懷化市汛期降水量的灰色拓?fù)漕A(yù)測

張坤　王新發(fā)　肖敏等

摘要采用灰色拓?fù)漕A(yù)測方法，以懷化市1981～2008年汛期降水量（4～9月）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了降水量預(yù)測模型，并利用2009～2013年降水?dāng)?shù)據(jù)對模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，最后對2014～2018年汛期降水量進(jìn)行了預(yù)測。研究表明，灰色拓?fù)漕A(yù)測方法具有良好的預(yù)測效果，其結(jié)果可為懷化市汛期降水預(yù)報(bào)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞降水量；汛期；灰色拓?fù)漕A(yù)測；GM（1，1）；懷化市

中圖分類號S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）07-181-02

The Grey Topology Prediction of Precipitation during Flood Season in Huaihua City

ZHANG Kun，WANG Xin-fa，XIAO Min et al

（Meteorological Administration of Huaihua City， Huaihua， Hunan 418000）

AbstractUsing the grey topology prediction method， the precipitation prediction model was established on the basis of flood season precipitation in Huaihua during 1981-2008 （4-9 months）， and the prediction results of the model was tested by using the precipitation data of 2009-2013 years. Finally， the precipitation in flood season during 2014-2018 was forecasted.Research shows that：the grey topological prediction method has good prediction effect， the results can provide the reference for the rainfall forecast in flood season in Huaihua City.

Key words Precipitation； Flood season； Grey topology predictionl； GM（1， 1）； Huaihua City

區(qū)域降水量與干旱、洪澇災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及其強(qiáng)度密切相關(guān)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響[1]，準(zhǔn)確預(yù)測降水量對預(yù)防和減少干旱、洪澇災(zāi)害損失，提高氣象災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。近年來，不少專家學(xué)者采用灰色系統(tǒng)論對區(qū)域年降水量及汛期降水量進(jìn)行預(yù)測研究，取得了較好的預(yù)測效果。如周春花等基于1981～2003年降水資料，應(yīng)用灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型，對東川地區(qū)未來年份的降水量進(jìn)行了灰色預(yù)測，預(yù)測效果良好[2]；王琳琳等基于灰色拓?fù)淅碚搶|寧朝陽地區(qū)降水量進(jìn)行了預(yù)測，其預(yù)測精度基本滿足要求[3]；袁月平等基于灰色自記憶模型，對杭州市年降水量序列進(jìn)行擬合和預(yù)測，結(jié)果表明模型有效可行、精度高、穩(wěn)定性好[4]。

懷化市位于湖南省西南部，地處武陵、雪峰兩大山脈之間，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，小氣候多樣，垂直差異大，山地氣候帶明顯，自然災(zāi)害頻發(fā)[5]。對懷化市汛期（4～9月）降水量進(jìn)行預(yù)測，分析未來降水趨勢，可為汛期短期降水預(yù)報(bào)提供借鑒和參考，并對氣象防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。該研究基于灰色系統(tǒng)理論對懷化市1981～2013年汛期降水量序列進(jìn)行分析，用1981～2008年的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，建立汛期降水量灰色拓?fù)漕A(yù)測模型，用2009～2013年數(shù)據(jù)對模型預(yù)測精度進(jìn)行檢驗(yàn)，最后對未來5年汛期降水量進(jìn)行預(yù)測。

1資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的選取與預(yù)處理

所用資料為懷化氣象觀測站1981～2013年汛期（4～9月）降水?dāng)?shù)據(jù)。其中，利用1981～2008年汛期降水?dāng)?shù)據(jù)建立預(yù)測模型；使用2009～2013年的汛期降水量數(shù)據(jù)對模型預(yù)測精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2灰色系統(tǒng)理論

1.2.1

GM（1，1）模型。

灰色系統(tǒng)理論是鄧聚龍?jiān)?982年提出并建立的，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控[6]。灰色系統(tǒng)理論已被廣泛地運(yùn)用于某種事件發(fā)生的預(yù)測，如數(shù)列預(yù)測、災(zāi)變預(yù)測、拓?fù)漕A(yù)測等，均收到了較好效果[7]。GM（1，1） 模型是灰色預(yù)測的核心，它是一種單變量預(yù)測的一階微分方程模型，其離散時(shí)間響應(yīng)函數(shù)近似呈指數(shù)規(guī)律[3]。GM（1，1）模型的建模過程如下[6]：

