极端降水研究方法

‘壹’ 极端强降水发生的原因有哪些

‘贰’ 极端气温、降雨-洪水模型(BP神经网络)的建立

极端气温、降雨与洪水之间有一定的联系。根据1958～2007年广西西江流域极端气温、极端降雨和梧州水文站洪水数据，以第5章相关分析所确定的显着影响梧州水文站年最大流量的测站的相应极端气候因素(表4.22)为输入，建立人工神经网络模型。

4.5.1.1 BP神经网络概述

(1)基于BP算法的多层前馈网络模型

采用BP算法的多层前馈网络是至今为止应用最广泛的神经网络，在多层的前馈网的应用中，如图4.20所示的三层前馈网的应用最为普遍，其包括了输入层、隐层和输出层。

图4.20 典型的三层BP神经网络结构

在正向传播中，输入信息从输入层经隐含层逐层处理，并传向输出层。如果输出层不能得到期望的输出结果，则转入反向传播，将误差信号沿原来的连同通路返回，通过修改各层神经元的权值，使得误差最小。BP算法流程如图4.21所示。

图4.21 BP算法流程图

容易看出，BP学习算法中，各层权值调整均由3个因素决定，即学习率、本层输出的误差信号以及本层输入信号y(或x)。其中，输出层误差信号同网络的期望输出与实际输出之差有关，直接反映了输出误差，而各隐层的误差信号与前面各层的误差信号都有关，是从输出层开始逐层反传过来的。

1988年，Cybenko指出两个隐含层就可表示输入图形的任意输出函数。如果BP网络只有两个隐层，且输入层、第一隐含层、第二隐层和输出层的单元个数分别为n，p，q，m，则该网络可表示为BP(n，p，q，m)。

(2)研究区极端气温、极端降雨影响年最大流量过程概化

极端气温、极端降雨影响年最大流量的过程极其复杂，从极端降雨到年最大流量，中间要经过蒸散发、分流、下渗等环节，受到地形、地貌、下垫面、土壤地质以及人类活动等多种因素的影响。可将一个极端气候-年最大流量间复杂的水过程概化为小尺度的水系统，该水系统的主要影响因子可通过对年最大流量影响显着的站点的极端气温和极端降雨体现出来，而其中影响不明显的站点可忽略，从而使问题得以简化。

BP神经网络是一个非线形系统，可用于逼近非线形映射关系，也可用于逼近一个极为复杂的函数关系。极端气候-年最大流量水系统是一个非常复杂的映射关系，可将之概化为一个系统。BP神经网络与研究流域的极端气候-年最大流量水系统的结构是相似的，利用BP神经网络，对之进行模拟逼近。

(3)隐含层单元数的确定

隐含层单元数q与所研究的具体问题有关，目前尚无统一的确定方法，通常根据网络训练情况采用试错法确定。在训练中网络的收敛采用输出值Y_kp与实测值t_p的误差平方和进行控制

变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究

作者认为，虽然现今的BP神经网络还是一个黑箱模型，其参数没有水文物理意义，在本节的研究过程中，将尝试着利用极端气候空间分析的结果来指导隐含层神经元个数的选取。

(4)传递函数的选择

BP神经网络模型算法存在需要较长的训练时间、完全不能训练、易陷入局部极小值等缺点，可通过对模型附加动量项或设置自适应学习速率来改良。本节采用MATLAB工具箱中带有自适应学习速率进行反向传播训练的traingdm()函数来实现。

(5)模型数据的归一化处理

由于BP网络的输入层物理量及数值相差甚远，为了加快网络收敛的速度，使网络在训练过程中易于收敛，对输入数据进行归一化处理，即将输入的原始数据都化为0～1之间的数。本节将年极端最高气温的数据乘以0.01;将极端最低气温的数据乘以0.1;年最大1d、3d、7d降雨量的数据乘以0.001;梧州水文站年最大流量的数据乘以0.00001，其他输入数据也按类似的方法进行归一化处理。

(6)年最大流量的修正

梧州水文站以上的流域集水面积为32.70万km²，广西境内流域集水面积为20.24万km²，广西境内流域集水面积占梧州水文站以上的流域集水面积的61.91%。因此，选取2003～2007年梧州水文站年最大流量和红水河的天峨水文站年最大流量，分别按式4.10计算每年的贡献率(表4.25)，取其平均值作为广西西江流域极端降雨对梧州水文站年最大流量的平均贡献率，最后确定平均贡献率为76.88%。

变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究

表4.25 2003～2007年极端降雨对梧州水文站年最大流量的贡献率

建立“年极端气温、降雨与梧州年最大流量模型”时，应把平均贡献率与梧州水文站年最大流量的乘积作为模型输入的修正年最大流量，而预测的年最大流量应该为输出的年最大流量除以平均贡献率76.88%，以克服极端气温和降雨研究范围与梧州水文站集水面积不一致的问题。

