CN116679357A - 一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，包括根据计算流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域的中心点；计算以计算流域的中心点为原点的流域最小半径，并确定初始流域；确定初始流域的雨量特征半径；根据计算流域的中心点、以及流域最小半径和雨量特征半径中的较大值，确定目标流域；计算目标流域的实测面平均雨量和区域内QPE格点雨量均值，得到两者的校正比值；根据计算流域中所有格点的QPE数据和校正比值，计算得到校正后的QPE序列。本发明解决了目前常见的雷达降水估测检验和误差订正多针对于单点或不同等级划分的雷达降水估测，且未与实测降雨资料进行校验，具有计算量大、水量不平衡的缺陷的问题。

Description

一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法
技术领域
本发明涉及气象学与水文学结合的水文预报技术领域，特别是一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法。
背景技术
降雨是水文循环过程的重要环节，精细化、高密度的降雨监测和预报对山洪地质灾害和中小河流洪水预报预警起着重要的支撑作用，尤其是可靠的降雨信息对延长洪水预见期至关重要。雷达定量估测(QPE)可以提够时间连续、水平分辨率高和覆盖范围广阔的降水产品，但是雷达降水估测(QPE)效果仍需改进，目前常见的雷达降水估测(QPE)检验和误差订正多针对于单点或不同等级划分的雷达降水估测(QPE)，且未与实测降雨资料进行校验，具有计算量大、水量不平衡的缺陷。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提出了一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其目的在于解决目前常见的雷达降水估测(QPE)检验和误差订正多针对于单点或不同等级划分的雷达降水估测(QPE)，且未与实测降雨资料进行校验，具有计算量大、水量不平衡的缺陷的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于河流或目标断面的集水面积，记为计算流域Z1，将计算流域Z1划分为与QPE格点数据对应大小的单元网格，确定计算流域Z1各边界点所在单元网格的经纬度，根据计算流域Z1各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点；
步骤S2：计算以计算流域Z1的中心点为原点的流域最小半径R1，并确定初始流域Z2；
步骤S3：确定初始流域Z2的雨量特征半径R2；
步骤S4：根据计算流域Z1的中心点、以及流域最小半径R1和雨量特征半径R2中的较大值，确定目标流域Z3；
步骤S5：计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1和区域内QPE格点雨量均值P2，得到两者的校正比值a；
步骤S6：根据计算流域Z1中所有格点的QPE数据和校正比值a，计算得到校正后的QPE序列；
步骤S7：建立洪水预报模型，将校正后的QPE序列作为降雨输入代入洪水预报模型，进行洪水预报。
优选的，在步骤S1中，根据流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点，计算流域Z1的中心点的计算公式如下：
O((x1+x2+…+xn)/n，(y1+y2+…+yn)/n)
其中，n代表流域边界点的总数量，为正整数；xn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的横坐标值；yn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的纵坐标值。
优选地，在步骤S2中，具体包括以下子步骤：
步骤S21：根据计算流域Z1的中心点的经纬度，直线连接计算流域Z1的中心点到流域各边界点，计算流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离 其中，j为流域各边界点数；xo为计算流域Z1的中心点的横坐标值，xj为流域中第j个边界点的横坐标值；yo为计算流域Z1的中心点的纵坐标值；yj为流域中第j个边界点的纵坐标值；
步骤S22：选取流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离中的最大值作为流域最小半径R1。
优选地，在步骤S3中，具体包括以下子步骤：
步骤S31：选取初始流域Z2内包含的所有雨量站点；
步骤S32：将所有雨量站点按照分布情况分为两组，分别为计算组和验证组；
步骤S33：用泰森多边形法分别计算两组雨量站点不同时段的面平均雨量值，记为P算i和P验i，其中i表示时段数；
步骤S34：将两组雨量站点不同时段的面平均雨量值进行比对，生成误差；
步骤S35：判断误差是否小于相对误差或绝对误差，若是，则证明该时段两组雨量站点的面平均雨量值比对结果为合格，并得到初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值的比对合格率；
