一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法与流程

本发明属于环境预报技术领域，具体涉及一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法。

背景技术：

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，本发明申请提供了一种基于防汛需求的降雨预报精度评估方法，本发明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。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题为此，本发明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、24h等特征时段累积降雨量的空间分布影响：相应的针对最大i小时的累积雨量按上述规则考虑，即若编号为k的网格最大i小时降雨累计量的预报值与实测值，落在同一容差区间的，令该网格最大i小时累积降雨的空间相符性指标赋值boolk,ih＝1，否则boolk,ih＝0；

(3)得到流域空间评价指标

将第k个网格的全时段、各个特征时段的空间相符性指标加权，得到该网格的空间相符性指标为

再将流域内所有网格的空间相符性指标取算术平均，得到流域的空间分布评价指标edis，数值在[0,1]区间，值越大，指标越优：

式中，n为流域内的总网格数；

第四步：降雨预报时程分配评价指标

定义洪水预报的常用指标“确定性系数”作为时程评价指标epro，数值在[0,1]区间，值越大，指标越优：

式中，pt为第t时段流域实测面雨量，为第t时段流域预报面雨量，为流域实测面雨量系列的均值；

第五步：降雨预报综合评价指标

将第二至第四步中得到的量级评价指标、空间分布评价指标和时程分配评价指标进行加权计算，得到降雨的综合评价指标e，其数值在[0,1]区间，值越大，指标越优；

e＝esum*csum+edis*cdis+epro*cpro(11)

式中，csum为量级权重系数，cdis为空间分布权重系数，cpro为时程分配权重系数；这三个权重系数根据对洪水洪量、洪峰等关注侧重不同而定。

优选的，在所述第二步中，当实测降雨psum,all≤10mm时，式(1)中除数取常数t取为10，即

关注考虑最大1h、3h、6h、12h、24h等特征时段累积降雨量，式(1)中除数取常数t取为10，相应的针对最大i小时的累积雨量量级评估公式如下：

优选的，在所述第三步中，

1)评估时长≤12h时，容差区间一取为：

[0,5)，[5,15)，[15,30)，[30,50)，[50,70)，[70,140)，[140,+∞)；

2)评估时长>12h时，容差区间二取为：

[0,10)，[10,25)，[25,75)，[75,100)，[100,150)，[150,200)，[200,250)，[250,+∞)。

优选的，在所述第五步中，在简化处理时，量级权重系数、空间分布权重系数、时程分配权重系数取值均为1/3。

与现有方法相比，本发明具有以下优势：

(1)从防汛的场景出发，关注的是降雨引起的产汇流效应，提出的综合考虑降雨量级、空间分布、时程分配的多维度评估指标方法。

(2)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。

(3)在量级评价指标的建立方法，对相对误差项提出一种处理方法：将除数替代为某一合理常量的方法，有效避免了当降雨量级很小时，计算出的相对误差值很大，夸大降雨预报偏差对防汛的影响的恶劣情况。

(4)本发明的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。

(5)本发明的评估结果可以为多种降雨数值预报模式的融合应用提供依据。

附图说明

图1基于防汛需求的降雨预报精度评估方法总体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。参见附图1所示，本发明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，具体步骤如下：

第一步：网格化与面雨量计算

由于涉及空间分布维度的评价，需要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。各数值预报模式水平分辨率不一，本发明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，可以得到各网格以及全流域的逐时段实测、预报降雨量，为本发明以下的评价步骤提供数据基础。

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，考虑到与下文的时程分配、空间分布指标协调性，需选取一个无量纲的值，本文引入相对误差值项，并按照指标的正向性考虑，拟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。但上式在实测降雨量很小时，会引起的表述失真，例如实测降雨0.1mm，预报降雨0.2mm，按上式计算值esumall＝0，直接的表述理解为量级预报指标到恶劣下限，而从本文立意的防洪应用场景来看降雨0.2mm与0.1mm引起的水文响应差别很小，此时esum,all为接近1的数才为合理。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，本文规定当实测降雨psum,all≤10mm时，上式除数取常数10，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，往往还关注考虑最大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。权重可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

由于流域内降雨存在空间分布不均匀的特点，为了准确描述预报降雨与实测降雨空间分布的吻合度，本发明提出了一种空间分布评价方法，：

(1)引入容差区间的概念

参考雨量等级划分的相关标准([9]国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.降雨量等级:gb/t28592-2012[s],2012)，同时出于区分度的考虑，对暴雨以上等级划为做了适当加密，形成为两档容差区间表：

1)评估时长≤12h时，容差区间一取为[0,5)，[5,15)，[15,30)，[30,50)，[50,70)，[70,140)，[140,+∞)；

2)评估时长>12h时，容差区间二取为[0,10)，[10,25)，[25,75)，[75,100)，[100,150)，[150,200)，[200,250)，[250,+∞)；

(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。例如，评估时长24小时，编号217号的网格，预报累积雨量167mm，实测累积雨量180mm，同属[150,200)区间，则认为该网格的空间相符性较高，bool214,all＝1.

同样地，除了全时段累积总降雨之外，在防汛实践中，也会关注最大1h、3h、6h、12h、24h等特征时段累积降雨量的空间分布影响。为此，相应的针对最大i小时的累积雨量按上述规则考虑，即若编号为k的网格最大i小时降雨累计量的预报值与实测值，落在同一容差区间的，令该网格最大i小时累积降雨的空间相符性指标赋值boolk,ih＝1，否则boolk,ih＝0.

(3)得到流域空间评价指标

将第k个网格的全时段、各个特征时段的空间相符性指标加权，得到该网格的空间相符性指标为

再将流域内所有网格的空间相符性指标取算术平均，得到流域的空间分布评价指标edis，数值在[0,1]区间，值越大，指标越优：

式中，n为流域内的总网格数。

第四步：降雨预报时程分配评价指标

为了评价降雨预报过程与实测过程之间的吻合程度，引入洪水预报的常用指标“确定性系数”，作为时程评价指标epro，数值在[0,1]区间，值越大，指标越优：

式中，pt为第t时段流域实测面雨量，为第t时段流域预报面雨量，pt为流域实测面雨量系列的均值。

第五步：降雨预报综合评价指标

将以上步骤中得到的量级评价指标、空间分布评价指标和时程分配评价指标进行加权计算，得到降雨的综合评价指标e。同样地，其数值也在[0,1]区间，值越大，指标越优。

e＝esum*csum+edis*cdis+epro*cpro(11)

式中，csum为量级权重系数，cdis为空间分布权重系数，cpro为时程分配权重系数。这三个权重系数可根据对洪水洪量、洪峰等关注侧重不同而定，简化处理时取值为1/3。

本发明的技术效果如下：

(1)从防汛的场景出发，关注的是降雨引起的产汇流效应，提出的综合考虑降雨量级、空间分布、时程分配的多维度评估指标方法。

(2)空间分布指标的建立方法，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，这样就对降雨空间分布的误差得出一个较为客观的评分；

(3)在量级评价指标的建立方法，对相对误差项提出一种处理方法：将除数替代为某一合理常量的方法，有效避免了当降雨量级很小时，计算出的相对误差值很大，夸大降雨预报偏差对防汛的影响的恶劣情况。

以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。