4.5.1.2年极端气温、年最大1d降雨与梧州年最大流量的BP神经网络模型

(1)模型的建立

以1958～1997年年极端最高气温、年极端最低气温、年最大1d降雨量与梧州水文站年最大流量作为学习样本拟合、建立“年极端气温、年最大1d降雨-梧州年最大流量BP神经网络模型”。以梧州气象站的年极端最高气温，桂林、钦州气象站的年极端最低气温，榜圩、马陇、三门、黄冕、沙街、勾滩、天河、百寿、河池、贵港、金田、平南、大化、桂林、修仁、五将雨量站的年最大1d降雨量为输入，梧州水文站年最大流量为输出，隐含层层数取2，建立(19，p，q，1)BP神经网络模型，其中神经元数目p，q经试算分别取16和3，第一隐层、第二隐层的神经元采用tansig传递函数，输出层的神经元采用线性传递函数，训练函数选用traingdm，学习率取0.1，动量项取0.9，目标取0.0001，最大训练次数取200000。BP网络模型参数见表4.26，结构如图4.22所示。

图4.22年极端气温、年最大1d降雨-梧州年最大流量BP模型结构图

表4.26 BP网络模型参数一览表

从结构上分析，梧州水文站年最大流量产生过程中，年最高气温、年最低气温和各支流相应的流量都有其阈值，而极端气温和极端降雨是其输入，年最大流量是其输出，这类似于人工神经元模型中的阈值、激活值、输出等器件。输入年最大1d降雨时选用的雨量站分布在14条支流上(表4.27)，极端降雨发生后，流经14条支流汇入梧州，在这一过程中极端气温的变化影响极端降雨的蒸散发，选用的雨量站分布在年最大1d降雨四个自然分区的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个区。该过程可与BP神经网络结构进行类比(表4.28)，其中， 14条支流相当于第一隐含层中的14个神经元，年最高气温和年最低气温相当于第一隐含层中的2个神经元，年最大1d降雨所在的3个分区相当于第二隐含层的3个神经元，年最高气温、年最低气温的影响值和各支流流量的奉献值相当于隐含层中人工神经元的阈值，从整体上来说，BP神经网络的结构已经灰箱化。

表4.27 选用雨量站所在支流一览表

表4.28 BP神经网络构件物理意义一览表

(2)训练效果分析

训练样本为40个，经过113617次训练，达到精度要求。在命令窗口执行运行命令，网络开始学习和训练，其训练过程如图4.23所示，训练结果见表4.29和图4.24。

表4.29年最大流量训练结果

图4.23 神经网络训练过程图

图4.24年最大流量神经网络模型训练结果

从图4.26可知，训练后的BP网络能较好地逼近给定的目标函数。从训练样本检验结果(表4.5)可得:1958～1997年40年中年最大流量模拟值与实测值的相对误差小于10%和20%的分别为39年，40年，合格率为100%。说明“年极端气温、年最大1d降雨- 梧州年最大流量预测模型”的实际输出与实测结果误差很小，该模型的泛化能力较好，模拟结果较可靠。

(3)模型预测检验

把1998～2007年梧州气象站的年极端最高气温，桂林、钦州气象站的年极端最低气温，榜圩、马陇、三门、黄冕、沙街、勾滩、天河、百寿、河池、贵港、金田、平南、大化、桂林、修仁、五将雨量站的年最大1d降雨量输入到“年极端气温、年最大1d降雨梧州年最大流量BP神经网络模型”。程序运行后网络输出预测值与已知的实际值进行比较，其预测检验结果见图4.25，表4.30。

图4.25年最大流量神经网络模型预测检验结果

表4.30 神经网络模型预测结果与实际结果比较

从预测检验结果可知:1998～2007年10年中年最大流量模拟值与实测值的相对误差小于20%的为9年，合格率为90%，效果较好。

4.5.1.3年极端气温、年最大7d降雨与梧州年最大流量的BP神经网络模型

(1)模型的建立

以1958～1997年年极端最高气温、年极端最低气温、年最大7d降雨量和梧州水文站年最大流量作为学习样本来拟合、建立“年极端气温、年最大7d降雨- 梧州年最大流量BP神经网络模型”。以梧州气象站的年极端最高气温，桂林、钦州气象站的年极端最低气温，凤山、都安、马陇、沙街、大湟江口、大安、大化、阳朔、五将雨量站的年最大7d降雨量为输入，梧州水文站年最大流量为输出，隐含层层数取2，建立(12，p，q，1)BP神经网络模型，其中，神经元数目p，q经试算分别取10和4，第一隐层、第二隐层的神经元采用tansig传递函数，输出层的神经元采用线性传递函数，训练函数选用traingdm，学习率取0.1，动量项取0.9，目标取0.0001，最大训练次数取200000。BP网络模型参数见表4.31，结构如图4.26所示。

