产水量预测方法和装置及电子设备

本技术涉及生态预测，尤其涉及一种产水量预测方法和装置及电子设备。

背景技术：

1、产水量评估是流域水资源评价、生态系统服务功能评估、水源涵养能力分析以及区域水资源管理中的重要技术内容。现有产水量评估通常需要以降水量、蒸散发、土地覆被、土壤性质、地形条件等空间数据作为输入，并基于水量平衡关系计算目标流域内不同空间单元的产水量。随着遥感反演、再分析资料和地理信息系统技术的发展，降水栅格产品或网格化降水数据被广泛用于区域尺度的产水量计算，以弥补气象站点观测数据空间覆盖不足的问题。

2、在实际应用中，尤其是在地形起伏显著、降水空间差异较大且气象站点分布不均的地区，降水数据的空间代表性直接影响产水量预测结果的准确性。例如，西南山区等区域受地形抬升、局地环流和垂直气候差异影响，降水量在空间上具有较强非均匀性，而气象站点往往集中分布于交通便利或人口聚集区域，站点空间分布与真实降水空间分布并不完全对应。此时，仅依赖站点观测数据进行空间拟合，容易导致局部区域降水估计偏高或偏低。

3、另一方面，现有卫星反演降水产品、再分析降水产品、气象插值降水产品以及站点融合降水产品虽然能够提供连续空间覆盖，但不同来源的降水网格数据在复杂地形区域的模拟能力存在差异。部分降水产品在站点稀疏区域缺乏有效约束，部分产品又可能因空间分辨率、反演算法或再分析模式误差而不能准确反映局地降水变化。因此，直接将未经校正的降水网格数据输入产水量计算过程，容易导致区域产水量预测结果产生系统性偏差。

4、现有技术中，常见的降水校正方法多采用简单比例校正、反距离加权插值或站点残差插值等方式，将气象站点处的观测误差向周边区域扩展。然而，这类方法通常主要考虑空间距离因素，难以充分结合温度、地形等影响降水空间分异的环境因子，也难以根据不同观测时段下的降水空间分布动态调整校正权重。此外，常规插值校正过程通常缺少对校正系数空间异常波动的稳定性处理，局部异常站点或局部异常校正系数可能被直接传播至相邻网格，进一步影响产水量计算精度。

5、因此，针对气象站点分布稀疏、站点分布与降水分布不匹配、多源降水网格数据模拟效果不稳定等情形，有必要提供一种能够结合站点观测、网格化降水数据、地形数据、温度数据以及产水计算参数的产水量预测方法，以提高降水校正结果在复杂地形和降水非均匀区域中的空间适应性和稳定性，并进一步提高目标流域产水量预测结果的可靠性。

技术实现思路

1、本技术提供一种产水量预测方法和装置及电子设备，以解决现有技术中由于气象站点分布稀疏、站点分布与降水分布不匹配导致产水量预测准确性低的问题。

2、本技术实施例提供一种产水量预测方法，包括：获取目标流域对应的网格化基底数据、降水观测数据和待校正降水网格数据，网格化基底数据包括目标流域内各网格单元的位置信息、地形数据、温度数据、网格面积和产水计算参数，降水观测数据包括目标流域内各气象站点在多个观测时段对应的实测降水量，待校正降水网格数据包括目标流域内各网格单元在多个观测时段对应的待校正降水量；根据各气象站点的位置信息和各网格单元的位置信息，将目标流域内的网格单元划分为含站网格单元和待推算网格单元；根据含站网格单元对应气象站点的实测降水量和待校正降水网格数据，确定含站网格单元在各观测时段对应的站点级校正系数；根据待校正降水网格数据、温度数据、地形数据、站点级校正系数，以及含站网格单元与待推算网格单元之间的空间距离和环境关联信息，确定待推算网格单元在各观测时段对应的网格级校正系数；根据站点级校正系数和网格级校正系数，确定各网格单元在各观测时段对应的原降水校正系数，并根据各网格单元对应的原降水校正系数之间的邻域差异，对各网格单元对应的原降水校正系数进行稳定性调节，得到各网格单元在各观测时段对应的调节后降水校正系数；根据各网格单元在各观测时段对应的调节后降水校正系数，对待校正降水网格数据中对应网格单元在对应观测时段的待校正降水量进行校正，得到各网格单元在各观测时段对应的校正后降水量；根据校正后降水量、产水计算参数和网格面积，计算各网格单元对应的产水量预测值，并根据各网格单元对应的产水量预测值生成目标流域对应的产水量预测结果。

