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基于重组降水集合预报的洪水概率预报

赵琳娜 刘莹 包红军 王彬雁 白雪梅 李潇濛 杨瑞雯 李依瞳

赵琳娜, 刘莹, 包红军, 等. 基于重组降水集合预报的洪水概率预报. 应用气象学报, 2017, 28(5): 544-554. DOI: 10.11898/1001-7313.20170503..
引用本文: 赵琳娜, 刘莹, 包红军, 等. 基于重组降水集合预报的洪水概率预报. 应用气象学报, 2017, 28(5): 544-554. DOI: 10.11898/1001-7313.20170503.
Zhao Linna, Liu Ying, Bao Hongjun, et al. The probabilistic flood prediction based on implementation of the schaake shuffle method over the Huaihe Basin. J Appl Meteor Sci, 2017, 28(5): 544-554. DOI:  10.11898/1001-7313.20170503.
Citation: Zhao Linna, Liu Ying, Bao Hongjun, et al. The probabilistic flood prediction based on implementation of the schaake shuffle method over the Huaihe Basin. J Appl Meteor Sci, 2017, 28(5): 544-554. DOI:  10.11898/1001-7313.20170503.

基于重组降水集合预报的洪水概率预报

DOI: 10.11898/1001-7313.20170503
资助项目: 

国家科技支撑项目 2015BAK10B03

国家自然科学基金项目 41475044

国家科技重大专项 2013ZX07304-001-1

国家重点基础研究发展计划 2015CB452806

详细信息
    通信作者:

    赵琳娜, email:zhaoln@cma.gov.cn

The Probabilistic Flood Prediction Based on Implementation of the Schaake Shuffle Method over the Huaihe Basin

  • 摘要: 采用条件亚正态模型方法,生成了具有包含不同可能性的降水集合预报。为了保持各子流域降水集合预报变量之间的空间相关性,采用集合预报重组方法对降水集合预报进行重新排列。使用重组后的降水集合预报驱动水文模型,实现了淮河上游大坡岭-息县、淮河上游息县-王家坝和汝河-洪河上游3个子流域的12次洪水过程的洪水概率预报,并对1988年9月7日和1991年7月31日两次洪水概率预报进行个例分析。结果表明:相对于单一确定性预报,通过条件亚正态分布模型生成降水集合预报后,再经过Schaake洗牌法空间相关性重新组合的降水集合预报,捕捉洪峰出现时间和流量的能力更强。对洪水概率预报来说,降水概率预报更能达到对未来的水文事件进行最大可能估计的目的,并尽可能综合了降水预报不确定性因素,同时也说明维持变量原有的空间相关特征对于降水概率预报具有重要意义。
  • 图  1  研究区域及流域内气象观测站示意图

    Fig. 1  Illustration of the catchment and the location of 19 stations over the Huaihe Basin

    图  2  1988年9月7日—9月20日王家坝水文站流量和流域面雨量

    流量预报与观测,(b)流域面雨量预报与观测

    Fig. 2  The discharge and drainage areal rainfall of Wangjiaba Hydrologic Station from 7 Sep to 20 Sep in 1988

    (a)forecasted discharge in comparison with observation, (b)forecasted areal rainfall in comparison with observation

    图  3  1991年7月31日—8月13日王家坝水文站流量和流域面雨量

    (a)流量预报与观测, (b)流域面雨量预报与观测

    Fig. 3  The discharge and drainage areal rainfall of Wangjiaba Hydrologic Station from 31 Jul to 13 Aug in 1991

    (a)forecasted discharge in comparison with observation, (b)forecasted areal rainfall in comparison with observation

