基于深度学习的雷达降雨临近预报及洪水预报

为探究深度学习的雷达降雨临近预报在流域洪水预报中的适用性,采用U-Net、嵌入注意力门的Attention-Unet和添加转换器的多级注意力TransAtt-Unet开展雷达降雨临近预报,将预报降雨作为HEC-HMS水文模型的输入,对柳林实验流域进行洪水预报。结果表明：1 h预见期时,Attention-Unet对短时强降雨预报结果较好,TransAtt-Unet预报降雨模拟的洪峰流量和径流量相对误差小于20%,各深度学习模型对量级较大的降雨和洪水预报精度较高;2 h预见期的预报降雨强度、降雨总量、洪峰流量和径流量存在显著低估,U-Net能取得相对较好的降雨预报结果。基于深度学习的1 h预见期雷达降雨临近预报及洪水预报可为流域防洪减灾提供科学依据。     

洪水预报模型输入与输出的误差分布及相关性分析

降雨预报信息作为洪水预报模型的输入,该信息的准确性直接影响洪水预报模型输出的准确性.为探究模型输入(降雨预报)误差与输出(洪水预报)误差之间的关系,以英那河流域为例,分析了不同雨量等级下,预报模型的输入误差与输出误差的分布规律,并定性分析了两种误差的相关关系.结果表明,降雨量等级若为无雨及小雨时,两种误差不相关;若为中...     

基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术

中小河流大多位于资料短缺的山丘区,洪水具有突发性强、汇流时间快、预见期短以及分布广的特点。中小河流洪水预报首要目的和任务是预警预报,预报方式应以自动预报为主,以实现及时预警,最大程度地避免人员伤亡,减轻灾害损失。本文分析了中小河流洪水预报的特点与难点,提出了中小河流洪水预报的思路及实用预报模型与方法,开展了基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术在新安江上游屯溪流域预警预报中的应用研究,以期为当前所开展的全国中小河流洪水预警预报系统建设提供参考。研究表明:分布式水文模型是资料短缺地区中小河流洪水预报的有效方法,基于分布式水文模型的洪水预报技术能够满足中小河流洪水自动预警预报的生产需要。     

双校正模式下的大清河流域陆气耦合洪水预报研究

基于数值大气模式WRF、三维变分数据同化WRF-3DVar、河北雨洪模型以及实时校正模型ARMA,在北方半湿润半干旱地区的大清河流域构建了陆气耦合洪水预报系统,并利用2012、2013年发生的3场降雨洪水,对系统的降雨洪水预报结果进行分析。结果表明:雷达反射率与GTS数据的同时同化,可有效改善数值大气模式对中小尺度流域的降雨预报效果,从而降低系统的洪水预报误差,ARMA模型的应用,能够进一步提升系统的洪水预报精度,随着预见期的延长,系统的预报精度下降,但系统在6h预见期内仍表现出较好的应用效果。因此,在数据同化和实时校正的"双校正"模式下,陆气耦合洪水预报系统在延长洪水预报预见期的同时,具有较高的洪水预报精度,具有一定的应用前景。     

气候变化下水文极端事件变化预测研究进展

全球气候变化对洪水、干旱等极端水文事件的影响已成为一个亟待解决的科学问题.针对国内外在气候变化下采用统计降尺度和降雨径流模型对水文极端事件进行预测的研究进展进行了系统分析,在分类阐述的基础上,总结了国内外最新的研究进展及在预估过程中存在的问题和解决方案,试图凝练出一些气候变化背景下水文极端事件预估的新思路.结果表明:为有效降低极端水文事件预估的不确定性,各种集合模拟技术、数据同化方法、强化观测技术及水文模型的尺度转换理论将是有效的解决途径.     