3、根据本技术实施例，网格单元划分过程包括：根据各气象站点的位置信息和各网格单元的位置信息，将包含气象站点的网格单元确定为含站网格单元，并将目标流域内除含站网格单元之外的其他网格单元确定为待推算网格单元；站点级校正系数确定过程包括：针对每一含站网格单元，根据该含站网格单元对应气象站点在各观测时段对应的实测降水量，以及该含站网格单元在待校正降水网格数据中对应的待校正降水量，确定该含站网格单元在各观测时段对应的站点级校正系数；网格级校正系数确定过程包括：根据降水空间分布特征、温度因子权重、地形因子权重、站点代表性参数、耦合推算权重以及站点级校正系数，得到待推算网格单元在各观测时段对应的网格级校正系数；稳定性调节过程包括：根据原降水校正系数、邻域网格单元集合、系数差异值、稳定邻域网格单元、稳定参考校正系数和稳定调节系数，得到调节后降水校正系数；产水量计算过程包括：根据校正后降水量和产水计算参数确定校正降水输入量和实际蒸散发量，根据校正降水输入量与实际蒸散发量之间的差值确定单位面积产水深度，并结合网格面积计算产水量预测值。

4、根据本技术实施例，位置信息包括各网格单元在预设坐标系下的坐标数据；地形数据包括基于数字高程模型确定的各网格单元对应的海拔高度数据、坡度数据、坡向数据和地形起伏度数据中的一种或多种；温度数据包括各网格单元在多个观测时段对应的气温数据；产水计算参数包括潜在蒸散发参量、土壤性质参量、植被参量、土地覆被参量、根系深度参量和土壤深度参量中的一种或多种。

5、根据本技术实施例，获取目标流域对应的网格化基底数据、降水观测数据和待校正降水网格数据，包括：获取目标流域对应的多源候选降水网格数据集，多源候选降水网格数据集包括基于不同来源得到的两个或两个以上候选降水网格数据，每一候选降水网格数据包括目标流域内各网格单元在多个观测时段对应的候选拟合降水量；针对每一候选降水网格数据，根据该候选降水网格数据在各气象站点所归属网格单元上的候选拟合降水量，以及降水观测数据中对应气象站点的实测降水量，计算该候选降水网格数据对应的拟合优度指标；按照拟合优度指标对应的预设优选规则，从多源候选降水网格数据集中选取候选降水网格数据作为待校正降水网格数据。

6、根据本技术实施例，多源候选降水网格数据集中的候选降水网格数据包括基于卫星反演降水产品、再分析降水产品、气象插值降水产品和站点融合降水产品中的两种或两种以上来源得到的网格化降水数据。

7、根据本技术实施例，计算候选降水网格数据对应的拟合优度指标，包括：将该候选降水网格数据在各气象站点所归属网格单元上的候选拟合降水量按预设拟合时间尺度进行聚合，得到候选聚合降水量；将各气象站点对应的实测降水量按预设拟合时间尺度进行聚合，得到实测聚合降水量；根据候选聚合降水量和实测聚合降水量构建站点级配对样本；基于站点级配对样本计算决定系数，并将决定系数作为拟合优度指标。