    表  1  Schaake洗牌法在3个流域间相关性重建示例:升序排列的集合预报

    Table  1  The ensemble reordering method: The ranked ensemble output

    子流域1 子流域2 子流域3
    集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm
    1 0 1 0 1 0
    2 0 2 0 2 0.1
    3 0.2 3 0 3 0.1
    4 0.4 4 0.1 4 0.2
    5 1.0 5 0.3 5 0.2
    6 1.1 6 0.5 6 0.3*
    7 1.2* 7 0.9* 7 0.8
    8 2.1 8 1.0 8 1.2
    9 3.1 9 1.1 9 1.7
    10 6.1 10 1.2 10 2.3
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    表  2  Schaake洗牌法在3个流域间相关性重建示例:历史观测资料时间序列

    Table  2  The ensemble reordering method: Randomly selected historical observations

    序号 时间 面雨量/mm
    子流域1 子流域2 子流域3
    1 1991-09-20 2.3* 1.2* 0.5*
    2 1992-09-20 1.8 0.2 0.1
    3 1993-09-20 0 0 0.1
    4 1994-09-20 0 0.1 0
    5 1995-09-20 0 0.3 0
    6 1996-09-20 0 0.5 0
    7 1997-09-20 7.6 3.9 6.8
    8 1998-09-20 15.9 9.0 9.9
    9 1999-09-20 19.8 30.1 12.7
    10 2000-09-20 1.1 1.2 2.3
    下载: 导出CSV

    表  3  Schaake洗牌法在3个流域间相关性重建示例:升序排列的历史观测资料序列

    Table  3  The ensemble reordering method: The ranked historical observations

    子流域1 子流域2 子流域3
    集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm
    3 0 3 0 4 0
    4 0 4 0.1 5 0
    5 0 2 0.2 6 0
    6 0 5 0.3 3 0.1
    10 1.1 6 0.5 2 0.1
    2 1.8 10 1.2 1 0.5*
    1 2.3* 1 1.2* 10 2.3
    7 7.6 7 3.9 7 6.8
    8 15.9 8 9 8 9.9
    9 19.8 9 30.1 9 12.7
    下载: 导出CSV

    表  4  Schaake洗牌法在3个流域间相关性重建示例:最终集合预报排序结果

    Table  4  The ensemble reordering method: Final ensemble(shuffled output)

    序号 子流域1 子流域2 子流域3
    集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm 集合成员
    排列序号
    面雨量/mm
    1 7 1.2 7 0.9 6 0.3
    2 6 1.1 3 0 5 0.2
    3 1 0 1 0 4 0.2
    4 2 0 2 0 1 0
    5 3 0.2 4 0.1 2 0.1
    6 4 0.4 5 0.3 3 0.1
    7 8 2.1 8 1.0 8 1.2
    8 9 3.1 9 1.1 9 1.7
    9 10 6.1 10 1.2 10 2.3
    10 5 1.0 6 0.5 7 0.8
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    表  5  对12次洪水过程洪峰概率预报检验

    Table  5  Validation results of probabilistic 12 flood process prediction

    洪水起始时间 洪峰流量预报相对误差/% 峰现预报时间误差/d
    第5百分位 中位数 第95百分位 第5百分位 中位数 第95百分位
    1985-05-01T08:00 -88 -52 166 7 -1 0
    1985-06-17T08:00 -85 -76 88 -6 4 3
    1988-09-07T08:00 -94 -78 33 -4 5 1
    1989-08-03T08:00 -82 -81 -18 -8 -8 -3
    1990-07-16T08:00 -95 -90 -49 -4 7 7
    1991-06-09T08:00 -92 -90 -7 -7 0 1
    1991-07-31T08:00 -97 -93 20 -9 1 1
    1992-04-26T08:00 -91 -75 22 -12 0 0
    1994-06-02T08:00 -87 -83 57 -6 3 -1
    1998-06-28T08:00 -96 -92 39 -4 1 1
    2000-06-20T08:00 -98 -86 -12 -11 1 -4
    2003-06-25T08:00 -80 -80 0 -8 -8 4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-17
  • 修回日期:  2017-06-29
  • 刊出日期:  2017-09-30

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