抚顺市汛期降水量预测方法浅析

刘振楠，王琦玥

（辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113005）

0 引言

抚顺市降水量中长期预报一直处于空白状态，在辽宁省汛期中长期预报中，抚顺市仅以中北部地区进行概述，使得预报精度不高，难以有效地指导生产实践。抚顺市主要降水集中在汛期6～8 月，降水量占全年降水量64%，汛期年际降水量变化较大，干旱和洪涝灾害频发，准确预测汛期降水量，对制定抚顺市水库调度策略和水资源开发利用策略、防灾抗灾减灾有着重要的指导意义。降水过程受多种因素影响，单一的水文预测预报方法难以准确预测，将多种预测预报方法有机的结合起来，是提高降水预测预报精度的有效途径。本文选取1965-2018年抚顺市汛期降水量资料进行降水预测预报。

1 预测预报方法简介

水文预报就是据已知的信息对未来一定时期内的水文状态作出定性或定量的预测。目前辽宁省水文预报方法主要采用马尔科夫链预测、模糊数学法、趋势分析法、小波分析法4种趋势分析方法和周期均值叠加法、神经网络法、厄尔尼诺相似年法等7 种数值预测方法，其中部分预测预报方法适用于大气候预测。本文以2019 年汛期降水量预测为例，主要采用周期均值叠加法为数值预测方法，结合马尔科夫链预测、模糊数学法两种数理统计法，综合确定抚顺市汛期降水量。本次采用的预测预报方法均使用软件计算得出结果，以下简要介绍预报原理，以近10 年预测预报的准确性为主进行讨论。

1.1 数理统计法

马尔可夫预测法是一种预测事件发生概率的方法，在对降水进行分级的基础上，根据历史资料确定状态转移概率矩阵；并依据当前降雨等级确定未来年份各降雨等级发生的概率，以概率最大的等级作为预测结果,2019年汛期降水量趋势预测见表1。

表1 马尔可夫预测法2019年汛期降水量趋势预测

由表1 可以看出，由马尔科夫链法得出抚顺市2019年汛期降水量整体趋势偏多，概率最高为偏多2成以上。

模糊数学法根据抚顺市汛期降雨量周期变化特性。将待预报年份观测值作为待识别的子系列，与历史各子系列进行模糊比较识别，按照非凸模糊集择近原则，选择贴近度最大的模式进行预报[1]。

由模糊数学法得出抚顺市2019 年汛期降水量整体趋势偏多，相似年以1985 年605.7 mm 概率最高。两种数理统计法均显示2019 年汛期降水量偏多。

1.2 周期均值叠加法

周期均值叠加法将水文要素随时间变化的过程看成是有限个具有不同周期的周期波相互叠加而成。采用方差分析识别周期，并假定这些周期在预测时段仍保持不变，则可以对这些周期进行外延，并进行叠加预测。本文主要采用方差计算分析的方法来识别周期并进行汛期降水量预报，周期叠加数学模型[2，3]如下：

式中：x( t )为水文要素序列；pi( t )为第几个周期波序列；ε( t )为误差项。

对抚顺市汛期降水量进行周期波识别计算，选取信度α=0.1，得到4 个周期波进行线性叠加计算，得到模拟过程，同时将周期波外延叠加得到预测结果，得出2019 年抚顺市汛期降水量预测值为575.1 mm，比多年均值497.6 mm 偏多15.6%，预测结果与数理统计法两种预测趋势结果一致。周期均值叠加拟合结果与实测值对比见图1。

图1 周期均值叠加拟合结果与实测值对比图

2 预报精度评定

抚顺市现有1965-2018年共54 a雨量资料。根据《水文情报预报规范》（SL250-2000）中规定：对于定量预报，水位（流量）按多年变幅的10%，其他要素按多年变幅的20%、要素极值的出现时间按多年变幅的30%作为许可误差，根据所发布的数值或变幅的中值进行评定[4]。汛期降水量误差按多年变幅的20%评定，抚顺市汛期降水量最大变幅为569 mm，最大许可误差为113.8 mm，从54 个拟合年份中，周期预报值与实测值绝对误差小于113.8 的年份有48个，合格率达到88.8%。例子中对2019年抚顺市汛期降水量进行预报，预报结果为575.1 mm，实测值为519.9 mm，绝对误差小于113.8 mm，结果在允许误差以内，符合精度要求。现利用2010-2019年共10年来作为预报年份，结合2种数理预测预报方法，分别计算与预测，3种预测预报方法与多年均值对比趋势中，模糊数学法和周期均值叠加法汛期雨量预测与多年均值比偏多或偏少1 成以内，视为基本持平，超过1 成，趋势分为多或少两种，马尔科夫链法视概率分布而定，两种数理方法中有至少一种与周期均值叠加法一致，视为一致，否则为不一致。预测预报方法趋势对比见表2。

表2 预测预报方法趋势对比

由表2 可以看出，10 年中，周期均值叠加法与两种数理统计法中至少一种趋势一致的有8 年，仅有两年趋势不一致，证明以此3 种方法结合进行汛期降水量预测预报符合趋势基本一致要求。针对两年趋势不一致的情况，保留趋势预测的不同结果，采用相同的参数通过周期均值叠加法进行数值计算，通过计算结果及精度评定判断是否合理。评定结果见表3。

表3 抚顺市汛期降水量预测结果精度评定 mm

由表3 可以看出，近10 年中，周期预报值与实测值绝对误差小于113.8 mm的年份由8个，合格率达到80%，预报系列比样本系列合格预报率高，其中2017 年和2018 年虽然预测趋势不一样，但精度评定结果合格。近10年仅有两年不符合精度要求。其中2010 年为洪涝灾害年，降水偏多，实测雨量接近800 mm，比多年均值497.6 mm 高出60.8%，属于特殊气候年；2015 年为干旱年，预测值明显高于实测值，且已是连续出现干旱年，不符合抚顺市长期水文气象规律。对于非极端天气预报的预测，周期均值叠加法符合精度要求。

3 结语

（1）本文涉及到的3种预测预报方法均由计算机完成，节约了计算的时间成本，计算结果可靠。以周期均值叠加法为主，结合两种数理统计法综合确定预测雨量值，预报值符合精度要求，证明该方式适合抚顺市汛期降水量预测预报，可以作为中长期预报方法。

（2）从周期均值叠加法拟合结果与实测值对比图可看出，抚顺市汛期降水量呈现一定的周期性规律，也符合抚顺市3～5 a一个洪涝干旱周期，周期均值叠加法比较适合抚顺市，但其中有两年精度不合格，表示周期均值叠加法对极端天气，如干旱、洪涝灾害年，预测预报的准确性差，未来可修改计算参数并尝试更多的预测预报方法，以提高预测预报的准确性和预见性。

（3）马尔科夫链法和模糊数学法仅能作为趋势预测，相比之下周期均值叠加预测更直观，但水文要素受人为、水利工程得诸多因素影响，分析得到的水文周期非准确严格的物理周期，因此不能无限外延，只能作为短时期的预测预报。