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考虑预报不确定性的水风光互补系统两阶段决策研究

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水利水电技术（中英文） 2023年第4期54卷 49-59页

作者：丁紫玉方国华闻昕谭乔凤毛莺池张钰河海大学计算机与信息学院江苏南京210000 河海大学水利水电学院江苏南京210000

【目的】水风光资源长期预报精度有限,如何应对风光出力和径流的不确定性是充分发挥多能源协同优势的关键,为此,提出考虑预报不确定性的水风光互补系统两阶段决策方法。【方法】将互补系统长期调度多阶段决策划分为包含面临时段和余留... 详细信息

【目的】水风光资源长期预报精度有限,如何应对风光出力和径流的不确定性是充分发挥多能源协同优势的关键,为此,提出考虑预报不确定性的水风光互补系统两阶段决策方法。【方法】将互补系统长期调度多阶段决策划分为包含面临时段和余留期的两阶段决策,通过余留期能量曲面表征余留期不同库容条件与未来风光出力及径流所能产生的发电效益;讨论不同预报水平下水风光资源预报信息的利用方式,提出余留期能量曲面确定方法,并分析预见期利用长度对互补系统效益的影响,确定最佳预见期利用长度;以基于调度图模拟的互补系统调度结果作为对照,评估不同预报水平下两阶段模型的适用性。【结果】选择雅砻江下游水风光互补系统进行实例研究,结果显示:(1)两阶段模型中基于径流序列映射模型的预报信息利用方式能较好地表征余留期效益;(2)随着两阶段决策模型预见期利用长度的增加,预见期的边际效应显著降低,互补系统最佳预见期利用长度为3个月;(3)与调度图相比,两阶段模型推迟水库蓄水和消落时机并加深消落程度,使得发电效益和出力可靠性在预报水平较高时整体高于调度图。【结论】结果表明:两阶段决策模型能够灵活结合多个预见期的预报信息,实现有限预报信息下的互补系统长期优化调度。

关键词：水风光互补预报不确定性梯级水库长期调度

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水库月平均流量滚动预报及其不确定性研究

水力发电学报 2018年第2期37卷 59-67页

作者：马超崔喜艳天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

可靠的入库流量预报是支撑水库科学长期调度决策的基础。针对中长期流量预报模型预见期有限及流量预报存在不确定性的问题,采用人工神经网络滚动预报不同预见期流量,在此基础上,利用Copula函数建立预报误差序列的联合分布函数,实现对水... 详细信息

可靠的入库流量预报是支撑水库科学长期调度决策的基础。针对中长期流量预报模型预见期有限及流量预报存在不确定性的问题,采用人工神经网络滚动预报不同预见期流量,在此基础上,利用Copula函数建立预报误差序列的联合分布函数,实现对水文预报误差序列的随机模拟,从而定量描述流量预报不确定性。三峡水库非汛期后期月平均流量预报及其不确定性研究结果表明:所构建的非汛期月平均流量预报模型预报效果较好,可用于滚动作业预报;Copula函数能较好描述预报相对误差序列间相关性,模拟序列相关系数、统计特征值和经验分布与实测序列相差较小,模拟效果较好。研究成果可为水库开展长期优化调度提供有效入库流量信息支撑和决策支持。

关键词：水文预报滚动预报预报不确定性 Copula函数人工神经网络三峡水库

考虑水文预报不确定性的跨流域调水工程优化调度研究

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考虑水文预报不确定性的跨流域调水工程优化调度研究

作者：钟华昱西安理工大学

学位级别：硕士

水文系统的高度非线性以及径流形成机制的复杂性,导致天然入库径流难以准确预报。利用预报不准的径流信息指导水工程调度决策,将不可避免地产生运行风险。跨流域调水工程初始投资巨大,在实际运行管理过程中,考虑预报不确定性的跨流域调... 详细信息

