一种基于时空滞后累积机制的河冰冰厚和开河预报方法与流程

本发明涉及河冰监测与预报，特别涉及一种基于时空滞后累积机制的河冰冰厚和开河预报方法。

背景技术：

1、河冰灾害是高纬度地区流域防洪安全与生态稳定的共性威胁。黄河作为我国北方重要生态廊道，其凌汛灾害防控是落实黄河流域生态保护和高质量发展的关键环节。开河期是黄河防凌最危险的阶段：当上游河段先行解冻而下游仍处于封冻状态时，极易形成冰坝，导致局部水位陡涨，进而引发漫堤、决口等重大险情。黄河内蒙古河段受特殊地理气候条件影响，封河、开河时空倒置现象突出。

2、目前，开河预报方法主要分为指标法、经验相关法及基于数据驱动的神经网络模型等几类。然而，上述现有技术在机理建模和模型架构层面存在以下系统性缺陷：

3、（一）没有能充分纳入河冰生消演变的关键物理机制。河冰厚度变化受热力、水力及气象因素综合控制，其中冰体温度对气温变化的延迟响应、径流热通量对冰盖底部的融蚀作用，以及冰厚沿河道纵向的空间衰减规律，均为决定开河进程的核心物理过程。但现有模型或依赖简化统计关系，或直接采用纯数据拟合方式，没有将上述过程的控制方程或物理约束嵌入预报框架，导致模型在极端气温波动或流量突变条件下的泛化能力和外推可靠性明显不足。

4、（二）没有能有效表征冰厚在时空维度上的耦合演化规律。河冰厚度的变化不仅取决于当前时刻的环境输入，还受前期累积热力条件的持续影响，即存在显著的时间滞后依赖性；同时，沿程各断面冰厚并非独立演化，而是受上游来冰、水流输运及河道形态影响，呈现较强的空间关联性。现有技术多采用单断面独立预报或静态空间插值手段，缺乏融合时间记忆模块与空间邻接关系的联合建模方案，因而无法准确描述冰厚在时空过程中的累积、传递与衰减效应，更难以预判开河进程中可能出现的突变节点。

5、上述缺陷直接导致现有预报结果在时效性和可靠性上难以满足防凌调度实际需求，误报、漏报风险较高，亟需发展能够深度融合物理机制与时空动态关联的新型预报技术。

技术实现思路

1、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、本发明的一方面，提供一种基于时空滞后累积机制的河冰冰厚和开河预报方法，包含以下步骤：

3、获取目标河段内各监测断面的原始观测记录，每条记录至少包含采集时间、断面位置或设备编号、环境温度实测值，同时从水文部门获取对应时段和断面的流量序列资料，以及拟合时段内各断面的人工冰厚实测数据。对所获取的原始数据执行清洗操作：将采集时间列统一转换为连续的时间戳格式，剔除超出物理合理范围即低于零下五十摄氏度或高于五十摄氏度的温度记录，并将因测量误差产生的冰厚负值强制归零。以清洗后的冰厚实测序列为分割依据，逐一检查各断面冰厚记录的有效性，将最后一个非空且非负的冰厚值所对应的时间节点确定为分割点，分割点之前包括分割点在内的全部数据归入拟合段数据集，分割点之后的数据归入预测段数据集，并在两个数据集中分别添加标识列用以区分数据类型。将分割后且带有标记的拟合段与预测段数据按照时间和断面两个维度分别进行重排，得到时间维度长度为总记录天数、空间维度长度为总断面个数的二维温度矩阵、二维流量矩阵以及二维冰厚矩阵，其中冰厚矩阵在拟合段各元素填入实测数值，在预测段各元素暂置为空缺值。对二维温度矩阵执行非线性归一化处理，将原始摄氏温度值除以根据研究区域历史温度绝对值包络线确定的基准温度范围后，经由双曲正切函数映射至闭区间负一至正一内，并通过对温度矩阵中负值元素与正值元素执行差异化的符号变换和幅值调整，同时结合前一时刻同位置的冰厚值以及融冰强化系数，分别生成结冰条件与融冰条件下的温度激励分量矩阵；对二维流量矩阵执行线性归一化处理，将原始流量值除以预设的基准流量值后截断至零至一闭区间，并根据同位置温度归一化值的正负以及前一时刻的冰厚值，分别生成结冰期与融冰期的流量激励分量矩阵；将经上述处理所得的温度激励分量矩阵与流量激励分量矩阵按预设权重进行逐元素加权求和，获得综合环境激励矩阵，综合环境激励矩阵的每个元素表征对应时空位置的外部驱动强度；