TIGGE降雨信息在柴河流域洪水预报中可利用性评估

基于全球多模式集合预报(TIGGE)资料,以柴河流域为研究区域,采用TS评分、Brier评分和Talagrand分布等方法对欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、美国国家环境中心(NCEP)和英国气象局(UKMO)三个中心集合预报的6h、12h、24h短期降雨量进行定量评估和对比,并分别以实测降雨和NCEP预报降雨驱动新安江模型模拟洪水过程,据此探讨了集合降雨预报的可利用性。得到两个重要结论:ECMWF、NCEP和UKMO对低雨量级降雨的预报效果较好,各雨量级的预报效果有随预见期增长而增加的趋势,且普遍存在空报率较高、漏报率偏低的情况;集合降雨预报信息可应用于新安江模型进行洪水预报,并能够有效的延长洪水预报的预见期。研究成果可在适当条件下推广应用至其它流域的洪水预报作业中。     

基于分布式水文模拟的三峡区间洪水预报(Ⅰ)——模型构建及验证

长江三峡区间因暴雨形成的洪水峰高量大,对三峡水库的防洪安全和运行调度的影响很大.本论文依据三峡地区的地形地貌特征,采用基于GIS的机理性分布式水文模型,来模拟三峡区间入库洪水,以尽量减少洪水预报中的不确定性.利用近期建成的78个自动雨量站网监测的小时降雨信息作为模型的输入,对模型参数进行了率定和验证,结果表明:大多数洪水过程的模拟精度较好,但也有的模拟结果较差,其中降雨信息缺失是洪水预报不确定性的主要来源.     

利用BP神经网络进行水库滑坡变形预测

滑坡变形监测与预测是滑坡预警预报中一种非常重要的途径。文章首先简单介绍了神经网络的基本原理和学习算法,然后利用某水库滑坡24期的GPS地表位移监测数据及其诱发因素即水库水位、降雨等资料,采用BP神经网络模型对该水库滑坡变形进行建模,最后将6期水库水位、降雨等资料输入模型进行滑坡变形预测,结果表明预测结果与实测数据符合性好,总体上能较好反映变形趋势。     

水文集合预报试验及其研究进展

水文集合预报是一种既可以给出确定性预报值,又能提供预报值的不确定性信息的概率预报方法。简述了水文集合预报试验(Hydrologic Ensemble Prediction Experiment,HEPEX)国际计划的主要研究内容,回顾了HEPEX研究进展,分析了对水文预报发展有重要意义的3个HEPEX前沿研究:降尺度研究、集合预报系统研究以及不确定性研究。研究表明,动力-统计降尺度法和高分辨率"单一"模式及低分辨率集合相结合是HEPEX未来研究的方向。     

河道洪水实时概率预报模型与应用

通过数据同化方法合理地将实时水文观测数据融入到洪水预报模型中,可提高洪水预报模型的实时性和精确度。选取沿程断面流量、水位和糙率系数作为代表水流状态的基本粒子,以监测断面实测水位数据作为观测信息,建立了基于粒子滤波数据同化算法的河道洪水实时概率预报模型。模型应用于黄河中下游河道洪水预报计算的结果表明,采用粒子滤波方法同化观测水位后,不仅可以直接校正水位,同时也可以有效地校正流量和糙率,为未来时刻模型预报计算提供更准确的水流初始条件和糙率取值区间,进而有效地提高模型预报结果的精度,给出合理的概率预报区间。不同预报期的预报结果表明,随着预报期的增长,同化效果减弱,模型预报结果的精度会有所降低,水位概率预报结果受粒子间糙率不同的影响不确定性增加,而流量概率预报结果受给定模型边界条件的影响不确定性降低。所提出模型可以有效同化真实水位观测数据,适合应用于实际的洪水预报工作中。     

降雨诱发区域性滑坡预报预警方法研究

论文以四川省雅安市雨城区为研究区，将逻辑回归模型引入区域降雨型滑坡预警预报，建立了同时考虑降雨强度和降雨过程的降雨临界值表达式。在滑坡危险性区划的基础上，研究提出了区域降雨型滑坡预警预报指标，包括临界值降雨指数R和滑坡发生指数L，并利用20台自动遥测雨量计和地质灾害群测群防网络，采用历史记录雨量和预报雨量，建立了区域降雨型滑坡预报预警体系。     

基于失效概率的边坡降雨阈值曲面探讨

降雨是诱发边坡变形失稳的主要因素,而针对降雨型边坡的预警预报也一直是工程领域的核心问题。本文将蒙特卡罗方法引入降雨型滑坡的预警预报,首先基于正态分布的岩土体物理力学参数,建立了边坡的有限元数值计算模型,并分析了9种不同型式降雨下边坡稳定性系数的变化情况。结果显示递增型降雨对边坡的稳定性尤为不利,均匀型降雨次之,递减型降雨影响最小。其次,将降雨过程划分为前期降雨+当期降雨,并确定了前期降雨对于当期降雨的有效时间为6 d。最后,论文结合可靠度理论,选取失效概率P_f=10%作为预警指标,通过把前期降雨引入降雨强度-降雨历时关系曲线并作为第三坐标轴,最终将该曲线扩展成为前期降雨(A)-当期降雨(I)-降雨历时(D)曲面(A-I-D阈值曲面),研究结果对于降雨型边坡的预警预报具有一定的指导意义。     

