觀測(cè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)雨量的兩種方法分析

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南駐馬店463000）

觀測(cè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)雨量的兩種方法分析

林 偉（河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南駐馬店463000）

雨量預(yù)報(bào)工作的重要性不僅體現(xiàn)在人們的生活和工作中，在農(nóng)業(yè)方面和軍事方面也同等重要，所以對(duì)雨量預(yù)報(bào)的質(zhì)量要求越來(lái)越高。本文首先對(duì)雨量預(yù)報(bào)做了簡(jiǎn)單概述，然后對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)雨量的兩種方法，即距離權(quán)重法以及插值法進(jìn)行對(duì)比和分析，為從事氣象部門(mén)工作人員提供參考。

雨量預(yù)報(bào)；插值法；距離權(quán)重法；對(duì)比分析

1 概述

1.1 雨量預(yù)報(bào)

雨量預(yù)報(bào)對(duì)人們的日常出行、生活和工作起著重要的影響，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加重要。雨量依據(jù)規(guī)定有明確的劃分，在24h以?xún)?nèi)的總降雨量不同，具體劃分為：微雨，總降雨量不超過(guò)0.1mm；小雨的總降雨量在0.1～10mm之間；中雨的總降雨量為10～25mm之間；大雨總降雨為25～50mm之間；暴雨總降水量超過(guò)50mm；特大暴雨的總降水量在200mm以上；陣雨不是由降水量來(lái)決定，而是依據(jù)降雨性質(zhì)來(lái)決定，具有間斷性，時(shí)間短，變化強(qiáng)度劇烈。

目前，我國(guó)多地區(qū)氣象研究中心不斷的對(duì)預(yù)報(bào)雨量方法進(jìn)行，其中6h預(yù)報(bào)方法為每天晚上20點(diǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)，從21點(diǎn)到次日21點(diǎn)12個(gè)小時(shí)分為4個(gè)時(shí)段，并在有些位置進(jìn)行預(yù)報(bào)雨量。這些位置都是在53×47的等距離網(wǎng)格點(diǎn)上，東經(jīng)120°、北緯32°附近。氣象部分通過(guò)設(shè)置91個(gè)雨量觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)量實(shí)際雨量，由于會(huì)受到多種因素的影響和限制，設(shè)置的這些站點(diǎn)是不均勻的。因此，氣象部門(mén)通過(guò)兩種方法對(duì)45d的雨量情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及進(jìn)行預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，以建立一種科學(xué)合理的數(shù)據(jù)模型。

1.2 解決方法概述

氣象部門(mén)首先利用兩種不同方法對(duì)每天4個(gè)時(shí)段共計(jì)45d的等距離網(wǎng)格點(diǎn)上的預(yù)報(bào)雨量，同時(shí)也對(duì)91個(gè)觀測(cè)點(diǎn)每天相對(duì)應(yīng)的實(shí)際雨量，然后對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)每天不同時(shí)段的雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后對(duì)各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量與實(shí)測(cè)雨量進(jìn)行對(duì)比和分析，并建立評(píng)價(jià)兩種預(yù)報(bào)方法的相關(guān)數(shù)據(jù)模型。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以為各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量和實(shí)際測(cè)量雨量之差的絕對(duì)值之和。總的來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)模型的建立應(yīng)該充分考慮有以下幾個(gè)方面：①相鄰地域應(yīng)該有相似的氣象特征，并具有相關(guān)性。這是因?yàn)?，地理因素在一定范圍?nèi)對(duì)氣象的影響非常小，可以忽略不計(jì)，但是各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的降雨量分布應(yīng)該是相互獨(dú)立的。②如果地域之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，受到環(huán)境因素和地形因素的影響造成不同區(qū)域的降雨量很難是一樣的，可以不對(duì)這種情況進(jìn)行考慮，因此，不同區(qū)域的降雨量不同與距離有直接關(guān)系。

2 距離權(quán)重法

2.1 觀測(cè)站點(diǎn)臨近區(qū)域的確定

距離權(quán)重法在實(shí)際的應(yīng)用中，首先要對(duì)觀測(cè)位置的鄰近范圍進(jìn)行確定。大量研究表明，為了更好使不同位置的預(yù)報(bào)雨量結(jié)果更加精準(zhǔn)，應(yīng)該以測(cè)量點(diǎn)為中心形成圓形范圍作為搜索范圍，網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)應(yīng)該在2個(gè)以上。另外要注意，每個(gè)圓形的覆蓋范圍應(yīng)盡可能的避免重疊。下面相關(guān)數(shù)據(jù)是搜索半徑為0.5度的圓形搜索范圍，對(duì)每個(gè)測(cè)量位置的相鄰范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本文只列出一部分，如表1。

通過(guò)搜索結(jié)果我們可以看到，各個(gè)區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)重疊情況，含有的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)都在2個(gè)以上，而且搜索半徑的確定也是合理的。

表1 觀測(cè)站點(diǎn)鄰近區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)

2.2 權(quán)重的確定

假設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)所在位置用A（x，y）來(lái)表示，各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置分別用P（x1，y1），P（x2，y2）…P（xn，yn）來(lái)表示，依據(jù)兩點(diǎn)間距離公式，可以得網(wǎng)格點(diǎn)位置P（xi，yi）到A的距離。假設(shè)第i個(gè)點(diǎn)P（xi，yi）的降雨量對(duì)于A（x，y）點(diǎn)降雨量的影響因子，也就是權(quán)重為：