表4.31 BP网络模型参数一览表

图4.26年极端气温、年最大7d降雨-梧州年最大流量BP模型结构图

本节输入年最大7d降雨时选用的雨量站分布在8条支流上(表4.32)，在发生极端降雨后，流经8条支流汇入梧州，在这一过程中极端气温的变化影响极端降雨的蒸散发，且选用的雨量站分布在年最大7d降雨四个自然分区的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区中。该过程可与BP神经网络结构进行类比(表4.33)，其中，8条支流相当于第一隐含层中的8个神经元，年最高气温和年最低气温相当于第一隐含层中的2个神经元，年最大7d降雨所在的4个分区相当于第二隐含层的4个神经元，整体上来说，BP神经网络的结构已经灰箱化。

表4.32 选用雨量站所在支流一览表

表4.33 BP神经网络构件物理意义一览表

(2)训练效果分析

训练样本为40个，经过160876次的训练，达到精度要求，在命令窗口执行运行命令，网络开始学习和训练，其训练过程如图4.27所示，训练结果见表4.34，图4.28。

图4.27 神经网络训练过程图

表4.34年最大流量训练结果

图4.28年最大流量神经网络模型训练结果

从图4.28可知，训练后的BP网络能较好地逼近给定的目标函数。由训练样本检验结果(表4.34)可得:1958～1997年40年中年最大流量模拟值与实测值的相对误差小于10%和20%的，分别为38年、40年，合格率为100%。说明“年极端气温、年最大7d降雨-梧州年最大流量BP神经网络模型”的泛化能力较好，模拟的结果较可靠。

(3)模型预测检验

把1998～2007年梧州气象站的年极端最高气温，桂林、钦州气象站的年极端最低气温，凤山、都安、马陇、沙街、大湟江口、大安、大化、阳朔、五将雨量站的年最大7d降雨量输入到“年极端气温、年最大7d降雨- 梧州年最大流量BP神经网络模型”。程序运行后网络输出预测值与已知的实际值进行比较，其预测结果见图4.29和表4.35。

图4.29年最大流量神经网络模型预测检验结果

表4.35 神经网络模型预测结果与实际结果比较

由预测检验结果可知:1998～2007年10年中年最大流量模拟值与实测值的相对误差小于20%的为7年，合格率为70%，效果较好。

4.5.1.4 梧州年最大流量-年最高水位的BP神经网络模型

(1)模型的建立

以1941～1997年梧州水文站的年最大流量与年最高水位作为学习样本来拟合、建立梧州水文站的“年最大流量-年最高水位BP神经网络模型”。以年最大流量为输入，年最高水位为输出，隐含层层数取1，建立(1，q，1)BP神经网络模型，其中，神经元数目q经试算取7，隐含层、输出层的神经元采用线性传递函数，训练函数选用traingdm，学习率取0.1，动量项取0.9，目标取0.00001，最大训练次数取200000。BP网络模型参数见表4.36，结构如图4.30所示。

表4.36 BP网络模型参数一览表

图4.30 梧州年最大流量—年最高水位BP模型结构图

广西西江流域主要河流有南盘江、红水河、黔浔江、郁江、柳江、桂江、贺江。7条主要河流相当于隐含层中的7个神经元(表4.37)，整体上来说，BP神经网络的结构已经灰箱化。

表4.37 BP神经网络构件物理意义一览表

(2)训练效果分析

训练样本为57个，经过3327次训练，误差下降梯度已达到最小值，但误差为3.00605×10^-5，未达到精度要求。在命令窗口执行运行命令，网络开始学习和训练，其训练过程如图4.31所示，训练结果见图4.32和表4.38。

表4.38年最高水位训练结果

从图4.32和表4.19可看出，训练后的BP网络能较好地逼近给定的目标函数。对于训练样本，从检验结果可知:1941～1997年57年中年最高水位模拟值与实测值的相对误差小于10%和20%的分别为56a，57a，合格率为100%。说明“年最大流量-年最高水位BP神经网络模型”的实际输出与实测结果误差很小，该模型的泛化能力较好，模拟的结果比较可靠。

图4.31 神经网络训练过程图

图4.32年最高水位神经网络模型训练结果

(3)模型预测检验

把1998～2007年梧州水文站年最大流量输入到“年最大流量-年最高水位BP神经网络模型”。程序运行后网络输出预测值与已知的实际值进行比较，其预测结果见图4.33，表4.39。