西北干旱区融雪洪水灾害预报预警技术:进展与展望

针对全球变化背景下极端升温、暴雪和雪面雨等事件增多以及我国西北干旱区融雪洪水灾害风险增大问题,简要概述了干旱区融雪洪水预报预警系统及其关键技术的研究进展,重点阐述了近年来发生频率增加、灾害风险大,但在干旱区未引起重视的雪面雨洪水的研究进展,提出了西北干旱区融雪洪水高精度预报预警所面临的关键科学问题,指出需在揭示干旱区融雪洪水灾害致灾机理、成灾机制及其演化规律基础上,研发干旱区融雪洪水灾害监测预警装置并构建立体监测体系,研究雨雪冰混合洪水形成及演进过程并建立模型,构建洪水风险评估指标体系,建成干旱区融雪洪水智能化预报预警决策支持平台,动态展示流域实时、潜在及未来超标准融雪洪水的淹没范围,评估风险程度,并提出防洪技术和工程方案以及洪水资源化利用途径等应对措施.     

实时洪水抗差预报系统研究

把抗差估计理论引入实时洪水预报系统,提出适合于实时洪水预报系统的抗差特征函数,建立降雨误差的动态监控模式,研究实时修正模型参数的动态抗差估计,结合洪水预报模型,形成具有水文学特点、抗差性强的实时洪水抗差预报系统.将此系统和传统实时洪水预报系统运用于闽江七里街流域,比较当降雨和流量资料存在异常误差时两系统的预报效果.结果表明,实时洪水抗差预报系统能抵御异常值的影响,获得比较稳定且高精度的预报结果.     

特大洪水日地水文学长期预测

对于大江大河重现期为 5 0 10 0a的因暴雨产生的特大洪水 ,要提前 0 5a作出确定性预测和最大洪峰流量预报 ,国内外学者一般认为 ,由于缺乏相应的预测理论和方法 ,实际上不可能。笔者积40a的研究 ,在所创建的日地水文学理论和大洪水长期预测方法多次应用成功的基础上 ,对于 1998年长江特大洪水 ,先提前 10a作出初步预测 ,临期又提前 0 5a作出定性和定量预报。其依据是太阳活动、西太平洋海温下降、印度洋海温异常上升、东南非经南亚至中国西南气流异常降雨降雪、长江下游南侧特别是闽浙赣相邻地区前冬暴雨洪水 ,以及长江中游 133a来枯水季 1月破纪录罕见特高水位等一系列日地水文物理的新发现和先兆分析。经过和 1870年、195 4年、1931年等多次特大洪水的比较研究 ,从初步预测逐步深入 ,结果求得确定性预测。最后再根据上一次 2 2a周期性大洪水 ,按照日地水文相似模型 ,以太阳活动相对增量为参变量 ,建立最大洪峰流量预报公式 ,从而计算求得为80 0 0 0m3 /s。经 1998年 1月下旬提出预报 ,1998年 7月、8月已获得完全证实。在中国和全球大河中 ,80 0 0 0m3 /s特大洪水的成功长期预测 ,这是第一次。在洪水物理和定量预报上获得突破。     

凤滩水库降雨预报精度分析及应用研究

由于天气预报有限准确性,给水库电站调度造成不便,使水库效益难以充分发挥。分析凤滩水库流域天气降雨预报精度,研究流域对径流调节能力,探讨预报精度对水库调度决策的影响,探索运用实时降雨预报产品进行水库调度的方法。水库调度决策,暴雨以上注重降雨过程,依据提前5天的降雨预报;大雨注重降雨量值,依据提前4天的降雨预报;中、小雨注重降雨起讫时间,以实际降雨为依据,优化水库水位控制,提高洪水资源利用率,为水库创造可观的效益。     