水文系统的高度非线性以及径流形成机制的复杂性,导致天然入库径流难以准确预报。利用预报不准的径流信息指导水工程调度决策,将不可避免地产生运行风险。跨流域调水工程初始投资巨大,在实际运行管理过程中,考虑预报不确定性的跨流域调水工程优化调度可进一步挖掘工程的运行,提高工程运行效益。如何实现预报和调度的有效融合,是当前亟待解决的关键难题。本文以引汉济渭跨流域调水工程中长期调度为研究对象,分析了预报不确定性对调度性能指标的影响;并在此基础上,提出了一种高效耦合集合预报信息的跨流域调水工程优化调度方法。论文的主要工作和结论如下:(1)基于历史径流资料,制订了确定性的跨流域调水工程优化调度规则。确定了调水规则的基本型式,用于对调水过程进行长系列模拟;构建了以系统缺水指数最小、水电站发电量最大和泵站耗电量最小为目标的多目标优化调度模型,采用多目标布谷鸟算法,在“参数-模拟-优化”框架下,识别了调度规则参数。结果表明:三个调度目标之间存在相互制约关系;采用层次分析法优选多年平均调水10亿m和15亿m情景下的调度规则,对应缺水指数、发电量和耗电量分别为0.68、3.89亿kW·h、2.98亿kW·h和3.41、3.60亿、5.14亿kW·h;通过参数解码后得到的调度图上、下调度线不交叉,调度线变化平稳,优化结果合理。(2)基于上述制订的确定性优化调度规则,分析了径流预报不确定性对调度性能指标的影响。采用了四种方法优选预报因子:相关系数法、逐步回归法、互信息法和最大信息系数法;构建了三种入库径流预报模型:BP神经网络模型、极限学习机模型、两参数月水量平衡模型;将径流预报过程输入到基于历史径流资料制订的确定性优化调度规则中,以量化预报不确定性对缺水指数、发电量和耗电量的影响。结果表明:多年平均调水10亿m情景下,缺水指数的变化率分别为+435.3%、+133.8%、+573.5%,发电量的变化率分别为-3.3%、-1.8%、-9.8%,耗电量的变化率分别为+20.1%、+3.4%、+5.7%;多年平均调水15亿m情景下,缺水指数的变化率分别为+111.4%、+65.1%、+180.1%,发电量入的径流预报信息存在预报不确定性时,跨流域调水工程调度性能显著下降。(3)基于集合预报信息,制订了考虑预报不确定性的跨流域调水工程优化调度规则。采用多模型随机组合方法生成集合预报信息;利用同步回代缩减算法将集合预报样本缩减为几种典型场景以及对应的发生概率;基于典型预报场景构建水库多目标优化调度模型,使得水库在多场景下性能指标的期望值最优。研究结果表明:基于多模型随机组合方法的集合预报区间在低流量时较小,在高流量时较大,能较真实地反映预报不确定性;采用同步回代缩减算法将场景从1000缩减至20时,场景均值和标准差的变化率在1%以内,计算耗时从49.17 h下降至1.05 h;与确定性调度规则相比,多年平均调水10亿m情景下,考虑了预报不确定性的调度规则缺水指数平均变化率为-19.4%,发电量的平均变化率为+2.1%,耗电量的平均变化率为-10.1%;多年平均调水15亿m情景下,考虑了预报不确定性的调度规则缺水指数平均变化率为-9.2%,发电量的平均变化率为+1.9%,耗电量的平均变化率为-5.0%。当预报不准时,考虑预报不确定性的调度规则供水效果明显变好,发电量略微提升,耗电量略微下降,整体性能优于确定性调度规则。

关键词：跨流域调水多目标优化调度预报不确定性集合预报调度规则场景缩减

考虑预报不确定性的水库防洪与兴利协调控制调度研究

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考虑预报不确定性的水库防洪与兴利协调控制调度研究

作者：杨爱萍广西大学

学位级别：硕士

随着社会经济的快速发展,水库防洪与,兴利综合利用的矛盾日益突出,对洪水资源化的要求愈加迫切,如何协调水库防洪与兴利的矛盾是亟待解决的问题。水库汛限水位作为协调防洪与兴利的关键指标,在充分利用水库的暴雨洪水预报信息的前提下,... 详细信息