8、根据本技术实施例，多个观测时段为月尺度观测时段，预设拟合时间尺度包括年尺度；按照拟合优度指标对应的预设优选规则，从多源候选降水网格数据集中选取候选降水网格数据作为待校正降水网格数据，包括：从多源候选降水网格数据集中选取决定系数最大的候选降水网格数据作为待校正降水网格数据。

9、根据本技术实施例，确定含站网格单元在各观测时段对应的站点级校正系数，包括：当该含站网格单元对应一个气象站点时，将该气象站点在对应观测时段的实测降水量作为该含站网格单元在该观测时段对应的网格代表实测降水量；当该含站网格单元对应多个气象站点时，对多个气象站点在对应观测时段的实测降水量进行统计处理，得到该含站网格单元在该观测时段对应的网格代表实测降水量；根据该含站网格单元在该观测时段对应的网格代表实测降水量和待校正降水量，确定该含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数。

10、根据本技术实施例，统计处理包括平均处理、距离加权平均处理、中位数处理、异常值剔除处理和可信度加权处理中的至少一种。

11、根据本技术实施例，根据网格代表实测降水量和待校正降水量确定站点级校正系数，包括：将该含站网格单元在该观测时段对应的网格代表实测降水量与该含站网格单元在该观测时段对应的待校正降水量之间的比值，作为该含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数；当该含站网格单元在该观测时段对应的待校正降水量小于预设降水阈值时，根据网格代表实测降水量与预设降水阈值之间的比值，确定该含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数。

12、根据本技术实施例，确定温度因子权重和地形因子权重，包括：针对该观测时段，从待校正降水网格数据中提取目标流域内各网格单元对应的待校正降水量，得到该观测时段对应的降水分布样本；从温度数据中提取目标流域内各网格单元在该观测时段对应的气温数据，得到该观测时段对应的温度分布样本；从地形数据中提取目标流域内各网格单元对应的地形特征值，得到地形分布样本；根据降水分布样本和温度分布样本，计算该观测时段对应的温度相关性度量；根据降水分布样本和地形分布样本，计算该观测时段对应的地形相关性度量；根据温度相关性度量和地形相关性度量之间的相对大小，确定该观测时段对应的温度因子权重和地形因子权重。

13、根据本技术实施例，温度相关性度量包括基于降水分布样本和温度分布样本计算得到的决定系数；地形相关性度量包括基于降水分布样本和地形分布样本计算得到的决定系数。

14、根据本技术实施例，根据温度相关性度量和地形相关性度量之间的相对大小，确定该观测时段对应的温度因子权重和地形因子权重，包括：将该观测时段对应的温度相关性度量与温度相关性度量和地形相关性度量之和的比值，作为该观测时段对应的温度因子权重；将该观测时段对应的地形相关性度量与温度相关性度量和地形相关性度量之和的比值，作为该观测时段对应的地形因子权重。

15、根据本技术实施例，确定站点代表性参数，包括：针对每一含站网格单元，根据该含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数，与预设范围内其他含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数之间的差异，确定该含站网格单元对应的局部校正差异值；根据局部校正差异值确定该含站网格单元在该观测时段对应的站点代表性参数，局部校正差异值越大，站点代表性参数越小。

16、根据本技术实施例，确定耦合推算权重，包括：针对该待推算网格单元和每一含站网格单元，根据该待推算网格单元与该含站网格单元之间的空间距离，确定距离衰减权重；根据该待推算网格单元与该含站网格单元之间的温度差异，确定温度关联权重；根据该待推算网格单元与该含站网格单元之间的地形差异，确定地形关联权重；根据该观测时段对应的温度因子权重和地形因子权重，对温度关联权重和地形关联权重进行加权组合，得到该待推算网格单元相对于该含站网格单元的环境关联权重；根据距离衰减权重、环境关联权重和该含站网格单元对应的站点代表性参数，确定该待推算网格单元相对于该含站网格单元的初始推算权重；对该待推算网格单元相对于各含站网格单元的初始推算权重进行归一化处理，得到该待推算网格单元相对于各含站网格单元的耦合推算权重。

