一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，方法包括：第一步：网格化与面雨量计算；第二步：降雨预报量级评价指标；第三步：降雨预报空间分布评价指标；第四步：降雨预报时程分配评价指标；第五步：降雨预报综合评价指标。本发明专利技术将数值预报降雨与实测降雨值统一到标准网格下，分别进行量级、空间分布、时程分配的吻合程度评估，得到三个维度的分项指标，综合形成对预报降雨的综合评价指标。评价的结果可以为降雨预报模式的应用选取，以及多种预报模式的融合应用提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法
本专利技术属于环境预报
，具体涉及一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法。
技术介绍
降雨信息是洪水预报的重要依据，传统的洪水预报往往仅依赖实测降雨，近年来有很多文献尝试将数值降雨预报成果作为水文模型的输入，有效延长了洪水预报预见期(参见文献：[1]安莉娜,王文杰,郑敏生等.短期降雨预报信息应用在青山水库汛限水位动态控制的可行性分析[J].中国农村水利水电,2008,(6):55-56,64；[2]张卫国,范仲丽,钟伟,等.雷达回波外推方法在临近降雨预报中的应用[J].中国农村水利水电,2018,(9):69-73,120；[3]VerbuntM,WalserA,GurtzJ,etal.ProbabilisticFloodForecastingwithaLimited-AreaEnsemblePredictionSystem:SelectedCaseStudies[J].JournalofHydrometeorology,2007,8(4):897-909；[4]温娅惠,李致家,孙明坤,等.降雨输入对实时洪水预报精度与预见期的影响[J].湖泊科学,2019,31(1):39-51)，可为水库、闸泵调度等抢险救灾工作赢得更多时间。当前国内外降雨数值预报模式繁多，例如美国GFS(美国国家环境预报中心研发的一种气象数值预报模式GlobalForecastSystem)、欧洲ECWMF(欧洲中期天气预报中心研发的一种气象数值预报模式EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts)、我国中央气象台GRAPES_MESO(中国气象局数值预报中心研发的中国及周边区域数值预报产品(Global/RegionalAssimilationPredictionSystem))、上海气科所SMS-WARMS(中国气象局上海气象科学研究所研发的华东区域中尺度数值预报系统)等。以上各数值预报模式在不同预报时长、不同降雨等级、不同地区(流域)的预报精度均有所差别(参见文献：[5]刘静,叶金印,张晓红,等.淮河流域汛期面雨量多模式预报检验评估[J].暴雨灾害,2014,(1):58-64、[6]张宁娜,黄阁,吴曼丽,等.2010年国内外3种数值预报在东北地区的预报检验[J].气象与环境学报,2012,28(2):28-33)，洪水预报选用的降雨数值预报成果的精度，很大程度上决定了的水文模型预报精度，也会直接影响到水利工程的调度等指挥决策工作。因此，开展降雨预报成果精度的评价研究，对洪水预报工作具有重要意义。国内外开展了对降雨预报精度的大量研究工作，如刘硕等([7]刘硕,王国利,张琳.TlGGE降雨信息在柴河流域洪水预报中可利用性评估[J].水文,2018,38(5):17-22,84)采用TS评分和偏差Bias(TS评分：即临界成功指数，代表空报率和漏报率的综合效应。偏差Bias：即预报偏差，表示预报事件发生的次数与观测事件发生的次数的比率)来分析柴河流域定量降雨预报成果的准确率、空报率和漏报率；曹越等([8]曹越,赵琳娜,巩远发,等.ECMWF高分辨率模式降水预报能力评估与误差分析[J].暴雨灾害,2019,38(3):249-258)对ECMWF高分辨率模式与我国多个雨量测站的24h降水预报的准确度、集中度、相关度进行了评估。现有技术大都关注流域、区域或站点的预报降雨的总量误差、场次命中率等指标，没有考虑降雨预报的空间分布、时程分配误差，但这两个要素直接影响到防汛应用场景时洪水预报成果的洪峰、峰现时间判断，而其结果也影响到水利工程调度时机选择、流域水利工程联合调度效益的发挥。实际上，支撑防汛应用场景需要的对降雨预报的综合考虑总量、空间分布、时程分配三者预报准确度的评价。将数值降雨预报成果作为水文模型的输入条件，能有效延长洪水预报预见期，为防汛工作赢得更多时间。但面对国内外多种降雨数值预报模式成果，其预报精度是选取数值预报模式的重要指标。而现有的TS评分、偏差Bias等降雨预报指标，不能适用于洪水预报等防汛应用场景需求。为此，本专利技术申请提供了一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，本专利技术综合了降雨时程分配、空间分布、总量量级三个维度的降雨预报精度评价，其评估的结果可以为防汛场景下的降雨预报模式的防汛应用选取，以及多种降雨数值预报模式的融合应用提供依据。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题为此，本专利技术提出了一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，该方法是一种综合量级、空间分布、时程分配三个维度的降雨预报精度评价方法：在量级上，建立以相对误差为基础的量级评价指标；在空间分布上，引入容差区间的概念，进行逐网格赋分，综合全流域网格后得出空间分布评价指标；在时程上，采用确定性系数评价时间过程的匹配程度，得到时程分配评价指标。其评价的结果可以为降雨预报模式的应用选取，以及多种预报模式的融合应用提供参考。所述方法包括如下步骤：第一步：网格化与面雨量计算将数值预报降雨值与实测降雨值统一到统一尺寸的标准网格下；按照统一设定的标准网格尺寸，逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格预报值取算术平均即得到流域面雨量预报值；实测数据主要来源于雨量测站，同样逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格降雨值取算术平均即得到流域面雨量实测值；由此，得到各网格以及全流域的逐时段实测、预报降雨量，为后续步骤提供数据基础；第二步：降雨预报量级评价指标对选定的流域总雨量进行量级精度评价，考虑到与时程分配、空间分布指标协调性，选取一个无量纲的值，引入相对误差值项，并按照指标的正向性考虑，取累积总降雨量的量级评价指标为：当Esum,all＜0时，令Esum,all＝0(2)式中：Psum,all为实测全时段累积总降雨量；为预报全时段累积总降雨量；Esum,all作为量级评价指标，值在[0,1]区间，值越大，评价指标越优；在实测降雨量很小时，会引起的表述失真；根据避免误差危害的若干原则，结合精度评价结果的防洪应用场景，当实测降雨Psum,all≤Tmm时，式(1)中除数取常数T，即：当Esum,all＜0时，令Esum,all＝0(4)除了上述全时段累积总降雨之外，在防汛实践中，还关注考虑最大1h、3h、6h、12h、24h等特征时段累积降雨量，为此，相应的针对最大i小时的累积雨量量级评估公式如下：当Esum,ih＜0时，令Esum,ih＝0(6)式中：Psum,ih为实测最大i小时累积降雨量；为实测最大i小时降雨对应时段的预报累积降雨量；i＝1,3,6,12,24；最后，将全时段、各个特征时段雨量量级评价指标综合，最终的量级评价指标为式中：cih为实测最大i小时降雨量级评价值所占权重；call为全时段量级评价值所占权重，权重根据流域产汇流特性取值，或按平均权重处理；第三步：降雨预报空间分布评价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n第一步：网格化与面雨量计算/n将数值预报降雨值与实测降雨值统一到统一尺寸的标准网格下；按照统一设定的标准网格尺寸，逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格预报值取算术平均即得到流域面雨量预报值；实测数据主要来源于雨量测站，同样逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格降雨值取算术平均即得到流域面雨量实测值；由此，得到各网格以及全流域的逐时段实测、预报降雨量，为后续步骤提供数据基础；/n第二步：降雨预报量级评价指标/n对选定的流域总雨量进行量级精度评价，考虑到与时程分配、空间分布指标协调性，选取一个无量纲的值，引入相对误差值项，并按照指标的正向性考虑，取累积总降雨量的量级评价指标为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
第一步：网格化与面雨量计算
将数值预报降雨值与实测降雨值统一到统一尺寸的标准网格下；按照统一设定的标准网格尺寸，逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格预报值取算术平均即得到流域面雨量预报值；实测数据主要来源于雨量测站，同样逐时段采用克里金插值得到网格降雨值，将流域内各网格降雨值取算术平均即得到流域面雨量实测值；由此，得到各网格以及全流域的逐时段实测、预报降雨量，为后续步骤提供数据基础；
第二步：降雨预报量级评价指标
对选定的流域总雨量进行量级精度评价，考虑到与时程分配、空间分布指标协调性，选取一个无量纲的值，引入相对误差值项，并按照指标的正向性考虑，取累积总降雨量的量级评价指标为：