随着社会经济的快速发展,水库防洪与,兴利综合利用的矛盾日益突出,对洪水资源化的要求愈加迫切,如何协调水库防洪与兴利的矛盾是亟待解决的问题。水库汛限水位作为协调防洪与兴利的关键指标,在充分利用水库的暴雨洪水预报信息的前提下,对水库汛限水位实行动态控制是提高水资源利用效率、缓解水资源供给不足的有效途径。本文以岩溶区流域澄碧河水库为工程实例,为发挥水库的综合利用效益,开展协调水库防洪与兴利蓄水效益的研究,主要的研究内容和取得的成果如下:(1)论文从分期调度的角度,以旬最大1d降雨量、旬最大3d降雨量、旬总降雨量构建综合指标,采用改进的模糊集分析法对澄碧河水库进行汛期分期,得到分期结果为前汛期4月中旬～5月上旬(4.11～5.10),主汛期5月中旬～9月上旬(5.11～9.10),后汛期9月中旬～10月下旬(9.11～10.31)。(2)在分期的基础上,选择“分期最大值跨期选样”、水文频率分析法—适线法计算各分期洪水样本的经验频率,采用同倍比放大法中的“峰比”对典型洪水过程线进行放大来推求各分期的洪水过程线,基于调洪最高水位对各分期设计洪水进行调洪演算,计算结果表明,澄碧河水库后汛期起调水位可抬高至187.5m。(3)从动态控制汛期水位的角度,构建了水库防洪与兴利蓄水两阶段协调调度模型,将水库调度的复杂问题转化为阶段1的兴利蓄水效益与阶段2的防洪风险之间的对冲问题,利用预报信息逐时段进行滚动决策。假定预报误差服从正态分布,将模型应用至澄碧河水库进行探讨研究,结果表明,当预报来水在61.68～631.89m/s时,通过对澄碧河水库后汛期实施汛期水位动态控制调度,蓄水效益明显提高;在2001～2012年间,总蓄水效益较实际调度增加23.65×10m,12年间蓄水效益年均增加1.97×10m,在185～187.36m的后汛期水位控制域内,通过预报来水指导水库预蓄预泄,不但没有影响水库防洪作用,而且有效发挥了水库蓄水效益。

关键词：汛期分期汛期水位动态控制防洪与兴利对冲模型预报不确定性澄碧河水库

台湾岛附近台风异常路径特征及其预报不确定性的初步研究

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台湾岛附近台风异常路径特征及其预报不确定性的初步研究

作者：龚月婷中国气象科学研究院

学位级别：硕士

目前热带气旋(Tropical Cyclone,TC)路径预报能力已有很大提高,但异常路径的预报能力仍然比较薄弱。我国台湾岛附近区域地形复杂,TC异常路径频发。论文首先对1949-2014年台湾岛附近区域(116°E-126°E,19°N-29°N)内530个TC的运动特征... 详细信息

目前热带气旋(Tropical Cyclone,TC)路径预报能力已有很大提高,但异常路径的预报能力仍然比较薄弱。我国台湾岛附近区域地形复杂,TC异常路径频发。论文首先对1949-2014年台湾岛附近区域(116°E-126°E,19°N-29°N)内530个TC的运动特征进行统计分析。其次采用个例诊断和集合天气学分析方法,讨论台风Morakot(0908)异常路径成因及其预报不确定性。最后通过数值敏感性试验,探讨台湾岛地形对Morakot异常路径的影响。统计表明,台湾岛附近区域TC右折频次比左折多约10%,其中岛屿西北部至台湾海峡北部右折频次明显多于左折,而台湾岛东岸沿海则是左折多于右折。TC路径大角度的异常偏折容易出现在台湾岛东北侧、西南侧及台湾海峡南端。异常加速(减速)主要出现在台湾岛东岸(海峡南部)。约33%TC经过台湾岛区域时伴随次生低压(secondary low pressure center,SC)。SC可出现在中央山脉东西两侧,最容易出现在台湾岛西北方。TC中心与其次生低压一般各分布于中央山脉异侧,少数在同侧。SC代替原台风中心形成不连续路径的TC个例占总登陆台湾岛TC总数的36%。利用中尺度数值模式WRF模拟结果,诊断分析台风Morakot(0908)缓慢过岛的不连续路径发生原因,发现除西太平洋副热带高压(副高)影响及双台风效应外,过岛台风的结构变化是一个重要原因。Morakot异常路径与台湾地形附近台风环流内SC的发生发展有关。SC替代台风中心形成不连续路径的过程,是台风低层环流从分裂到重组、台风正涡度柱从垂直到倾斜再恢复垂直的缓慢变化过程,增加了Morakot在台湾岛附近的活动时间。对ECMWF发布的TC路径集合预报结果进行分析,发现对Morakot过台湾岛缓慢西行的不连续路径,不论早期远离台湾岛还是临近登陆前的预报结果都具有较大的不确定性。利用集合天气学分析方法分析集合成员预报成功和失败的原因,结果表明,早期TC路径预报误差主要来自于模式对副高、西南气流、双台风等大尺度环境场描述的差异,导致TC西行过岛和登岛前北折的路径预报分歧。而后期临近登陆时环境引导气流较弱,地形与TC环流相互作用产生的SC活动是路径预报成功与否的关键因子。成功预报集合成员SC发展更强,与原台风中心距离更近,最终代替TC中心,导致西行过岛的不连续路径。而失败预报集合成员的SC发展较弱,且距台风中心较远,未能代替TC中心产生西行过岛的不连续路径,而是在台湾岛东部海域转向北上。进一步利用中尺度数值模式WRF开展不同高度台湾岛地形对Morakot异常路径影响的敏感性试验。发现地形作用使台风移向容易偏折,移速波动大,过岛时间长,并可激发次生低压,导致台风不连续路径。当去除台湾地形,台风路径摆动小,过岛时间短,无次生生低压和不连续路径发生。