設(shè)有初始序列

X（0）={x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）}

（1）

對序列（1）進(jìn)行一次累加（1-AGO），生成新的序列，即

X（1）={x（1）（1），x（1）（2），…，x（1）（n）}

（2）

其中累加公式為：

x（1）（K）=∑kt=1x（0）（t），

根據(jù)序列（2）可以建立白化一階微分方程

dx（1）dt+ax（1）=u，

式中，a為待辨識參數(shù)，亦稱發(fā)展系數(shù)；u為待辨識內(nèi)生變量，亦稱灰作用量。參數(shù)a和u根據(jù)最小二乘法確定，且滿足

a^=[a，u]T=（BTB）-1BTY，

其中

B=

790 x（1）（k+1）=9.079 1e0.495 6k-8.792 20.406 60.8合格

815 x（1）（k+1）=8.033 8e0.372 4k-7.651 20.309 21好

840 x（1）（k+1）=12.075 9e0.258 4k-11.597 70.271 31好

865 x（1）（k+1）=23.892 2e0.176 2k-23.318 40.149 71好

890 x（1）（k+1）=62.279 0e0.084 6k-61.609 50.195 51好

............

1 165 x（1）（k+1）=162.001 2e0.084 0k-147.090 60.140 51好

............

1 290 x（1）（k+1）=221.112 6e0.074 6k-203.217 00.349 81好

從2009～2013年懷化市汛期降水量預(yù)測結(jié)果（表3）可知，除2009年（相對誤差50.85%）、2011年（相對誤差48.70%）較大外，其余年份相對誤差均較小。利用灰色拓?fù)漕A(yù)測模型對2014～2018年懷化市汛期降水量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這5年的汛期降水量分別為1 052.50、1 097.50、956.67、1 151.36、1 010.83 mm。

3結(jié)論與討論

（1）降水量的長期預(yù)測具有較大難度，而基于GM（1，1）

模型的灰色拓?fù)漕A(yù)測方法則具有所需樣本數(shù)據(jù)少、預(yù)測結(jié)果

圖12010年1～12月分宜負(fù)離子濃度日變化

圖22010年1～12月分宜負(fù)離子平均濃度變化

相對濕度等氣象要素與負(fù)離子濃度大小的相關(guān)關(guān)系不太明顯。排除季節(jié)性原因，負(fù)離子濃度較高時(shí)所處的有利天氣條件所占比例較大。一般負(fù)離子濃度較高時(shí)，多為雷雨天氣，或降水天氣過程的第1天至第2天，即降水將空氣中的塵埃沖刷干凈，空氣質(zhì)量較高，而這種情況下濕度一般也較大，風(fēng)

速適中，但是否各方面天氣條件有利的配合才會(huì)使得負(fù)離子濃度更高，還需要有更長期的數(shù)據(jù)進(jìn)行有利的分析。

3 小結(jié)與討論

就測點(diǎn)而言，分宜站負(fù)離子濃度一般，空氣清新度一般。負(fù)離子濃度呈現(xiàn)明顯的年變化特征，夏、秋季高，冬、春季低。日變化規(guī)律，3～8和11月下午高于上午，其他各月均為上午略高于下午。陣雨、間歇性小雨和雷暴天氣過后，負(fù)離子濃度明顯升高。負(fù)離子濃度與云量、風(fēng)速、相對濕度等氣象要素的相關(guān)關(guān)系不太明顯。

開展負(fù)離子觀測、預(yù)報(bào)及研究可以指導(dǎo)公眾合理安排日常生活，促進(jìn)身心健康，特別是對于有特殊需求的敏感人群預(yù)防和控制疾病，恢復(fù)健康具有重要的意義。優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境為地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了良好的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)。負(fù)離子濃度是衡量生態(tài)保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、旅游度假區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，針對重點(diǎn)旅游景區(qū)開展負(fù)離子的觀測、預(yù)報(bào)與服務(wù)，不僅可以對公眾進(jìn)行正確的引導(dǎo)和服務(wù)，且對提升重點(diǎn)旅游景點(diǎn)的生態(tài)價(jià)值和品位、增加地方旅游收入、促進(jìn)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要作用。空氣中負(fù)離子濃度與當(dāng)?shù)貧庀髼l件有直接關(guān)系，研究負(fù)離子與天氣氣候的關(guān)系，提示其影響變化規(guī)律，有利于提高天氣氣候預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，提高防災(zāi)減災(zāi)水平。負(fù)離子的分布特征和濃度水平可以用于區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，為預(yù)防和控制大氣環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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