水文的不确定性——魏俊锋.pptVIP

水文不确定性问题 魏俊锋 寒区旱区环境与工程研究所 我国是一个水问题十分突出的发展中国家！水文学研究在地球科学和社会经济发展中占有重要的地位！ 水文模型是水循环研究、水环境保护、水资源管理等的基本工具，在过去几十年里水文模型一直是水文工作者研究的重点。而水文模型的可靠性和不确定性分析却显得不足和滞后。随着水文模型越来越复杂，在现有数据水平相对缺乏的条件下。水文模拟与预测中的不确定性日益突出。 水文系统不确定性理论与方法研究不仅是现代地球系统科学前沿难点问题，也是国家水科学的重大需求问题。 全球气候变化预测的不确定性（IPCC Projected CO2 Concentrations） 大气-水文过程耦合中聚解(Downdscaling）分析影响的不确定性十分突出（湖北省实例） Singh和Woolhiser指出，从统计的角度来说目前几乎所有的水文模拟和预测结果都被设定提供点估计，因为水文学的大多数研究只是尽力找到最好的估计值，而不是基于不确定性的模型预测。在水文模拟与预测中，需要接受水文、气象等多种输入，运用许多概化的模型。依赖于对输入输出进行解释的专家判断。这些复杂因素使得水文模拟的不确定性普遍存在，不可忽略。如果缺乏对结果不确定性的深入分析。将无法为决策者作出客观的最优决策提供充分的信息，同时也难以满足用户对风险信息的需求。 技术难点 水文系统中不同来源（资料不全、缺乏第一原理）和不同性质（随机、模糊）的不确定性综合分析； 由于不确定性引起对系统行为特征与规律的非惟一、模型非惟一的区间集量化方法； 水文系统不确定性分析和水文动力过程的结合复杂层次系统的多级关联评估理论与方法。 水文系统的不确定性 客观上的不确定性水文变化的随机性 概念划分非惟一的模糊性信息不完全的灰色性 水文系统的不确定性来至： 系统输入存在的不确定性 一些研究表明：降雨相对于模型结构不确定性或参数不确定性而言．是最重要的不确定性因子。降雨时空变异性与观测站网同定点观测之间的矛盾是不确定性的主要来源。 系统内部结构本身存在的不确定性 模型结构的不确定性源于：建模者对水文现象认识的不足与数学描述的误差；不同的水文模型考虑的水文机理可能不一样。 模型参数的不确定性 确定单元面积产汇流的问题已经转化为缺乏水文气象资料情况下如何推求模型参数的问题。 认识水文尺度问题-水文信息量-水文不确定（区间变化）的内在关系 水文不确定性理论 概率与统计（基石：概率分布） 随机微分方程系统模拟 统计分析 模糊数学（模糊集及其隶属度关系） 模糊微分方程 模式识别与评判 灰色系统理论方法（灰集与差异信息） 灰数的运算法则 区间微分动力学模拟方法 其它 水文模拟中不确定性分析方法的现状 参数不确定性的估计方法 参数敏感性分析方法 敏感性分析方法包括传统参数敏感性分析方法和区域敏感性分析法。传统参数敏感性分析反映的只是参数局部的敏感性，而且参数局部敏感性不能反映出模型结构特征与参数相关性。区域灵敏度分析抛弃了“寻优”思想。承认参数空间分布的复杂性与相关性。是一个在一定准则下对模型结构随机参数大样本发生响应的统计分析过程。 水文模拟中不确定性分析方法的现状 参数不确定性的估计方法 参数不确定性分析方法 基于不确定框架下，模型参数不再当作确定值来处理，而是当作随机变量、模糊变量、区间变量等来处理，其中以随机变量最为常用。参数概率分布的获取有两种方式：一种是，通过实验数据分析获得或者通过经验假定，通常假定为一种常用分布(如正态分布)。另一种是，贝叶斯统计推断。 水文模拟中不确定性分析方法的现状 水文模拟过程的不确定性分析方法 基于变量不确定性的分析方法 基于变量概率分布的不确定分析方法可以分为两种：第一种是将预报对象(如流量、水位)作为随机变。并假定服从特定的概率分布，通常是正态分布的，或者通过转化方法变为正态分布。第二种是将预测变量的预测值和实测值的误差作为随机变量，处理方式与第一种分析方法类似，最终得到的是误差的后验分布。 水文模拟中不确定性分析方法的现状 水文模拟过程的不确定性分析方法 基于参数不确定性的分析方法 基于参数概率分布不确定性分析方法的核心是集合预 报。集合预报是指从单个初始状态出发，通过多模型或是单 模型控制参数的变化，得到预报结果的集合，再通过对预报 结果集合的分析，得到最终的预报结果。集合预报主张排除 单一值形式的确定性预报，而接受随机性的概率预报。 水文模拟中不