关键词：台风异常路径台风Morakot(0908) 次生低压预报不确定性

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正确认识和对待天气气候预报的不确定性

气象 2011年第4期37卷 385-391页

作者：王东海杜钧柳崇健中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 美国国家海洋大气局华盛顿20230

美国国家科学发展的指导机构国家研究顾问委员会(NRC)不久前发表了一份关于天气、气候和水文预报的不确定性的调研报告。报告强调了预报不确定性信息在终端用户应用气象预报作决策中的重要性,同时指出一个预报如果没有定量地估计它的不... 详细信息

美国国家科学发展的指导机构国家研究顾问委员会(NRC)不久前发表了一份关于天气、气候和水文预报的不确定性的调研报告。报告强调了预报不确定性信息在终端用户应用气象预报作决策中的重要性,同时指出一个预报如果没有定量地估计它的不确定性,那么该预报是不完全的。该报告中文版的出版工作正在进行中,现藉此机会向读者综合地介绍一下预报不确定性的问题。文中首先讨论了预报不确定性的缘由以及应该如何来科学地对待它。然后介绍了要应对这一问题所要进行的一些具体措施和策略。最后,简要地介绍了美国气象界为此所做的一些努力和计划以供参考。通过上述讨论和介绍,希望引起更多的人对预报不确定性问题的重视并科学应对以更好地服务社会。

关键词：美国国家研究顾问委员会(NRC) 预报不确定性概率决策预报不确定性特别委员会(ACUF)

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顾及不确定性影响的变形概率预报法

测绘学报 2017年第4期46卷 526-532页

作者：魏冠军党亚民章传银杨维芳兰州交通大学测绘与地理信息学院甘肃兰州730070 中国测绘科学研究院北京100830

针对变形预报的不确定性,以MCMC算法和贝叶斯预测理论为基础,提出了变形概率预报方法,该方法以概率分布的形式描述变形预报的不确定性,通过概率规则实现预报的递推过程。利用宁杭高速路基沉降数据进行数值计算,定量分析了预报值及其可... 详细信息

针对变形预报的不确定性,以MCMC算法和贝叶斯预测理论为基础,提出了变形概率预报方法,该方法以概率分布的形式描述变形预报的不确定性,通过概率规则实现预报的递推过程。利用宁杭高速路基沉降数据进行数值计算,定量分析了预报值及其可靠性区间等信息,并与最小二乘估计、免疫算法的预报结果进行比较,结果表明了该方法的有效性和可行性。

关键词：预报不确定性测量误差参数不确定性 Gibbs抽样概率预报

集合预报对台风天鹅(2015)远距离暴雨的不确定性研究

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气象 2020年第1期46卷 15-28页

作者：何斌楼茂园李海军范晓红陆琛莉潘士雄嘉兴市气象局嘉兴314050 上海台风研究所上海200030 浙江省气象学会杭州310008

2015年8月23-24日期间台风天鹅引发华东中部沿海地区出现暴雨或大暴雨天气。基于欧洲中期天气预报中心的集合预报分析导致此次远距离暴雨预报不确定的关键原因,并利用集合敏感性分析方法研究影响此次暴雨过程的主要天气系统的敏感区域,... 详细信息