表4.39 神经网络模型预测结果与实际结果比较

从预测检验结果可知:1998～2007年10年中，年最高水位模拟值与实测值的相对误差小于20%的为10年，合格率为100%，效果较好。

图4.33年最高水位量神经网络模型预测检验结果

‘叁’ 极端气候事件有哪些研究方法

极端气候事件定义：

极端气候事件通常对社会经济和自然环境产生重要影响。极端气候事件是一定时期内发生的有一定强度或频率较低的，对社会经济会产生严重影响的事件。

极端气候事件研究方法：

（1）绝对阈值法。选择某一气象要素的值高于或低于某一特定值的方法，如日最高气温大于等于35℃。

（2）百分位法。把一组按大小排列的数据分为100等分，选取某个长期序列的固定百分位值作为阈值，如取第5个或第25个百分位数，超过这个阈值的值被认为是极端值，该事件被认为是极端事件。

（3）历史排位法。根据监测值得历史变化序列进行排序，挑选出当年值在序列中所处位置，如1986年以来最高气温等。

（4）广义极值分布法。极值分布指气候要素中最大值或最小值的概率分布。近年来，广义极值分布理论在极端气候事件的监测中得到了广泛的应用。

‘肆’ 极端降水事件的阈值如何确定

IPCC报告是以日降水资料排序的第95%位为阈值，称为百分位法。当然百分位的定义也可以位90%，97.5%，具体的话可以看不同地区和不同的研究对象定义。

‘伍’ 研究揭示珠江流域近60年极端降水时空变化特征

日前，省科学院广州地理研究所粤港澳大湾区城市群生态系统观测研究站水资源研究团队徐飞等通过分析珠江流域57个气象站点1960-2018年间逐日降水量资料，利用12个极端降水指标揭示了极端降水时空变化。研究发现：

（1）最大1天降水量（RX1day）和连续5天最大降水量（RX5day）不显着增加，降水强度（SDII）以0.18mm/day的速率显着增强。下雨天数（NW）、中雨日数（R10mm）、持续湿润日数（CWD）显着减少（图1）。

图1 1960-2018年珠江流域极端降水量和极端降水天数变化特征

（2）珠江流域极端降水指标空间差异较大，西部上游地区的大多数极端降水指标呈现下降趋势，而流域下游，特别是环大湾区地区呈增加趋势。此外，流域呈负趋势的台站数量超过正趋势的台站数量，主要集中在中西部中上游地区（图2）。

图2 1960-2018年珠江流域非常湿天降水量和强降水日数变化趋势空间分布特征

（3）西部上游地区大部分极端降水指数呈强烈持续下降趋势，而环粤港澳大湾区地区大部分极端降水指数呈持续上升趋势（图3）。这意味着珠江流域上游地区未来可能遭遇更多干旱，而下游环大湾区未来可能遭遇更多极端降水。

图3珠江流域连续5天最大降水量和降水强度变化趋势预测空间分布特征

研究成果发表在气象与大气科学国际权威期刊 International Journal of Climatology ，论文第一作者为徐飞助理研究员，通讯作者为赵玲玲研究员。该研究得到广东省科学院发展专项资金项目、国家自然科学基金项目和流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放基金的联合资助。

论文信息：

Xu F, Zhou Y Y, Zhao L L. Spatial and temporal variability in extreme precipitation in the Pearl River Basin, China from 1960 to 2018. International Journal of Climatology, 2021, 1-20. DOI: 10.1002/joc.7273.

原文链接：

（省科学院广州地理研究所 徐飞/供稿）

‘陆’ .极端气候事件有哪些研究方法

就目前而言，研究气候事件有统计的方法以及模式的方法。但是国内模式做得并不成熟。对于极端天气气候事件一般都用统计的方法，比如研究三个月的极端高温天气，则采取分析该地区的历史气候背景，再分析该地区的影响气候因子，如太平洋副高，太阳黑子，SO及ENSO以及高原积雪等（这个每个地区的有很大不同），再通过一些诊断方法来进行研究。
ps：额～是气候学的研究生～才研一～回答得不好～不好意思啦～这些是我个人的理解～要想研究的更深入～请多看看相关的书吧～

‘柒’ 气象专家解读山西极端强降水的原因是什么

山西大部分地区出现特大降水。这一过程具有累积降雨量大、持续时间长和极端显着的特点。前期降水伴随闪电和强对流天气，后期气温急剧下降并持续下降。异常强的西太平洋副热带高压首先由西向北扩展，然后在黄淮地区稳定维持。西风带低值系统在山西形成了东高西低的稳定环流形势，造成山西长期降水天气。

雨水不能迅速释放，导致农田积水和土壤水分过饱和，将造成更多的地质灾害。雨天开车时，视线容易模糊，最好减速，尽量与前面的车保持一定距离。不要跟车太近，更不要频繁超车。由于下雨，道路变得很滑，导致轮胎附着力降低。如果车速过快，紧急情况下的制动距离比良好天气下的制动距离长20%-40%，制动效果明显降低，发生事故的几率增大。