步骤S36：计算不同半径情况下初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值对应的比对合格率，当比对合格率大于设定的目标值QR时，则取对应半径作为初始流域Z2的雨量特征半径R2。
优选地，在步骤S5中，根据泰森多边形法计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1；根据QPE算法程序计算区域内QPE格点雨量均值P2。
优选地，在步骤S5中，校正比值a的计算公式如下：
a＝P1/P2
其中，a表示校正比值；P1表示目标流域Z3的实测面平均雨量；P2表示区域内QPE格点雨量均值。
本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本方案首先基于流域自身雨量站点数据，验证确定流域的雨量特征半径，然后根据区域的实测面平均雨量值和区域内QPE格点雨量均值，确定两者的校正比值，进而同倍比放大或缩小计算流域的QPE值，得到校正后的QPE序列，最终作为降雨预报输入代入洪水预报模型，计算流域目标断面的洪水过程。本方案充分考虑了雷达定量降水估测的格点雨量分布区分和实测降雨的总体水量平衡，同时运用气象QPE数值的网格区分度，弥补了布设的雨量站点密度不足而造成的流域降雨分布数据不清晰问题，解决了现有流域尤其是中小河流流域因汇流时间短造成的预见期短的问题，提高了洪水过程的预报精度，延长洪水预见期，若结合分布式单位线模型可实现任意点预报，具有适用范围广、拟合精度高的优点。
附图说明
图1是一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于河流或目标断面的集水面积，记为计算流域Z1，将计算流域Z1划分为与QPE格点数据对应大小的单元网格，确定计算流域Z1各边界点所在单元网格的经纬度，根据计算流域Z1各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点；
步骤S2：计算以计算流域Z1的中心点为原点的流域最小半径R1，并确定初始流域Z2；
步骤S3：确定初始流域Z2的雨量特征半径R2；
步骤S4：根据计算流域Z1的中心点、以及流域最小半径R1和雨量特征半径R2中的较大值，确定目标流域Z3；
步骤S5：计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1和区域内QPE格点雨量均值P2，得到两者的校正比值a；
步骤S6：根据计算流域Z1中所有格点的QPE数据和校正比值a，计算得到校正后的QPE序列；
步骤S7：建立洪水预报模型，将校正后的QPE序列作为降雨输入代入洪水预报模型，进行洪水预报。
本方案的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，如图1所示，第一步是基于河流或目标断面的集水面积，记为计算流域Z1，将计算流域Z1划分为与QPE格点数据对应大小的单元网格，确定计算流域Z1各边界点所在单元网格的经纬度，根据计算流域Z1各边界点所在单元网格的经纬度确定计算流域Z1的中心点，一种实施例中，将计算流域Z1划分为若干个1km2面积大小的正方形网格，在确定流域各边界点所在单元网格的经纬度过程中，当存在流域中某个边界点所在单元网格的面积不足1km2的情况，本方案会按照该边界点所在单元网格的面积为1km2进行单元网格经纬度的计算，单元网格经纬度的计算具体是用该单元网格的形心点的经纬度表示，单元网格的形心点指的是单元网格对角线的交点。进一步说明，根据流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度，按照解析几何的方法确定计算流域Z1的中心点。第二步是计算以计算流域Z1的中心点为原点的流域最小半径R1，并确定初始流域Z2，具体地，以计算流域Z1的中心点为原点，以流域最小半径R1为半径画圆，该圆区域为初始流域Z2。第三步是确定初始流域Z2的雨量特征半径R2，具体地，雨量特征半径R2的确定有利于后续与流域最小半径R1的比较。第四步是根据计算流域Z1的中心点、以及流域最小半径R1和雨量特征半径R2中的较大值，确定目标流域Z3，具体地，以计算流域Z1的中心点作为圆心，选取流域最小半径R1和雨量特征半径R2中的较大值作为半径画圆，该圆区域为目标流域Z3。通过计算流域最小半径R1和雨量特征半径R2，并选取两者中较大的值作为半径，有利于保证目标流域Z3的面积足够大，以得出雨量真值。第五步是计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1和区域内QPE格点雨量均值P2，得到两者的校正比值a，具体地，校正比值a的计算能够让QPE格点能够达到最大程度的水量平衡。第六步是根据计算流域Z1中所有格点的QPE数据和校正比值a，计算得到校正后的QPE序列，具体地，将计算流域Z1中所有格点的QPE数据乘以校正比值a得到校正后的QPE序列，使QPE格点达到水量平衡。第七步是建立洪水预报模型，将校正后的QPE序列作为降雨输入代入洪水预报模型，进行洪水预报，能够更加精确的描述雨量空间分布情况，提高洪水模拟精度。
