[发明专利]一种区域水位短时高精度预报方法

权利要求书

1.一种区域水位短时高精度预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用简化设置的水动力模式构建区域主要分潮模型；

步骤2：观测站的水位移去模型水位后得到模型残差，将模型残差细分为稳态成分和非稳态成分；

稳态成分包括剩余天文分潮和模拟分潮偏差；非稳态成分包括剩余水位；

稳态成分利用调和分析预报得到，非稳态成分通过长短时记忆网络进行预报；

步骤3：对不同水位成分预报值的空间校正；

在观测站，对于已知空间背景信息的模拟分潮偏差分量利用基于信号能量的空间反距离加权法将其内插至待求点，其余分量使用反距离加权法进行内插。

2.根据权利要求1所述的区域水位短时高精度预报方法，其特征在于：在步骤2中，剩余天文分潮、模拟分潮偏差以及剩余水位的提取步骤如下：

步骤2.1：在观测站移去模型水位，获得模型残差ξ；

假设观测站处的实测水位为H(t)，由简化设置的水动力模式获得的水位为H_simu，则观测站处的模型残差ξ如公式(1)所示：

ξ＝H(t)-H_simu                             (1)；

步骤2.2：利用调和分析，将模型残差ξ分解为剩余天文分潮H_rt、模拟分潮偏差ξ_model以及剩余水位R(t)；

经典调和分析如公式(2)所示：

H(t)＝S₀+H_ast(t)+R(t)                        (2)；

其中，S₀表示平均海面，R(t)表示t时刻剩余水位，H_ast为t时刻天文潮位，如果把S₀看成角速度为0的特殊天文潮，则H_ast表示为：

式中，σ_j、h_j、g_j、f、u、V₀分别表示第j个分潮的角速度、振幅、迟角、交点因子、交点订正角以及天文初相角；其中，h_j、g_j也称为分潮的调和常数；将式(3)进一步改写为：

根据式(3)和(4)，g_j＝(V₀+u)_j+arctan(b_j/a_j)；

根据雷利准则，利用最小二乘回归求得变量a_j、b_j后看得到分潮调和常数；

按式(3)获得H_ast后，进而按式(2)获得R(t)；

模拟分潮偏差ξ_model表示如公式(5)所示：

ξ_model＝H_main-H_simu                             (5)；

其中，H_main表示水动力模式模拟的模拟分潮真值；

剩余天文分潮H_rt是天文潮位H_ast中移去模拟分潮真值H_main后剩下的天文分潮，具体表示如公式(6)所示：

H_rt＝H_ast-H_main                             (6)；

步骤2.3：稳态水位预报；

使用调和分析获得的稳态成分的调和常数，进而利用式(3)即能够完成对ξ_model以及H_rt的预报；

步骤2.4：非稳态水位预报；

长短期记忆网络通过遗忘门、输入门以及输出门选择性地向单元状态添加或移除信息，如式(7～12)：

f_t＝σ(W_fx_t+U_fh_t-1+b_f)                           (7)；

i_t＝σ(W_ix_t+U_ih_t-1+b_i)                            (8)；

o_t＝σ(W_ox_t+U_oh_t-1+b_o)                          (11)；

其中，f_t、i_t、o_t分别表示t时刻的遗忘门、输入门以及输出门；W_f、W_i、W_o和W_c分别为隐藏层输入映射到遗忘门、输入门以及输出门的权重矩阵；而U_f、U_i、U_o和U_c分别表示将隐藏层的输出映射到遗忘门、输入门以及输出门的权重矩阵；b_f、b_i、b_o和b_c为偏置向量；C_t表示t时刻的单元状态输出和h_t表示t时刻的隐藏层输出；表示逐点求积运算；σ(·)与tanh(·)均表示为激活函数；

以长度为m的历史时间步长来预报n个提前期的剩余水位，然后单步滑动生成样本数据集；这样，剩余水位时序数据将被重新组织，转变为监督学习预测问题。

3.根据权利要求1所述的区域水位短时高精度预报方法，其特征在于：在步骤3中，对不同水位成分预报值的空间校正步骤如下：

步骤3.1：利用反距离加权方法对剩余天文分潮H_rt和剩余水位R(t)进行空间校正；

反距离加权方法的计算公式为：

其中，表示非观测站c的预报值；z_i(t)表示第i个观测站的预报值；q表示观测站数；d_i表示非观测站与第i个观测站间的欧式距离；w_i表示非观测站与第i个观测站间的权重；p代表幂指数；

步骤3.2：利用基于信号能量的空间反距离加权法对模拟分潮偏差ξ_model进行空间校正；

通过信号能量比去校正由三点反距离加权法导致的一方权重弱势或强势；

首先计算各观测站处模拟分潮偏差的信号能量，然后找到信号能量最小或最大的观测站b，计算其余观测站相对b站的信号能量倍数；其中，在观测站b处，k_i＝1；

k_i＝E_i/E_b                                (16)；

其中，ξ_model,i(t)、E_i分别表示第i个观测站处模拟分潮偏差的值和信号能量；E_b表示能量最小或最大观测站的信号能量；k_i表示其余观测站相对b站的信号能量倍数则空间权重；则此时的权重w_i的值可表示为：

其中，d_i表示非观测站与第i个观测站间的欧式距离；w_i表示非观测站与第i个观测站间的权重；p代表幂指数；

最后，为了防止由于E_i接近0而导致k_i过大，采用如下判断标准来选择插值方式：

其中，k_i表示其余观测站相对b站的信号能量倍数。