規(guī)則綜上，十條選擇單位線的規(guī)則如表2所示。每條選擇單位線規(guī)則中的影響因子需同時(shí)被匹配上才能使用該條選擇單位線的規(guī)則，出現(xiàn)其他情況時(shí)使用單位線Ⅰ進(jìn)行匯流預(yù)報(bào)。2.4改良后洪水匯流預(yù)報(bào)方案的精度分析1)1966-2005年數(shù)據(jù)挖掘期的匯流計(jì)算結(jié)果1966-2005年77場(chǎng)洪水使用上述選擇單位線的規(guī)則進(jìn)行匯流計(jì)算，峰值合格場(chǎng)次為66場(chǎng)，平均相對(duì)誤差為11.52%；峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次為69場(chǎng)。匯流預(yù)報(bào)合格率為85.71%。2)2006-2018年檢驗(yàn)期匯流計(jì)算結(jié)果2006-2018年10場(chǎng)洪水使用上述選擇單位線的規(guī)則進(jìn)行匯流計(jì)算，峰值合格場(chǎng)次為9場(chǎng)，平均相對(duì)誤差為12.01%；峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次為10場(chǎng)。匯流預(yù)報(bào)合格率為90%。綜上可知，使用選擇單位線規(guī)則的匯流預(yù)報(bào)方案精度為甲級(jí)，可用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。3、GFS降水預(yù)報(bào)信息與洪水預(yù)報(bào)方案耦合3.1GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的獲取GFS(GlobalForecastingSystem)，由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心研制的降水預(yù)報(bào)形式，是應(yīng)用較廣泛的全球數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)形式之一。按格林尼治時(shí)間〔GMT〕每日00，06，12和18點(diǎn)〔北京時(shí)間為當(dāng)日08，14，20點(diǎn)和次日2點(diǎn)〕發(fā)布將來(lái)1~16dGFS形式計(jì)算的全球各地區(qū)降水情況。華而不實(shí)，預(yù)報(bào)精度較高的將來(lái)1~8d降水預(yù)報(bào)形式，以6h時(shí)段間隔進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。圖〔1〕為2020年8月10日GMT00時(shí)GFS發(fā)布的東亞地區(qū)降水分布情況，華而不實(shí)，〔a〕為8月10日GMT00時(shí)至06時(shí)的降水等值面圖，〔b〕為8月17日GMT18時(shí)至24時(shí)的降水等值面圖。GFS降水等值面圖從天氣在線網(wǎng)站〔〕獲取后，首先需要在圖中對(duì)流域的位置與站點(diǎn)進(jìn)行定位，然后利用開(kāi)發(fā)的讀圖程序，從圖中讀出相應(yīng)站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息。3.2GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的釋用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用是對(duì)數(shù)值形式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的進(jìn)一步解釋應(yīng)用，詳細(xì)來(lái)講通過(guò)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力、人工智能等方式方法，綜合預(yù)報(bào)經(jīng)歷體驗(yàn)，利用歷史資料對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行分析、訂正，建立預(yù)報(bào)模型，最終給出客觀要素的預(yù)報(bào)結(jié)果。主要原由于GFS系統(tǒng)誤差和讀圖程序算法計(jì)算誤差，造成了GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的不確定性。由于GFS預(yù)報(bào)系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算原理并不對(duì)外頒布，無(wú)法獲知詳細(xì)的系統(tǒng)誤差原因，但是預(yù)報(bào)結(jié)果時(shí)有出現(xiàn)空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的情況。故本文使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式方法對(duì)桓仁流域10個(gè)雨量站2006-2018年10場(chǎng)洪水的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息進(jìn)行修正釋用，主要為消除空?qǐng)?bào)和漏報(bào)造成的誤差。GFS預(yù)報(bào)6h時(shí)段的降水量級(jí)〔見(jiàn)表1所示的降水量分級(jí)〕，實(shí)際可能會(huì)發(fā)生其他量級(jí)的降水，統(tǒng)計(jì)分析雨量站點(diǎn)各預(yù)報(bào)降水量級(jí)的實(shí)際發(fā)生降水量級(jí)的頻率。可知：若GFS預(yù)報(bào)6h時(shí)段降水量級(jí)為0~5mm時(shí)，實(shí)際發(fā)生0~5mm降水量級(jí)的頻率為85%，精度較高，因而，對(duì)GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的修正釋用將針對(duì)6h時(shí)段預(yù)報(bào)降水量大于5mm的降水量級(jí)。若GFS預(yù)報(bào)6h時(shí)段降水量級(jí)為50~75mm、75~100mm時(shí)，實(shí)際發(fā)生較小量級(jí)降水的頻率明顯較大，所以GFS預(yù)報(bào)50~75mm、75~100mm的降水量級(jí)時(shí)，直接修正為實(shí)際降水發(fā)生頻率最大的降水量級(jí)。