撫順市汛期降水量預(yù)測方法淺析

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)報一直處于空白狀態(tài)，在遼寧省汛期中長期預(yù)報中，撫順市僅以中北部地區(qū)進(jìn)行概述，使得預(yù)報精度不高，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)測汛期降水量，對制定撫順市水庫調(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)測預(yù)報方法難以準(zhǔn)確預(yù)測，將多種預(yù)測預(yù)報方法有機(jī)的結(jié)合起來，是提高降水預(yù)測預(yù)報精度的有效途徑。本文選取1965-2018年撫順市汛期降水量資料進(jìn)行降水預(yù)測預(yù)報。

1 預(yù)測預(yù)報方法簡介

水文預(yù)報就是據(jù)已知的信息對未來一定時期內(nèi)的水文狀態(tài)作出定性或定量的預(yù)測。目前遼寧省水文預(yù)報方法主要采用馬爾科夫鏈預(yù)測、模糊數(shù)學(xué)法、趨勢分析法、小波分析法4種趨勢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)測方法，其中部分預(yù)測預(yù)報方法適用于大氣候預(yù)測。本文以2019 年汛期降水量預(yù)測為例，主要采用周期均值疊加法為數(shù)值預(yù)測方法，結(jié)合馬爾科夫鏈預(yù)測、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)測預(yù)報方法均使用軟件計(jì)算得出結(jié)果，以下簡要介紹預(yù)報原理，以近10 年預(yù)測預(yù)報的準(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)測法是一種預(yù)測事件發(fā)生概率的方法，在對降水進(jìn)行分級的基礎(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)前降雨等級確定未來年份各降雨等級發(fā)生的概率，以概率最大的等級作為預(yù)測結(jié)果,2019年汛期降水量趨勢預(yù)測見表1。

表1 馬爾可夫預(yù)測法2019年汛期降水量趨勢預(yù)測

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)報年份觀測值作為待識別的子系列，與歷史各子系列進(jìn)行模糊比較識別，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[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間變化的過程看成是有限個具有不同周期的周期波相互疊加而成。采用方差分析識別周期，并假定這些周期在預(yù)測時段仍保持不變，則可以對這些周期進(jìn)行外延，并進(jìn)行疊加預(yù)測。本文主要采用方差計(jì)算分析的方法來識別周期并進(jìn)行汛期降水量預(yù)報，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 )為第幾個周期波序列；ε( t )為誤差項(xiàng)。

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

圖1 周期均值疊加擬合結(jié)果與實(shí)測值對比圖

2 預(yù)報精度評定

撫順市現(xiàn)有1965-2018年共54 a雨量資料。根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》（SL250-2000）中規(guī)定：對于定量預(yù)報，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)行評定[4]。汛期降水量誤差按多年變幅的20%評定，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 個擬合年份中，周期預(yù)報值與實(shí)測值絕對誤差小于113.8 的年份有48個，合格率達(dá)到88.8%。例子中對2019年撫順市汛期降水量進(jìn)行預(yù)報，預(yù)報結(jié)果為575.1 mm，實(shí)測值為519.9 mm，絕對誤差小于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)報年份，結(jié)合2種數(shù)理預(yù)測預(yù)報方法，分別計(jì)算與預(yù)測，3種預(yù)測預(yù)報方法與多年均值對比趨勢中，模糊數(shù)學(xué)法和周期均值疊加法汛期雨量預(yù)測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)測預(yù)報方法趨勢對比見表2。

表2 預(yù)測預(yù)報方法趨勢對比

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)法中至少一種趨勢一致的有8 年，僅有兩年趨勢不一致，證明以此3 種方法結(jié)合進(jìn)行汛期降水量預(yù)測預(yù)報符合趨勢基本一致要求。針對兩年趨勢不一致的情況，保留趨勢預(yù)測的不同結(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)果及精度評定判斷是否合理。評定結(jié)果見表3。

表3 撫順市汛期降水量預(yù)測結(jié)果精度評定 mm

由表3 可以看出，近10 年中，周期預(yù)報值與實(shí)測值絕對誤差小于113.8 mm的年份由8個，合格率達(dá)到80%，預(yù)報系列比樣本系列合格預(yù)報率高，其中2017 年和2018 年雖然預(yù)測趨勢不一樣，但精度評定結(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)測值明顯高于實(shí)測值，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。對于非極端天氣預(yù)報的預(yù)測，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)測預(yù)報方法均由計(jì)算機(jī)完成，節(jié)約了計(jì)算的時間成本，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)測雨量值，預(yù)報值符合精度要求，證明該方式適合撫順市汛期降水量預(yù)測預(yù)報，可以作為中長期預(yù)報方法。

（2）從周期均值疊加法擬合結(jié)果與實(shí)測值對比圖可看出，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極端天氣，如干旱、洪澇災(zāi)害年，預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性差，未來可修改計(jì)算參數(shù)并嘗試更多的預(yù)測預(yù)報方法，以提高預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性和預(yù)見性。

（3）馬爾科夫鏈法和模糊數(shù)學(xué)法僅能作為趨勢預(yù)測，相比之下周期均值疊加預(yù)測更直觀，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，只能作為短時期的預(yù)測預(yù)報。