[發(fā)明專利]基于水文氣象地區(qū)線性矩頻率分析的暴雨高風(fēng)險區(qū)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011246452.X
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112347652B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林炳章;廖一帆;丁輝;商慧;徐磊
• 申請（專利權(quán)）人: 艾莫瑞信息技術(shù)咨詢（廈門）有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N7/01;G01W1/10;G06F111/08
• 代理公司: 重慶市信立達(dá)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50230
• 代理人: 陳炳萍

1.基于水文氣象地區(qū)線性矩頻率分析的暴雨高風(fēng)險區(qū)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：資料收集、篩選和質(zhì)量控制；

S2：“地區(qū)線性矩法”適用性和優(yōu)越性分析；

S3：水文氣象一致區(qū)劃分；所述S3包括以下步驟：

T1，緩沖區(qū)劃定：基于研究區(qū)內(nèi)站點資料，還需要利用研究區(qū)周邊緩沖區(qū)內(nèi)的站點資料，緩沖區(qū)的范圍根據(jù)實際一致區(qū)子區(qū)的范圍來定，緩沖區(qū)的距離取子區(qū)長度的一半；

T2，氣象相似性的判定：劃分水文氣象一致區(qū)，保證水文氣象一致區(qū)內(nèi)的水汽入流和氣象成因背景一致；

T3，水文相似性判定：對所劃分的子區(qū)內(nèi)各站點的水文統(tǒng)計參數(shù)線性矩離差系數(shù)L-Cv和線性矩偏態(tài)系數(shù)L-Cs分別進(jìn)行判定，使得L-Cv和L-Cs的統(tǒng)計特性在一定的容忍度內(nèi)一致；L-Cv采用基于L-Cv計算值的異質(zhì)性檢驗指標(biāo)進(jìn)行判定：

式中，N為該子區(qū)中雨量站點的個數(shù)，n_i為該子區(qū)內(nèi)第i個雨量站點的歷史年極值降雨系列長度，t⁽ⁱ⁾為該子區(qū)中第i個雨量站點的歷史年極值降雨系列的L-Cv，t^R為按照各站點的資料系列長度進(jìn)行加權(quán)平均得到的區(qū)域平均L-Cv，則V₁為樣本L-Cv按照各個站點系列長度的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差，μ_v和σ_v分別為由模擬計算得到的V₁的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，H₁是V₁的標(biāo)準(zhǔn)化變量；當(dāng)H₁＜1時，表示該子區(qū)為可以接受的一致區(qū)；

利用L-Cs對子區(qū)進(jìn)行判定和調(diào)整，計算各子區(qū)中每個站點的L-Cs，選出L-Cs的最大值和最小值對應(yīng)的站點，判斷當(dāng)去除該雨量站點時，對整個子區(qū)各站點百年一遇的估計值的合理性是否有改善，如有較大的改善就將該雨量站點去掉或移至相鄰子區(qū)分析，反之保留；

T4，樣本獨立性檢驗：在T3通過了L-Cv和L-Cs檢驗的子區(qū)域里，對H_i＜0的子區(qū)進(jìn)行去相關(guān)分析，具體包括以下步驟：

M1：按照以下準(zhǔn)則對子區(qū)站點進(jìn)行篩選：第一，選出所有站點間的距離小于30km的站點組；第二，每組兩個站點內(nèi)兩兩對應(yīng)的降雨資料，發(fā)生最大降雨量時間差前后大于一天的予以舍棄；第三，對于資料系列小于20年的站點組予以舍棄；

M2：對篩選的站點組計算Pearson相關(guān)系數(shù)r，當(dāng)|r|＞0.7時，認(rèn)為站點資料間存在相關(guān)性；

M3：對存在較強相關(guān)性的站點組，通過靈敏度檢驗來判斷站點是否舍棄，分別計算相關(guān)性站點去掉前和去掉后，該一致區(qū)百年一遇區(qū)域無量綱頻率因子的相對誤差：

RE＝|q₁-q₀|/q₀

其中，q₀和q₁分別為去掉相關(guān)性站點前后的地區(qū)無量綱頻率因子，當(dāng)RE＞5％時，認(rèn)為站點的相關(guān)性對整個一致區(qū)的降雨頻率估計值存在影響，去掉該組站點兩站點中系列短的站點資料；

T5，不和諧性檢驗：假定某個區(qū)域中有N個站點，計算每個樣本的樣本線性矩系數(shù)：線性矩離差系數(shù)t、線性矩偏態(tài)系數(shù)t₃、線性矩峰度系數(shù)t₄，由計算出的樣本線性矩系數(shù)組成的矩陣為令：

當(dāng)不和諧性指標(biāo)D_i＞站點數(shù)N(N≥5)情況的臨界值，認(rèn)為該站點為不和諧站點；N對應(yīng)的臨界值表如下：

若存在不和諧的站點，則考慮將其調(diào)整至其他區(qū)域或者單獨分區(qū)；如果站點的不和諧性被確認(rèn)是由個別極端的局部氣象事件所引起的，且觀測記錄的數(shù)據(jù)為實測值，則保留該站點在當(dāng)前區(qū)域；

S4：一致區(qū)最優(yōu)分布線性選擇；所述S4中，從三參數(shù)的廣義邏輯斯蒂分布、廣義極值分布、廣義正態(tài)分布、廣義帕累托分布和皮爾森Ⅲ型分布中確定各個分區(qū)的最佳分布函數(shù)，具體包括以下方法：