對(duì)其它GFS降水預(yù)報(bào)量級(jí)，由于實(shí)際降水量級(jí)發(fā)生頻率分布較分散，若僅按實(shí)際降水發(fā)生頻率最大進(jìn)行修正，修正結(jié)果穩(wěn)定性較低。因而本次研究使用分開(kāi)量級(jí)對(duì)GFS降水預(yù)報(bào)值進(jìn)行修正釋用。根據(jù)桓仁流域歷史實(shí)測(cè)降水資料，次降水分布為初期雨量較大，后期較小。故考慮修正方式方法為：GFS預(yù)報(bào)6h時(shí)段降水量時(shí)，以該預(yù)報(bào)降水量級(jí)為分界點(diǎn)，將實(shí)際發(fā)生的降水量級(jí)分為兩個(gè)子區(qū)間，如：GFS預(yù)報(bào)6h時(shí)段降水量級(jí)為4級(jí)，則將實(shí)際發(fā)生降水量級(jí)分為[1,4)、[4,10]兩個(gè)子區(qū)間。先在比該預(yù)報(bào)降水量級(jí)大的子區(qū)間進(jìn)行修正，將時(shí)段預(yù)報(bào)降水量級(jí)修正為該子區(qū)間中實(shí)際降水發(fā)生頻率最大的降水量級(jí)。根據(jù)實(shí)際降水經(jīng)過(guò)知，發(fā)生較強(qiáng)降水的時(shí)段一般不會(huì)連續(xù)超過(guò)2個(gè)時(shí)段，為避免修正后的次降水總量級(jí)過(guò)大，一場(chǎng)預(yù)報(bào)降水經(jīng)過(guò)連續(xù)兩個(gè)時(shí)段GFS預(yù)報(bào)降水量級(jí)向高量級(jí)修正，則在接下來(lái)兩個(gè)時(shí)段GFS預(yù)報(bào)降水量級(jí)修正中，一個(gè)時(shí)段保持原量級(jí)不變，下一個(gè)時(shí)段在比該時(shí)段預(yù)報(bào)降水量級(jí)小的子區(qū)間進(jìn)行修正，將該時(shí)段預(yù)報(bào)降水量級(jí)修正為該子區(qū)間中實(shí)際降水發(fā)生頻率最大的量級(jí)。式中：[Pf1,Pf2]為修正前的預(yù)報(bào)降水量級(jí)區(qū)間；[P1,P2]為實(shí)際降水發(fā)生頻率最大的降水量級(jí)區(qū)間；Pf為修正前的預(yù)報(bào)降水量；P為修正后的預(yù)報(bào)降水量。由于GFS每次發(fā)布時(shí)的實(shí)時(shí)氣象環(huán)境發(fā)生了變化，每次發(fā)布的對(duì)同一時(shí)間段的降水預(yù)報(bào)信息會(huì)進(jìn)行調(diào)整。為了使預(yù)報(bào)信息更準(zhǔn)確，對(duì)次洪前GFS連續(xù)四次發(fā)布的對(duì)同一時(shí)間段的降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息按上述修正方式方法修正后，再加權(quán)平均，作為此時(shí)間段GFS預(yù)報(bào)降水量的釋用值。因降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期越短，降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息可信度越高，近期時(shí)刻GFS發(fā)布的降水預(yù)報(bào)信息權(quán)重應(yīng)最大，本文對(duì)次洪前GFS發(fā)布的四次同一時(shí)間段的降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息的權(quán)重分別率定為0.1、0.2、0.3、0.4。3.3釋用后的降水預(yù)報(bào)信息在單位線選擇規(guī)則中的可利用性分析根據(jù)3.2節(jié)方式方法對(duì)場(chǎng)次降水前GFS發(fā)布的桓仁流域10個(gè)雨量控制站的降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息進(jìn)行釋用，流域面雨量為10個(gè)雨量控制站雨量的面積加權(quán)。統(tǒng)計(jì)分析2006-2018年桓仁流域10場(chǎng)次降水釋用后的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息與實(shí)測(cè)值的誤差，包括：6h時(shí)段降水量大于5mm的歷時(shí)，6h時(shí)段降水量大于10mm的歷時(shí)，暴雨中心，降水均勻程度，次降水總量級(jí)，次平均降水量級(jí)等。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。選擇單位線的規(guī)則中，單位線影響因子的數(shù)據(jù)信息均用一個(gè)區(qū)間表示。次降水總量級(jí)和次平均降水量級(jí)區(qū)間均大于1個(gè)級(jí)別，所以降水總量級(jí)誤差和平均降水量級(jí)誤差在1個(gè)級(jí)別內(nèi)則為允許誤差；6h時(shí)段降水量大于5mm的歷時(shí)的區(qū)間均在4個(gè)時(shí)段以上，所以6h時(shí)段降水量大于5mm的歷時(shí)誤差在4個(gè)時(shí)段內(nèi)則為允許誤差；6h時(shí)段降水量大于10mm的歷時(shí)的區(qū)間均在7個(gè)時(shí)段以上，所以6h時(shí)段降水量大于10mm的歷時(shí)誤差在7個(gè)時(shí)段內(nèi)則為允許誤差；降水均勻程度區(qū)間均在1以上，所以降水均勻程度誤差在1以內(nèi)為允許誤差；暴雨中心誤差要求必須是相鄰流域段內(nèi)。3.4利用釋用后的GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)使用釋用后的桓仁流域GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息選擇單位線，2006-2018年10場(chǎng)次產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示：產(chǎn)流預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次8場(chǎng)，徑流深相對(duì)誤差為18.06%；匯流預(yù)報(bào)合格場(chǎng)次為7場(chǎng)，洪峰相對(duì)誤差為22.71%。而使用未修正GFS降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)信息進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算的結(jié)果為：合格場(chǎng)次僅為4場(chǎng)，徑流深相對(duì)誤差為