当Esum,all＜0时，令
Esum,all＝0(2)
式中：Psum,all为实测全时段累积总降雨量；为预报全时段累积总降雨量；
Esum,all作为量级评价指标，值在[0,1]区间，值越大，评价指标越优；在实测降雨量很小时，会引起的表述失真；根据避免误差危害的若干原则，结合精度评价结果的防洪应用场景，当实测降雨Psum,all≤Tmm时，式(1)中除数取常数T，即：



当Esum,all＜0时，令
Esum,all＝0(4)
除了上述全时段累积总降雨之外，在防汛实践中，还关注考虑最大1h、3h、6h、12h、24h等特征时段累积降雨量，为此，相应的针对最大i小时的累积雨量量级评估公式如下：



当Esum,ih＜0时，令
Esum,ih＝0(6)
式中：Psum,ih为实测最大i小时累积降雨量；为实测最大i小时降雨对应时段的预报累积降雨量；i＝1,3,6,12,24；
最后，将全时段、各个特征时段雨量量级评价指标综合，最终的量级评价指标为



式中：cih为实测最大i小时降雨量级评价值所占权重；call为全时段量级评价值所占权重，权重根据流域产汇流特性取值，或按平均权重处理；
第三步：降雨预报空间分布评价指标
(1)引入容差区间的概念
对暴雨以上等级划分做适当加密，形成为两档容差区间表：
1)评估时长≤12h时，设置容差区间一；
2)评估时长>12h时，设置容差区间二；
(2)制定判定规则
若编号为k网格的全时段累积总降雨的预报值与实测值，落在同一容差区间的，则给网格全时段累积总降雨的空间相符性指标Boolk,all赋值1，即Boolk,all＝1，否则赋值为0，即Boolk,all＝0；
同时关注最大1h、3h、6h、12h...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫国，顾巍巍，江雨田，赵思远，张焱，朱从飞，范仲丽，钟伟，肖涵，王新龙，林宇，张玉兰，王晓晓，孙飞飞，
申请(专利权)人：宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33