其中公式中的ri（i=1，2，…n）不能為零，也就意味著觀測(cè)站點(diǎn)與n個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都不會(huì)出現(xiàn)重合現(xiàn)象?，F(xiàn)在我們假設(shè)恰好與第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)重合，也就是當(dāng)ri為0的情況下，這時(shí)可以把第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)P（xi，yi）的預(yù)報(bào)雨量作為觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量，這個(gè)情況下通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算的權(quán)重也是非常合理的。

2.3 觀測(cè)站點(diǎn)預(yù)報(bào)雨量確定

在上述計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，利用加權(quán)平均法可以得出觀測(cè)站點(diǎn)A的每天某一時(shí)段的預(yù)報(bào)雨量為：

w=cjwi

在這個(gè)公式中，wi代表各個(gè)鄰近網(wǎng)格點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量。

3 插值法

Mat1ab（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是一種數(shù)學(xué)軟件，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言和計(jì)算環(huán)境，它不僅可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制數(shù)據(jù)模型、函數(shù)模型等，還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)界面以及調(diào)用C語(yǔ)言或者其他語(yǔ)言的編寫(xiě)程序。Mat1ab提供很多的插值技術(shù)，使用插值法過(guò)程中，已知數(shù)據(jù)包括網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)度、緯度以及預(yù)報(bào)雨量，插值點(diǎn)為91個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，由于插值點(diǎn)不均勻，可以采用函數(shù)公式：

Z=griddata（x，y，z，X1，Y1，method）進(jìn)行插值計(jì)算，以確定觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量。也就是利用二元函數(shù)Z=f（x，y）的曲面空間數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲面會(huì)經(jīng)過(guò)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)（x，y，z），griddata將返回曲面Z在點(diǎn)（X1，Y1）位置的插值。method代表插值方法，可以選擇三種不同的插值方法進(jìn)行二維插值，即1inear，這種方法是基于三角形的線(xiàn)性插值；nearest，這種方法是鄰近插值法；cubic，這種方法是基于三角形的三次插值等。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果的比較

4.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)上述計(jì)算機(jī)程序以及相關(guān)運(yùn)算，可以得出觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量，然后對(duì)各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)每天不同時(shí)段的預(yù)報(bào)雨量與實(shí)際測(cè)量雨量的絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算，將絕對(duì)值的和作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 兩種雨量預(yù)報(bào)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，方法一中的數(shù)值偏小，也就是說(shuō)，各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量與實(shí)際測(cè)量雨量的絕對(duì)值之和越小，意味著相應(yīng)的預(yù)報(bào)方法越準(zhǔn)確。因此，不論選擇插值法還是距離權(quán)重法對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)雨量，評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示方法一的雨量預(yù)報(bào)方法可以達(dá)到更好的效果。

4.2 兩種方法比較

通過(guò)對(duì)各種方法的比較，選擇距離權(quán)重法和1inear插值法計(jì)算的結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)比較接近，但是與cubic和nearest插值法進(jìn)行比較，沒(méi)有后兩種方法的預(yù)報(bào)雨量精準(zhǔn)；選擇Mat1ab軟件在執(zhí)行的過(guò)程中，對(duì)1inear、cubic以及nearest三種插值法進(jìn)行耗時(shí)剖析命令，其對(duì)應(yīng)的griddata語(yǔ)句耗時(shí)情況分別為86.125s、91.495s、85.564s，占整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間的90%。如果選擇距離權(quán)重法，其程序運(yùn)行時(shí)間為8.22s，還不到插值法的10%，同時(shí)需要的內(nèi)存也非常小。因此，距離權(quán)重法具有精度高、占用內(nèi)存小、運(yùn)算簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，尤其是在大容量數(shù)據(jù)運(yùn)算的應(yīng)用中，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

5 深層方法進(jìn)一步研究

相關(guān)專(zhuān)家對(duì)以上兩種方法進(jìn)行深入的研究，提出了一種動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)法。這種方法是將以上兩種預(yù)報(bào)方法進(jìn)一步集成，形成綜合預(yù)報(bào)，也就是說(shuō)權(quán)重系數(shù)會(huì)隨著時(shí)間或者空間的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。首先要對(duì)最近30d預(yù)報(bào)的正確次數(shù)和錯(cuò)誤次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出各個(gè)預(yù)報(bào)方法的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，然后利用公式計(jì)算出權(quán)重系數(shù)。這種方法可以很好的將各種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行綜合，其預(yù)報(bào)的可靠性與單個(gè)一種方法的可靠性相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

6 總結(jié)

通過(guò)以上各個(gè)方面的介紹我們了解到，雨量預(yù)報(bào)工作對(duì)各行各業(yè)都非常重要，對(duì)預(yù)報(bào)雨量方法進(jìn)行研究也是非常有必要的。通過(guò)對(duì)距離權(quán)重法和插值法進(jìn)行對(duì)比和分析，使我們認(rèn)識(shí)到，在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)該對(duì)不同情況進(jìn)行全面的考慮和分析，選擇合適的預(yù)報(bào)雨量方法。相關(guān)專(zhuān)家應(yīng)該對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)雨量方法進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)和研究，使預(yù)報(bào)結(jié)果更加精準(zhǔn)，以提高預(yù)報(bào)質(zhì)量。

[1]張文生.淺析細(xì)網(wǎng)絡(luò)推算流域面雨量方法應(yīng)用[J].科學(xué)出版社，2012（09）.

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P457.6

A

2095-2066（2016）34-0081-02

2016-11-14

林偉（1976-），男，助理工程師，大專(zhuān)，主要從事于雨量觀測(cè)，水情預(yù)報(bào)，汛期大水期間閘門(mén)開(kāi)啟流量的報(bào)訊工作。