4、将待预报河段概化为一个受连续时空分布激励的线性响应系统，冰厚在任一时刻、任一断面处的数值由初始时刻同一断面的初始冰厚值与外部激励引起的增量两部分叠加决定，外部激励引起的增量通过对综合环境激励矩阵执行二维卷积积分运算获得。上述卷积积分运算采用一个可分离的二维卷积核作为单位冲击响应函数，此核函数由时间衰减分量与空间衰减分量叠加构成：时间衰减分量以指数衰减形式描述单位激励在时间维度上的滞后累积效应，衰减速率由第一时间衰减系数控制；空间衰减分量以指数衰减形式描述上游单位激励在沿程传播过程中对下游断面的影响强度，衰减速率由第二空间衰减系数控制。在每个时间步长内，针对每个空间断面，将当前时空位置的综合环境激励值与二维卷积核进行局部加权求和，得到当前时空位置的冰厚变化量；若当前激励指示结冰条件，冰厚变化量取正值且正比于激励强度与核函数值的乘积；若当前激励指示融冰条件，冰厚变化量取负值，绝对值正比于激励强度、核函数值以及前一时刻同一断面冰厚值三者的乘积并额外乘以融冰强化系数；每次更新后对当前断面的冰厚计算值施加非负约束，将小于零的计算结果强制置零，获得当前断面在当前时刻的冰厚更新值。沿时间轴顺序推进，逐时步对全河段各断面执行上述卷积运算和冰厚更新操作，直至覆盖整个预报时段，获得全时段、全断面的冰厚计算值序列；

5、将冰生长基础系数、空间影响系数、时间衰减系数、空间衰减系数、流量影响系数、温度权重系数以及融冰强化系数共同作为待率定的模型参数集合，并为每个参数设定相应的搜索范围。从拟合段数据集中提取实测冰厚序列作为率定真值，仅利用拟合段数据参与参数优化，预测段数据不参与率定过程。以拟合段各断面、各时刻的模型计算冰厚值与实测冰厚值之间的平均绝对误差作为精度损失项，同时计算实测冰厚序列与模型计算冰厚序列各自的一阶差分序列之间的皮尔逊相关系数，并以一减去此相关系数后与预设的趋势惩罚权重相乘的结果作为趋势损失项，将精度损失项与趋势损失项相加构成总损失函数。初始化由若干粒子组成的种群，每个粒子的位置向量对应一组模型参数组合，速度向量在参数搜索范围内随机初始化；采用线性递减惯性权重策略更新各粒子的飞行速度与位置，即惯性权重随迭代轮次增加从初始值逐步递减至终止值，使粒子群在搜索前期具有较大的全局探索能力，在搜索后期逐渐转向局部精细搜索；每一轮迭代中，将各粒子所代表的参数组合代入二维卷积冰厚演化模型，计算拟合段各断面各时刻的冰厚值并据此评估总损失函数，记录每个粒子的历史最优位置以及整个种群的全局最优位置；在迭代过程中监测全局最优损失值的变化幅度，若连续若干轮次损失值的下降量均低于预设收敛阈值，则提前终止迭代并输出当前全局最优粒子所对应的参数组合作为率定结果；

6、将率定所得的最优参数组合代入二维卷积冰厚演化模型，以全时段即拟合段与预测段共同构成的综合环境激励矩阵作为输入，重新执行逐时步、逐断面的卷积运算与冰厚更新过程，获得全时段、全断面的冰厚预报序列。提取预测段内各断面的冰厚预报时间序列，逐一判断各时刻冰厚值是否首次小于或等于预设的开河判定阈值，开河判定阈值介于零至零点零五米之间；若某一断面预测段内存在冰厚穿越开河判定阈值的时刻点，且时刻点前一记录时刻的冰厚值大于开河判定阈值、后一记录时刻的冰厚值小于或等于开河判定阈值，则以前后两个记录时刻为端点进行线性插值，将插值所得时间点作为此断面的预报开河日期；若预测段内所有时刻的冰厚值均大于开河判定阈值，则判定断面在预测期内未达到开河条件并输出相应提示；若预测段内所有时刻的冰厚值均小于或等于开河判定阈值，则取预测段起始时刻作为此断面的预报开河日期。将全时段各断面各时刻的冰厚预报值与开河日期判定结果组合生成预报结果数据集，同时将最终采用的模型参数组合以及基于拟合段数据计算的精度评价指标一并添入结果数据集，以数值表格和时序曲线图两种形式输出，并在时序曲线图上以标记线标示拟合段与预测段的分界位置以及各断面的预报开河日期点。

7、本发明通过时空滞后累积机制建立冰厚演变的动态模型，融合多源环境驱动因子，量化结冰与融冰过程的非线性响应特性，实现冰厚及开河日期的精确预报；具有明确的物理基础，适应性强的参数优化策略，以及高效的数据处理流程，能够显著提升河冰预报的精度和实用性。