本方案首先基于流域自身雨量站点数据，验证确定流域的雨量特征半径，然后根据区域的实测面平均雨量值和区域内QPE格点雨量均值，确定两者的校正比值，进而同倍比放大或缩小计算流域的QPE值，得到校正后的QPE序列，最终作为降雨预报输入代入洪水预报模型，计算流域目标断面的洪水过程。本方案充分考虑了雷达定量降水估测的格点雨量分布区分和实测降雨的总体水量平衡，同时运用气象QPE数值的网格区分度，弥补了布设的雨量站点密度不足而造成的流域降雨分布数据不清晰问题，解决了现有流域尤其是中小河流流域因汇流时间短造成的预见期短的问题，提高了洪水过程的预报精度，延长洪水预见期，若结合分布式单位线模型可实现任意点预报，具有适用范围广、拟合精度高的优点。
优选的，在步骤S1中，根据流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点，计算流域Z1的中心点的计算公式如下：
O((x1+x2+…+yn)/n，(y1+y2+…+yn)/n)
其中，n代表流域边界点的总数量，为正整数；xn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的横坐标值；yn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的纵坐标值。
本实施例中，根据流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度为G1(x1，y1)、G2(x2，y2)、…Gn(xn，yn)，按照解析几何的方法确定计算流域Z1的中心点的经纬度为O((x1+x2+…+xn)/n，(y1+y2+…+yn)/n)。
优选的，在步骤S2中，具体包括以下子步骤：
步骤S21：根据计算流域Z1的中心点的经纬度，直线连接计算流域Z1的中心点到流域各边界点，计算流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离 其中，j为流域各边界点数；xo为计算流域Z1的中心点的横坐标值，xj为流域中第j个边界点的横坐标值；yo为计算流域Z1的中心点的纵坐标值；yj为流域中第j个边界点的纵坐标值；
步骤S22：选取流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离中的最大值作为流域最小半径R1。
本实施例中，通过选取流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离中的最大值作为流域最小半径R1，能够让计算得到的初始流域Z2能完全包住计算流域Z1，也就是计算流域Z1必须是初始流域Z2的一部分，有利于后续校验计算流域Z1的水量平衡问题。
优选的，在步骤S3中，具体包括以下子步骤：
步骤S31：选取初始流域Z2内包含的所有雨量站点；
步骤S32：将所有雨量站点按照分布情况分为两组，分别为计算组和验证组；
步骤S33：用泰森多边形法分别计算两组雨量站点不同时段的面平均雨量值，记为P算i和P验i，其中i表示时段数；
步骤S34：将两组雨量站点不同时段的面平均雨量值进行比对，生成误差；
步骤S35：判断误差是否小于相对误差或绝对误差，若是，则证明该时段两组雨量站点的面平均雨量值比对结果为合格，并得到初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值的比对合格率；
步骤S36：计算不同半径情况下初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值对应的比对合格率，当比对合格率大于设定的目标值QR时，则取对应半径作为初始流域Z2的雨量特征半径R2。
本实施例中，初始流域Z2有很多个雨量站点，将这些雨量站点按照分布情况分为两组，一组认为是计算组，另一组认为是验证组，须保证选取的两组雨量站点尽量离散均匀分布且能代表整个初始流域Z2面上的雨量值。本方案中用泰森多边形法分别计算两组雨量站点不同时段的面平均雨量值，泰森多边形法是一种根据离散分布的气象站的降雨量，来计算平均降雨量的方法，是一种现有的水文计算方法。
进一步说明，雨量特征半径的物理意义在于当任意流域的半径大于雨量特征半径时，流域内实测面平均雨量值与实际发生的降雨值经过分组误差对比，可以认为与实际的面平均雨量值误差小于相对误差或绝对误差，流域内水量整体平衡。
进一步说明，将两组雨量站点不同时段的面平均雨量值进行比对，当误差小于相对误差m或绝对误差n，则证明该时段两组雨量站点的面平均雨量值比对结果为合格，并得到初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值的比对合格率，具体地，相对误差m和绝对误差n可根据预报精度要求取值，以洪峰预报许可误差为例，当降雨径流预报以实测洪峰流量的20％作为流量许可误差，河道流量预报以预见期内实测变幅的20％作为水位许可误差，此时相对误差m为20％。当流量许可误差小于流量实测值的5％时，取流量实测值的5％作为流量许可误差，当水位许可误差小于实测洪峰流量的5％所对应的水位幅度值或小于0.10m时，则以实测洪峰流量的5％作为水位许可误差，此时绝对误差n为5％。
