水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)綜述

孫德升

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧撫順113007)

水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)綜述

孫德升

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧撫順113007)

水文預(yù)報(bào)方案是實(shí)施預(yù)報(bào)的基本依據(jù)。水文預(yù)報(bào)方案成果達(dá)到精度要求后，才能用于發(fā)布預(yù)報(bào)，因此水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分關(guān)鍵。文章從水文預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)入手，探討了水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定和檢驗(yàn)的目的，對(duì)比了評(píng)定和檢驗(yàn)方法，并對(duì)現(xiàn)有規(guī)范中水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。

水文預(yù)報(bào);精度;評(píng)定;檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

0 前言

水文預(yù)報(bào)精度是對(duì)水文預(yù)報(bào)誤差的度量。水文預(yù)報(bào)誤差是指水文要素的實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值之差，包括隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。

上述兩種誤差不可能從預(yù)報(bào)值中加以分清，只能把預(yù)報(bào)誤差作為綜合性隨機(jī)誤差來(lái)概括。從而通過(guò)與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，求出誤差的理論與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行評(píng)定［1-3］。

隨著水文資料的積累，測(cè)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法的改進(jìn)，以及預(yù)報(bào)技術(shù)、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富和完善，預(yù)報(bào)精度將會(huì)逐漸提高，預(yù)報(bào)誤差會(huì)逐漸減少，但絕不能完全消除。

當(dāng)然，要盡量減少可以避免的誤差。諸如在編制方案前應(yīng)對(duì)預(yù)報(bào)流域或河段的自然地理概況、水文氣象特征、站網(wǎng)分布、資料系列、人類(lèi)活動(dòng)情況等進(jìn)行詳細(xì)的了解和調(diào)研，以便在充分掌握客觀情況的基礎(chǔ)上，確定合適的預(yù)報(bào)方法。

同時(shí)，在預(yù)報(bào)作業(yè)的實(shí)踐中，要經(jīng)?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探索水情變化規(guī)律、注意搞好實(shí)時(shí)校正，并及時(shí)修訂預(yù)報(bào)方案，提高方案和作業(yè)預(yù)報(bào)的精度［4］。

1 水文預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)特性

根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)分析和物理成因分析，水文預(yù)報(bào)誤差的分布規(guī)律一般是兩端有限的偏態(tài)分布，水文預(yù)報(bào)要求的保證率不太高(例如水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范中要求乙等方案的合格率為70%)，用正態(tài)分布與偏態(tài)分布的差別不大，所以，目前多以正態(tài)分布作為水文預(yù)報(bào)精度評(píng)定的基礎(chǔ)。

預(yù)報(bào)誤差用絕對(duì)誤差表示為:

用相對(duì)誤差表示為:

式中:yi為實(shí)測(cè)值，y為預(yù)報(bào)值。

預(yù)報(bào)誤差有正有負(fù)，評(píng)定時(shí)取其絕對(duì)值。

1.1 平均誤差

式中:n 為觀測(cè)次數(shù)，i=1，2，…，n。

1.2 均方誤差

均方誤差σ的計(jì)算公式為:

1.3 用確定性系數(shù)作為評(píng)定有效性的表征值

計(jì)算公式為:

式中:Se為預(yù)報(bào)值誤差的均方差，即式2-2的σ值;σy為實(shí)測(cè)值的均方差。

2 水文預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定

2.1 評(píng)定的目的

利用水文預(yù)報(bào)方法原理所編制的流域河段、水庫(kù)等的水文預(yù)報(bào)方案是水文作業(yè)預(yù)報(bào)的根據(jù)。

為了能預(yù)先掌握應(yīng)用方案的可靠程度及有效性、預(yù)報(bào)誤差的范圍是否超過(guò)允許的限度，必須對(duì)水文預(yù)報(bào)方案進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)，其評(píng)定和檢驗(yàn)的目的是:

1)評(píng)定和檢驗(yàn)水文預(yù)報(bào)方案的可靠性及預(yù)報(bào)值的精確程度，從而確定已建立的水文預(yù)報(bào)方案和采用的方法是否合理和適用，其精度能否滿足生產(chǎn)的需要。

2)了解和掌握方案的適用范圍及預(yù)報(bào)值可能存在的誤差大小，使作業(yè)預(yù)報(bào)人員合理應(yīng)用預(yù)報(bào)方案，并使需要預(yù)報(bào)的單位能正確掌握使用預(yù)報(bào)成果。另外，還可通過(guò)對(duì)不同的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行實(shí)際效益的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，總結(jié)提高，從而推動(dòng)水文預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展［5-7］。

評(píng)定和檢驗(yàn)預(yù)報(bào)方案是采用統(tǒng)一的許可誤差和有效性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

評(píng)定是由建立模型的全部序列值按其預(yù)報(bào)誤差確定模型的有效性;檢驗(yàn)是引用未參加建立模型的預(yù)留序列值按模型做檢驗(yàn)預(yù)報(bào)，視誤差情況確定方案的有效性。二者不可偏廢。

需要指出的是，評(píng)定和檢驗(yàn)的定量指標(biāo)形式雖然一樣，但定量時(shí)二者有所不同。前者在計(jì)算指標(biāo)時(shí)以建模的全部實(shí)測(cè)序列值為基礎(chǔ)，而后者卻以預(yù)留序列值為基礎(chǔ)。

從實(shí)用觀點(diǎn)評(píng)判，檢驗(yàn)較評(píng)定更為重要。至于對(duì)每次作業(yè)預(yù)報(bào)效果的評(píng)定，要根據(jù)誤差值與許可誤差作對(duì)比確定［8-9］。

這里所指的許可誤差是根據(jù)預(yù)報(bào)的技術(shù)水平、資料條件、誤差分布規(guī)律和結(jié)合生產(chǎn)對(duì)預(yù)報(bào)的要求來(lái)確定的，用預(yù)報(bào)誤差的許可范圍來(lái)表示，并把它作為評(píng)定預(yù)報(bào)精度的尺度。

2.2 評(píng)定的方法

2.2.1 有效性和合格率的評(píng)定

由于確定性系數(shù)是介于兩極端之間，因此它在一定程度上反映了系列間的密切程度，故作評(píng)定、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是可行的，實(shí)質(zhì)它是用平均值作對(duì)比的預(yù)報(bào)有效性的度量標(biāo)準(zhǔn)［10］。計(jì)算Se和σy值必須考慮到它們的季節(jié)性變化。只有在正態(tài)分布的情況下，DC才是預(yù)報(bào)變量和預(yù)報(bào)誤差的完全可靠的統(tǒng)計(jì)特征。

當(dāng)非正態(tài)分布時(shí)，只有確認(rèn)兩個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)化誤差，其經(jīng)驗(yàn)分配曲線相似后，才能用系數(shù)DC。標(biāo)準(zhǔn)化誤差值的表達(dá)式為:

確定性系數(shù)DC以下述方式定義預(yù)報(bào)方法可靠性程度:

如果DC=1，預(yù)報(bào)方法完全正確，沒(méi)有誤差。

DC=0，預(yù)報(bào)方法并不比“自然”預(yù)報(bào)提供更多的信息。

DC＜0，預(yù)報(bào)方法的誤差比“自然”預(yù)報(bào)的更大。

顯然，預(yù)報(bào)誤差的均方差愈小，DC愈接近于1，預(yù)報(bào)模型愈好。

對(duì)流域模型制定的水文預(yù)報(bào)方案評(píng)定或檢驗(yàn)規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 水文預(yù)報(bào)方案評(píng)定或檢驗(yàn)規(guī)定