北京山区单沟洪水模型预警系统研究 ——以孙胡沟为例

山洪是山区中影响范围广,人员伤亡较大的一类地质灾害。针对山洪预警模型,国内外学者从多个角度对其进行过研究,研究区域多为大流域,方法多为雨量临界值预警。为了建立一套适用于北京山区小流域的山洪预警模型,本文研究了小流域单沟洪水模型预警在系统,此系统是基于充分的野外地质调查,在获得详细的沟域地质及土地利用数据后,利用合理的数学模型对流域内的降雨所产生的洪水产汇流过程进行全过程模拟,并对汇流过程中可能产生的灾害进行预警预报的一个系统。此单沟洪水模型具有精度高,计算结果准确的特点,其相应的预警系统能够对小范围居民区等重要建构筑物进行灾害预报,并预估人员撤离的安全时间,对实际的防灾减灾工作具有重要意义。     

湖南省“631”地质灾害预警模式及避险案例研究

降雨是地质灾害的主要诱发因素,但做到精准预测降雨时段和落区很难,这也是传统的地质灾害短期预警误报率较高的原因之一。湖南省地处中南,降雨充沛,地质条件相对脆弱,地质灾害多发频发。为应对日益严峻的地质灾害防治形势,结合湖南多年预警工作经验,构建了“631”递进式地质灾害气象风险预警模式。该预警模式以湖南省地质灾害综合防治信息系统为技术支撑,基于精准度较高的短临雨量预报和实况雨量,形成“提前6 h预报暴雨落区、提前3 h预警、提前1 h叫应、提前半小时再呼应”预警叫应机制。目前该预警模式已广泛应用于湖南省地质灾害防治工作,大大提升了预警效率和精准度。2022年6月初湖南遭遇一轮超历年极值的强降雨过程,地质灾害呈群发性出现,运用该预警模式,2022年转移人数、避让起数均排全国第一,取得了显著的防灾成效。     

甘肃省白龙江流域降雨型潜在泥石流危险性预报模型

【研究目的】泥石流灾害是白龙江流域分布广泛并常引起群死群伤的重大地质灾害,准确评价泥石流活动规模及其危险度,是泥石流危险性预警预报的前提,合理构建危险性预报模型是泥石流防灾减灾的关键。【研究方法】本文以研究区历史泥石流案例和对应降雨资料为基础数据,采用统计分析方法,通过分析形成泥石流关键地质环境条件及其相互关系,构建了白龙江流域潜在泥石流危险度定量评价模型,提出了两类泥石流危险级别临界判别模式。【研究结果】结果表明：（1）以泥石流活动规模、沟床平均比降、流域切割密度、不稳定沟床比例为判断因子的泥石流危险度动态定量计算模型,能快速准确预测未来不同工程情景和降雨频率工况下泥石流危险度;（2）影响降雨型泥石流发生的地形条件由流域面积、10°~40°斜坡坡度面积比、沟床平均纵比降等组成,降雨条件主要由泥石流爆发前的24 h累积降雨量、触发泥石流1 h降雨量或10 min降雨量等组成;（3）依据30条典型泥石流沟危险度计算结果,获得泥石流危险性临界判别值,提出了降雨型潜在泥石流危险性1 h预报模型（Ⅰ类）和10 min预报模型（Ⅱ类）,其中Ⅰ类模型高危险度以上泥石流预测精度大于87.5%,Ⅱ类模型中等危险度以上泥石流预测精度大于80%,而两类预报模型验证准确率为83.3%。【结论】研究成果为泥石流精准预警预报提供了技术支撑,对建立中小尺度泥石流实时化预警系统具有一定参考意义。创新点：通过确定与泥石流相对应关键地质环境因子,构建了泥石流危险度动态定量评价模型,依据泥石流危险性1 h和10 min临界判别模式可准确实现潜在泥石流预警预报。     

基于单位线反演的产流误差修正

为提高实时洪水预报的精度,将单位线引入实时洪水预报修正中,建立一种向信息源头追溯的反馈修正模型。用最小二乘估计原理,通过推求产流量误差,用理想模型对误差修正模型进行了验证,并对不同范围的产流量误差修正效果进行对比。在浙江长潭流域对11场历史洪水进行修正验证,效果明显,对预报精度有一定的提高。该方法结构简单,且不增加参数,物理概念清晰,又不损失预见期,可以在实际流域洪水预报中推广应用。