17、根据本技术实施例，确定距离衰减权重，包括：根据该待推算网格单元与该含站网格单元之间的空间距离的负幂次方，确定距离衰减权重，负幂次方对应的距离衰减指数为预设取值。

18、根据本技术实施例，确定温度关联权重，包括：对该待推算网格单元与该含站网格单元在对应观测时段的气温数据之间的差异进行归一化处理，并根据归一化后的温度差异确定温度关联权重，使温度差异越小，温度关联权重越大；确定地形关联权重，包括：对该待推算网格单元与该含站网格单元的地形特征值之间的差异进行归一化处理，并根据归一化后的地形差异确定地形关联权重，使地形差异越小，地形关联权重越大。

19、根据本技术实施例，确定初始推算权重，包括：将距离衰减权重、环境关联权重和该含站网格单元对应的站点代表性参数相乘，得到该待推算网格单元相对于该含站网格单元的初始推算权重。

20、根据本技术实施例，得到网格级校正系数，包括：将该待推算网格单元相对于各含站网格单元的耦合推算权重作为权重，对各含站网格单元在该观测时段对应的站点级校正系数进行加权求和，得到加权和值；将加权和值与各耦合推算权重之和之间的比值，作为该待推算网格单元在该观测时段对应的网格级校正系数。

21、根据本技术实施例，确定调节后降水校正系数，包括：计算该网格单元对应的原降水校正系数与稳定参考校正系数之间的差值绝对值，得到稳定偏离值；根据稳定偏离值与预设偏离阈值之间的比值，确定该网格单元在该观测时段对应的稳定调节系数，稳定偏离值越大，稳定调节系数越小；根据稳定调节系数对该网格单元对应的原降水校正系数进行加权，并根据一与稳定调节系数之差对稳定参考校正系数进行加权，将加权结果之和确定为该网格单元在该观测时段对应的调节后降水校正系数。

22、根据本技术实施例，在确定待推算网格单元在各观测时段对应的网格级校正系数之前，还包括：针对站点级校正系数中存在的极端取值，按照预设异常处理规则进行剔除或限幅处理，并将处理后的站点级校正系数用于确定网格级校正系数。

23、根据本技术实施例，方法还包括：针对待推算网格单元中相对于全部含站网格单元的耦合推算权重的最大值低于预设关联下限的目标待推算网格单元，按照预设保守策略对该目标待推算网格单元在对应观测时段的网格级校正系数进行赋值；预设保守策略包括将网格级校正系数设置为不引入校正修正的中性值，或者将网格级校正系数设置为全域站点级校正系数的中位数。

24、根据本技术实施例，得到校正后降水量，包括：针对每一网格单元和每一观测时段，将该网格单元在该观测时段对应的待校正降水量与该网格单元在该观测时段对应的调节后降水校正系数相乘，得到该网格单元在该观测时段对应的校正后降水量。

25、根据本技术实施例，确定校正降水输入量和实际蒸散发量，包括：针对每一网格单元，对该网格单元在目标计算时段内各观测时段对应的校正后降水量进行累加，得到该网格单元在目标计算时段对应的校正降水输入量；根据该网格单元对应的产水计算参数确定该网格单元在目标计算时段对应的潜在蒸散发量和蒸散发调节系数；根据校正降水输入量、潜在蒸散发量和蒸散发调节系数，确定该网格单元在目标计算时段对应的实际蒸散发量。

26、根据本技术实施例，确定实际蒸散发量，包括：根据潜在蒸散发量与校正降水输入量之间的比值，确定干燥度指数；根据干燥度指数和蒸散发调节系数，确定实际蒸散发比例；根据实际蒸散发比例和校正降水输入量，确定该网格单元在目标计算时段对应的实际蒸散发量。