模型的合格率是指合格預(yù)報(bào)次數(shù)占預(yù)報(bào)總次數(shù)的百分率。誤差小于允許誤差δ許的預(yù)報(bào)為合格，水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范規(guī)定預(yù)報(bào)方案合格率的評(píng)定和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 預(yù)報(bào)方案合格率的評(píng)定和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)報(bào)方案的合格率達(dá)甲、乙等級(jí)的可用于作業(yè)預(yù)報(bào)，可對(duì)用戶正式提供預(yù)報(bào)成果。丙等以下者，不能用于作業(yè)預(yù)報(bào)。

2.2.2 作業(yè)預(yù)報(bào)評(píng)定

作業(yè)預(yù)報(bào)評(píng)定按每次預(yù)報(bào)誤差大小，分四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 作業(yè)預(yù)報(bào)評(píng)定等級(jí)

3 探討

綜上所述，從以下5個(gè)方面進(jìn)行探討:

1)水文預(yù)報(bào)是會(huì)有誤差的，目前采用的評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)具有一定的主觀性。

因此，在實(shí)際工作中，既要重視評(píng)定結(jié)果，又不應(yīng)機(jī)械地以合格率或確定性系數(shù)作為衡量預(yù)報(bào)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)講究預(yù)報(bào)服務(wù)效益，從每次預(yù)報(bào)評(píng)定中認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)預(yù)報(bào)方案，力求提高預(yù)報(bào)時(shí)效和精度，這才是評(píng)定的最終目的。

2)確定性系數(shù)的高低，取決于所率定模型系列的長(zhǎng)短。

如率定期很長(zhǎng)，小水部分占很大的比重，所率定出來(lái)的確定性系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)比短系列率定的確定性系數(shù)要高(因小水部分率定時(shí)，把確定性系數(shù)提高了)。

因此，經(jīng)確定性系數(shù)率定的模型應(yīng)用在作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)，必須注意預(yù)見(jiàn)期與系列長(zhǎng)度相適應(yīng)。同時(shí)，應(yīng)注意從包含各種水文情勢(shì)的系列中率定確定性系數(shù)，以提高模型的實(shí)用性。

3)現(xiàn)有的水文預(yù)報(bào)評(píng)定和檢驗(yàn)的方法及標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)流域洪水預(yù)報(bào)來(lái)制定的，基本上屬于短期預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)的特點(diǎn)考慮的比較少，這也是由于中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)理論和方法發(fā)展滯后所造成的結(jié)果，故現(xiàn)有的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方案的評(píng)定和檢驗(yàn)只能是參照?qǐng)?zhí)行現(xiàn)有的規(guī)范，但不能硬性照搬。

在《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(SD138—85)中未提及中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)，而在水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范 (SL250—2000)和水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(GB/T 22482—2008)中已對(duì)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)評(píng)定和檢驗(yàn)的方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步規(guī)范。

4)一般而言，預(yù)報(bào)精度隨著預(yù)見(jiàn)期的加長(zhǎng)而降低，在相同預(yù)報(bào)水平下，中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的誤差大于短期預(yù)報(bào)的誤差。

因此，按“短期預(yù)報(bào)”標(biāo)準(zhǔn)確定的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)結(jié)果，在定量定性上可能偏高。

在應(yīng)用中可在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上適當(dāng)降低預(yù)報(bào)方案等級(jí)的劃分。

5)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)評(píng)定和檢驗(yàn)應(yīng)綜合考慮各種有效性標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)只偏重于一種而偏廢其它，既要考慮規(guī)范中規(guī)定的確定性系數(shù)及合格率的指標(biāo)，也要考慮平均相對(duì)誤差和最大相對(duì)誤差等指標(biāo)，并從總體上考慮這些指標(biāo)的有機(jī)平衡，否則就很難滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求。

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1007-7596(2014)06-0030-03

2013-12-28

孫德升(1964-)，男，遼寧本溪人，高級(jí)工程師，從事水利工程施工和管理工作。