2015年8月23-24日期间台风天鹅引发华东中部沿海地区出现暴雨或大暴雨天气。基于欧洲中期天气预报中心的集合预报分析导致此次远距离暴雨预报不确定的关键原因,并利用集合敏感性分析方法研究影响此次暴雨过程的主要天气系统的敏感区域,此外对暴雨发生发展的热动力机制展开探讨,主要结论包括:集合预报对此次台风天鹅引起的远距离暴雨的可预报性明显偏低,仅在暴雨发生前24 h才做出较大调整。在不同起报时次下,当台风路径的系统性偏差最小时,台风降水集合预报也最接近实况,但是进一步的分析表明,台风路径误差与降水量级之间的对应关系并不确定。不同雨量成员组间中低层环流场的对比分析表明:高空槽的预报差异是集合预报不确定的主要原因,高空槽东移加深有利于增加暴雨区的斜压不稳定,也有利于增强对流层低层的水汽输送急流带。500 hPa高度场的敏感性分析表明无论是初始场还是预报场,暴雨区平均降雨量均与高空槽的东移和加深显著相关,且随着预报时次的临近,显著相关区域向低槽下游明显扩大。此外还发现高空槽的东移有利于增强(减弱)暴雨区左(右)侧低层冷空气的强度,使得台风右侧更多暖湿气流向暴雨区输送。

关键词：集合预报台风远距离暴雨预报不确定性集合敏感性分析

两类暴雨数值预报不确定性及集合预报方法研究

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两类暴雨数值预报不确定性及集合预报方法研究

作者：纪永明中国气象科学研究院

学位级别：硕士

本文从我国中尺度灾害性强降水天气数值预报和中尺度集合预报发展的需求出发,采用数值模拟方法、统计学方法、物理诊断技术,研究了我国研发的区域GRAPES模式积云对流参数化方案对我国南北方暴雨数值预报不确定性的影响差异,更加深入的认... 详细信息

本文从我国中尺度灾害性强降水天气数值预报和中尺度集合预报发展的需求出发,采用数值模拟方法、统计学方法、物理诊断技术,研究了我国研发的区域GRAPES模式积云对流参数化方案对我国南北方暴雨数值预报不确定性的影响差异,更加深入的认识GRAPES模式对我国南北方暴雨的预报不确定性。同时利用TIGGE资料构造了GRAPES集合预报初值扰动方法,进行了暴雨集合预报试验,研究了大尺度扰动场对GRAPES模式暴雨集合预报的影响,为发展GRAPES集合预报系统提供依据。研究工作的主要结论是: （1）不论是对于大尺度强迫较弱的南方暴雨,还是大尺度强迫较强的北方暴雨,积云对流参数化方案对暴雨降水预报均有较明显的影响,且南方暴雨预报不确定性具有明显的日变化特征,白天不确定性相对较强,晚上相对较弱,而对北方暴雨预报的影响日变化特征并不显著。（2）不同对流参数化方案对南方和北方暴雨的物理量预报不确定性的影响特征是不同的,对代表大尺度环流特征的物理量影响较小,对涡度、散度等这些能代表中尺度特征的物理量的影响较大,并且对南方暴雨的影响较对北方暴雨的影响大。在南方暴雨区,对流参数化方案对高层温度场的影响较大,在北方暴雨区,对流参数化方案对低层温度场的影响较大。（3）总体上看,对流参数化方案对南方暴雨的影响较对北方暴雨的影响大,南（北）方暴雨预报的不确定性特征与200hPa垂直速度的预报离差变化特征较一致（不一致）。（4）基于TIGGE资料构造的初值扰动场差异较大,使得集合扰动成员能够最大限度的表征初值场的不确定性,这对集合离散度的合理增长有正的影响,保证了集合扰动成员包含大气真实初始状态的概率增加,提高了区域GRAPES集合预报系统捕获极端降水天气的能力。（5）采用多物理、多初值方案的区域GRAPES集合预报试验结果表明:相对于单一确定性预报,区域GRAPES集合预报系统对降水预报具有显著的改进作用,强降水发生概率较高的区域与实况降水对应关系较好,概率预报结果的可信度较高。总体而言,集合离散度随时间增长。积分初期,暴雨的预报一致性（集合预报离散度）和预报技巧（集合预报平均均方根误差）之间的关系显示了本文基于TIGGE资料构造的区域GRAPES集合预报系统是合理的。

关键词：两类暴雨预报不确定性集合预报初值扰动方法