27、根据本技术实施例，在根据各网格单元对应的产水量预测值生成目标流域对应的产水量预测结果之后，还包括：根据预设子流域内各网格单元对应的产水量预测值进行汇总，得到预设子流域对应的子流域产水量预测值；根据子流域产水量预测值和预设子流域对应的实测径流量数据，计算预设子流域对应的水源涵养量。

28、根据本技术实施例，方法还包括：根据预设子流域内各网格单元对应的产水量预测值进行汇总，得到预设子流域对应的子流域产水量预测值；根据子流域产水量预测值与预设子流域对应的实测径流量之间的偏离程度，对温度因子权重、地形因子权重、距离衰减权重的距离衰减指数和稳定调节系数中的至少一项进行反馈核验；根据反馈核验结果对各网格单元在各观测时段对应的调节后降水校正系数进行迭代调整；基于迭代调整后的调节后降水校正系数，重新执行待校正降水量的校正和产水量预测值的计算，直至迭代调整后对应的偏离程度满足预设收敛条件。

29、根据本技术实施例，在确定站点级校正系数之前，还包括对网格化基底数据、降水观测数据和待校正降水网格数据执行数据预处理；数据预处理包括以下至少一项：将网格化基底数据、降水观测数据和待校正降水网格数据统一至同一坐标系；将网格化基底数据和待校正降水网格数据在统一空间分辨率上重采样并保持网格对齐；将降水观测数据按照站点编号、经度、纬度和累计降水量字段组织为矢量点数据；去除降水观测数据中的异常值；对降水观测数据进行缺失值插补；将降水观测数据按多个观测时段对应的时间粒度进行时间聚合处理。

30、根据本技术实施例，方法还包括：输出校正后降水量数据、原降水校正系数数据、调节后降水校正系数数据、产水量预测结果、温度因子权重时序数据、地形因子权重时序数据、环境关联权重数据、产水量时序数据、子流域产水量统计结果和水源涵养量数据中的一种或多种。

31、本技术实施例还提供一种产水量预测装置，包括数据获取模块、网格划分模块、站点校正模块、网格推算模块、稳定调节模块、降水校正模块和产水计算模块；数据获取模块用于获取目标流域对应的网格化基底数据、降水观测数据和待校正降水网格数据；网格划分模块用于将目标流域内的网格单元划分为含站网格单元和待推算网格单元；站点校正模块用于确定含站网格单元在各观测时段对应的站点级校正系数；网格推算模块用于确定待推算网格单元在各观测时段对应的网格级校正系数；稳定调节模块用于对原降水校正系数进行稳定性调节，得到调节后降水校正系数；降水校正模块用于得到各网格单元在各观测时段对应的校正后降水量；产水计算模块用于计算各网格单元对应的产水量预测值，并生成目标流域对应的产水量预测结果。

32、本技术实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器；存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使处理器执行上述任一项产水量预测方法。

33、本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一项产水量预测方法。

34、本技术实施例提供的产水量预测方法和装置及电子设备，先基于气象站点位置和网格单元位置区分含站网格单元与待推算网格单元，再利用含站网格单元处实测降水量与待校正降水量之间的差异确定站点级校正系数，并进一步结合待校正降水网格数据反映的降水空间分布特征、温度数据、地形数据、空间距离和环境关联信息，将站点处的校正信息推算至缺少站点约束的待推算网格单元，同时根据原降水校正系数之间的邻域差异进行稳定性调节，以得到更适合逐网格降水校正的调节后降水校正系数；由此，在气象站点分布稀疏、站点分布与真实降水空间分布不匹配、多源降水网格数据在复杂地形区域模拟效果不佳的情况下，能够减少单纯依赖站点拟合或直接使用未校正降水网格数据造成的区域降水偏差，并使校正后降水量更接近目标流域内降水的空间差异特征，进而通过校正后降水量、产水计算参数和网格面积计算产水量预测值，提高降水分布不均匀地区，尤其是地形复杂且站点代表性不足地区的产水量预测精度和空间可靠性。

35、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。