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耦合降水集合预报的SWAT模型研究及其在洪水预报中的应用

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 洪水预报模型研究现状

1.2.2 降水集合预报研究现状

1.2.3 降水集合预报与水文模型的耦合应用研究

1.3 论文的主要内容

1.4 技术路线图

2 西江流域的SWAT模型搭建与模拟结果分析

2.1 研究区域概述

2.1.1 地理位置

2.1.2 气象水文特征

2.1.3 地形地貌

2.1.4 洪水灾害概述

2.2 SWAT模型发展过程及原理

2.2.1 SWAT模型发展过程

2.2.2 SWAT模型原理

2.3 SWAT模型的搭建

2.3.1 子流域的划分

2.3.2 土地利用数据

2.3.3 土壤数据

2.3.4 气象数据的准备

2.3.5 径流数据的准备

2.3.6 SWAT模型搭建步骤

2.4 模型参数敏感性分析、率定和验证

2.4.1 模型参数敏感性分析方法

2.4.2 模型的率定和验证方法

2.5 模拟结果分析

2.5.1 敏感性分析结果

2.5.2 三个水文站点模拟结果

2.5.3 场次洪水预报效果

2.5.4 模拟结果分析

2.6 本章小结

3 降水集合预报可靠性检验

3.1 降水集合预报数据源及解码方法

3.1.1 降水集合预报数据源

3.1.2 数据源格式及解码方法

3.2 降水集合预报数据的可靠性检验方法

3.2.1 降水集合预报数据插值方法

3.2.2 集合成员和控制成员降雨数据的比较方法

3.2.3 预报降雨数据的检验方法

3.3 降水集合预报可靠性检验结果

3.3.1 集合成员和控制成员比较结果

3.3.2 降水集合预报检验结果

3.4 本章小结

4 基于降水集合预报的SWAT模型预报效果分析

4.1 降水集合预报数据的修正方法

4.1.1 集合平均法

4.1.2 多模式集合平均法

4.1.3 多模式因子分析法

4.2 降水集合预报数据修正后的实际应用

4.2.1 集合平均法修正后预报效果分析

4.2.2 多模式集合平均法修正后预报效果分析

4.2.3 多模式因子分析法修正后预报效果分析

4.2.4 不同输入数据预报结果分析

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 研究工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

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摘要

洪水灾害严重制约着区域内经济社会的发展,及时准确的洪水预报能够为防洪减灾工作赢得宝贵时间。降水预报误差是洪水预报中不确定性的重要来源,为了提高预报结果的可靠性,本文引入降水集合预报技术,利用降水集合预报数据驱动SWAT模型对西江流域展开洪水预报研究。主要的研究内容如下: (1)基于西江流域历史降雨资料搭建SWAT模型进行预报效果的分析。模型搭建时采用局部敏感性分析法和基于LH-OAT算法的全局敏感性分析方法判断模型敏感参数,并使用SUFI-2算法对模型进行率定和验证。模拟结果表明,场次洪水的平均合格率为75%,模拟结果精度等级为乙级。 (2)以ECMWF、NCEP以及CMA三个集合预报系统的降雨产品作为降水集合预报的基础数据来源,并对基础数据作为SWAT模型的输入数据进行了可靠性检验。使用离散度数值大小分析集合系统中概率预报和控制预报的预报效果,结果表明概率预报结果更具有优势;采用ROC曲线、TS评分、BS评分以及Talagrand分布图四种检验法对预报降雨数据的可靠性进行检验,结果表明,三个集合系统所有集合成员的预报降雨数据和集合平均预报降雨数据均具有一定的预报技巧,都能够较好的反映实际降雨过程,均能够作为SWAT模型的输入展开洪水预报的研究。此外,集合平均的检验结果优于单个集合成员的检验结果。 (3)选用降水集合预报数据作为SWAT模型的输入数据进行预报效果的分析。采用集合平均法、多模式集合平均法以及多模式因子分析法对基础数据进行修正,将修正后的降水数据驱动SWAT模型开展洪水预报研究。模拟结果表明,三种修正方法的模拟结果均优于基于历史降雨资料的模拟结果,此外,利用多模式因子分析修正法得到的平均合格率为91.7%,精度等级为甲级;利用多模式集合平均法得到的平均合格率为87.5%,精度等级为甲级;ECMWF、NCEP以及CMA使用集合平均法得到的平均合格率分别为83.2%、79.2%、79.2%,精度等级均为乙级。

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