E1，蒙特卡洛模擬檢驗：對所劃分的一致區(qū)，通過比較區(qū)域平均的峰度系數(shù)與分布函數(shù)的峰度系數(shù)之間的差異來檢驗分布函數(shù)擬合的質(zhì)量；

假定劃定的一致區(qū)中總共有N個站點，其中第i個站點資料的記錄長度為n_i，單站樣本線性矩系數(shù)分別為t⁽ⁱ⁾,和t^R,和為按照各站點的資料系列長度進(jìn)行加權(quán)平均得到的區(qū)域平均線性矩離差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)：

假定某種線型，利用蒙特卡洛模擬對某一分區(qū)進(jìn)行N_sim次的模擬，假定模擬區(qū)域是一致的且站點資料系列不相關(guān)，每個站點模擬資料系列長度與該站點實測資料系列長度相同；對于第m次模擬結(jié)果而言，區(qū)域平均線性矩峰度系數(shù)的偏差如下式所示：

相應(yīng)的模擬峰度系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為：

則擬合優(yōu)度檢驗標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計量Z^DIST表示為：

若模擬的統(tǒng)計量滿足|Z^DIST|≤1.64，認(rèn)為擬合結(jié)果是合理可接受的；

E2，樣本線性矩的均方誤差檢驗：假定某個分布函數(shù)具有與樣本數(shù)據(jù)的估計值相同的L-Cv，計算第i個站點的樣本點(L-Cs，L-Ck)與給定分布的線性矩峰度系數(shù)L-Ck之間的偏差S_i,L-Ck-D_i,L-Ck，利用N個站點的N個偏差值，根據(jù)第i個站點的資料系列長度n_i進(jìn)行加權(quán)平均，計算均方根誤差RMSE：

其中，S_i,L-Ck表示第i個站點的樣本L-Ck，D_i,L-Ck表示第i個站點的樣本L-Cv值在分布函數(shù)曲線上所對應(yīng)的L-Ck值；具有最小均方誤差RMSE值的分布即為最佳分布函數(shù)；

E3，實測數(shù)據(jù)檢驗：計算所劃定的一致區(qū)內(nèi)各個站點不同重現(xiàn)期T_j下的經(jīng)驗頻率與相應(yīng)的分布函數(shù)理論頻率之間相對誤差并求其區(qū)域平均值，作為候選分布函數(shù)擬合優(yōu)度檢驗的指標(biāo)：

站點數(shù)i＝1,2,…,N；

重現(xiàn)期T_j＝2-y,5-y,…,100-y；

相對誤差RE值越小的候選分布函數(shù)，擬合程度越好；

S5：頻率估計值計算和時空一致性調(diào)整；所述S5中，具體包括以下步驟：

W1，頻率估計值計算：一致區(qū)內(nèi)各站點的年極值降雨數(shù)據(jù)分解成共性分量和個性分量，個性分量即各站年極值降雨的平均值，將站點年極值降雨系列去均值化后即得到反映地區(qū)共性的降雨分量，計算各一致區(qū)共性分量的加權(quán)的區(qū)域線性矩離差系數(shù)t^R、偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)根據(jù)區(qū)域線性矩系數(shù)和概率分布函數(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，推求上一步選出的最優(yōu)概率分布函數(shù)的參數(shù)估計值，確定各一致區(qū)配合數(shù)據(jù)最佳的無量綱的概率分布曲線所對應(yīng)的不同頻率下的估計值，即一致區(qū)內(nèi)反映該地區(qū)共有的降雨特性的無量綱的地區(qū)頻率因子；

q_T,j表示第j一致區(qū)的地區(qū)頻率因子，代表第j一致區(qū)內(nèi)第i站的多年年極值降雨的平均值，則第j一致區(qū)內(nèi)的第i站點的降雨頻率估計值為：

式中，重現(xiàn)期T_j＝1-y,2-y,5-y,...,100-y,…,1000-y，地區(qū)j＝1,2,…,k，站點i＝1,2,…,N；

W2，時段內(nèi)不一致性調(diào)整：若計算得到的頻率估計值出現(xiàn)相鄰時段中持續(xù)時段較長的頻率估計值與持續(xù)時段較短的頻率估計值之比小于1.0即兩根頻率曲線交叉的情況，則采用“誤差分?jǐn)偂钡姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)整，即把不一致起始點的估計值的差值按該時段內(nèi)的時段步長平均分配到該時段內(nèi)各個頻率估計值上；調(diào)整以后，相鄰兩個時段同一頻率估計值的比值在此過程中保持比值的變化趨勢一致，直至其收斂于1.0，但不能改變降雨頻率估計值中現(xiàn)存的可靠部分，即交叉點之前降雨頻率估計值；

W3，空間不一致性調(diào)整：采用“往返兩次”空間平滑和內(nèi)插技術(shù)調(diào)整頻率估計值空間不一致性，具體步驟如下：第一步，利用不規(guī)則的實測站點的頻率估計值，構(gòu)造一個與站點分辨率相同的空間網(wǎng)格，應(yīng)用克里金插值方法獲得規(guī)則網(wǎng)格點上的頻率估計值，稱作虛擬站點頻率估計值；第二步，利用這個規(guī)則網(wǎng)格點上的虛擬頻率估計值，采用反距離加權(quán)插值法，經(jīng)第二次反向空間內(nèi)插推求各站點的頻率估計值；

S6：暴雨高風(fēng)險區(qū)劃圖繪制。