优选的，在步骤S5中，根据泰森多边形法计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1；根据QPE算法程序计算区域内QPE格点雨量均值P2。
本实施例中，QPE算法程序是一种现有的算法程序，能够估算雨量均值。通过计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1和区域内QPE格点雨量均值P2，有利于得到两者的校正比值，进一步使QPE格点达到水量平衡。
优选的，在步骤S5中，校正比值a的计算公式如下：
a＝P1/P2
其中，a表示校正比值；P1表示目标流域Z3的实测面平均雨量；P2表示区域内QPE格点雨量均值。
本实施例中，通过计算目标流域Z3的实测面平均雨量和区域内QPE格点雨量均值的校正比值，使QPE格点能够最大程度地达到水量平衡。
此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：基于河流或目标断面的集水面积，记为计算流域Z1，将计算流域Z1划分为与QPE格点数据对应大小的单元网格，确定计算流域Z1各边界点所在单元网格的经纬度，根据计算流域Z1各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点；
步骤S2：计算以计算流域Z1的中心点为原点的流域最小半径R1，并确定初始流域Z2；
步骤S3：确定初始流域Z2的雨量特征半径R2；
步骤S4：根据计算流域Z1的中心点、以及流域最小半径R1和雨量特征半径R2中的较大值，确定目标流域Z3；
步骤S5：计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1和区域内QPE格点雨量均值P2，得到两者的校正比值a；
步骤S6：根据计算流域Z1中所有格点的QPE数据和校正比值a，计算得到校正后的QPE序列；
步骤S7：建立洪水预报模型，将校正后的QPE序列作为降雨输入代入洪水预报模型，进行洪水预报。
2.根据权利要求1所述的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：在步骤S1中，根据流域各边界点所在单元网格的形心点的经纬度确定计算流域Z1的中心点，计算流域Z1的中心点的计算公式如下：
O((x1+x2+…+xn)/n，(y1+y2+…+yn)/n)
其中，n代表流域边界点的总数量，为正整数；yn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的横坐标值；yn代表流域中第n个边界点所在单元网格的形心点的纵坐标值。
3.根据权利要求1所述的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：在步骤S2中，具体包括以下子步骤：
步骤S21：根据计算流域Z1的中心点的经纬度，直线连接计算流域Z1的中心点到流域各边界点，计算流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离 其中，j为流域各边界点数；xo为计算流域Z1的中心点的横坐标值，xj为流域中第j个边界点的横坐标值；yo为计算流域Z1的中心点的纵坐标值；yj为流域中第j个边界点的纵坐标值；
步骤S22：选取流域各边界点到计算流域Z1的中心点的距离中的最大值作为流域最小半径R1。
4.根据权利要求1所述的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：在步骤S3中，具体包括以下子步骤：
步骤S31：选取初始流域Z2内包含的所有雨量站点；
步骤S32：将所有雨量站点按照分布情况分为两组，分别为计算组和验证组；
步骤S33：用泰森多边形法分别计算两组雨量站点不同时段的面平均雨量值，记为P算i和P验i，其中i表示时段数；
步骤S34：将两组雨量站点不同时段的面平均雨量值进行比对，生成误差；
步骤S35：判断误差是否小于相对误差或绝对误差，若是，则证明该时段两组雨量站点的面平均雨量值比对结果为合格，并得到初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值的比对合格率；
步骤S36：计算不同半径情况下初始流域Z2的雨量站点面平均雨量值对应的比对合格率，当比对合格率大于设定的目标值QR时，则取对应半径作为初始流域Z2的雨量特征半径R2。
5.根据权利要求1所述的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：在步骤S5中，根据泰森多边形法计算目标流域Z3的实测面平均雨量P1；根据QPE算法程序计算区域内QPE格点雨量均值P2。
6.根据权利要求1所述的一种对雷达定量降水估测进行水量平衡处理的方法，其特征在于：在步骤S5中，校正比值a的计算公式如下：
a＝P1/P2
其中，a表示校正比值；P1表示目标流域Z3的实测面平均雨量；P2表示区域内QPE格点雨量均值。
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