资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究方法和系统与流程

本发明涉及洪水灾害仿真技术，尤其是一种资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究方法和系统。

背景技术：

1、河口地区是海陆交互作用的复杂区域，受到多种气象、水文、海洋等因素的影响，容易发生洪涝灾害，对人类的生命财产安全和社会经济发展造成严重威胁。在气候变化的背景下，极端天气和气候事件的频率和强度可能增加，导致河口地区的洪涝灾害风险加剧。因此，研究河口地区的洪涝灾害机理和评估方法，提高河口地区的洪涝灾害防御能力，具有重要的理论意义和实际价值。

2、河口地区的洪涝灾害往往并非由单一因素引起，而是由多种因素相互作用和叠加的结果。这些因素主要包括海洋因素（如天文潮、风暴潮和海浪）、河流因素（如上游河道流量）和大气因素（如降雨造成的城市内涝）。当这些因素同时或相继发生时，可能导致河口地区的水位超过防洪标准，引发洪涝灾害。这种由多种因素组合导致的洪涝灾害称为复合洪水（compound flooding,cf）。复合洪水的危害程度往往高于单一因素的洪水，因为复合洪水的发生概率较低，防洪措施往往没有考虑到复合洪水的可能性，而且复合洪水的持续时间和范围较大，造成的损失较难恢复。

3、目前，对河口地区的复合洪水研究主要有两类方法，一类是基于统计模型的方法，另一类是基于动力数值模型的方法。这两类方法各有优缺点，基于统计模型的方法可以较好地理解复合洪水的时空变化和气候因素的影响，但需要较长的观测数据。基于动力数值模型的方法可以较好地刻画复合洪水的演变过程和物理机制，但需要较高的计算能力和边界条件，而且难以考虑不确定性和误差的影响。

4、目前，对河口地区的复合洪水研究还存在一些问题和挑战，主要包括数据、模型和方法等多个方面。对于数据问题，复合洪水的研究需要多种类型的数据，如潮位、流量、降雨、风场、气压等，而这些数据往往分布在不同的机构和平台，难以获取和整合。而且，由于观测时间较短或部分站点数据不公开等原因，一些国家和地区的数据长度受限，难以满足复合洪水研究的要求。数据的质量和完整性也影响复合洪水研究的可靠性和有效性。

5、因此，河口地区的复合洪水研究是一个重要而复杂的课题，需要在数据、模型和方法等方面进行深入的探索和创新。

技术实现思路

1、发明目的，提供一种资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究方法和系统，以解决现有技术存在的上述问题。

2、技术方案，根据本技术的一个方面，提供一种资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、采集预定区域的台风历史数据并预处理和修正台风最大风速，构建适用于台风模拟的驱动风场；

4、步骤s2、确定河口区域的台风影响圆；采用调和分析法基于已有实测潮位数据计算风暴增水；

5、步骤s3、基于台风影响圆确定的范围，筛选出影响河口区域的所有台风路径，形成台风路径集合；

6、步骤s4、构建河口风暴潮数值模型，进行数值模拟，计算所有在河口区域产生影响的台风造成的风暴增水，并获得风暴高潮位时间；

7、步骤s5、根据风暴高潮位时间，基于实测流量在台风期间变异性确定上游流量值，调取中国地面气候资料日值数据集，采用滑动相关性法确定日台风降雨量及其对应时间；

8、步骤s6、基于步骤s3至s5的输出结果，采用r-vine copula对河口区域复合洪水概率进行分析并输出分析结果。

9、根据本技术的一个方面，所述步骤s1进一步为：

10、步骤s11、从数据网站获取预定区域的台风历史数据，并进行清洗和预处理，剔除异常值和缺失值，统一数据格式和单位，台风历史数据包括每一台风的编号、名称、时间、位置、最大风速和最低气压；

11、步骤s12、从预定数据库获取再分析数据集，提取与台风历史数据对应的风场和气压场数据，并进行插值和平滑；

12、步骤s13、采用公式法和预训练的light gbm机器学习模型对台风最大风速进行修正，获得修正后的台风最大风速；其中公式法包括如下修正公式：

13、vm1=a（φ，4971）（1010-p0）b（φ，4971）；vm2=a（φ，7220）（1010-p0）b（φ，7220）；

14、vm＇=vm-（vm1-vm2）；其中，a（φ，4971）、b（φ，4971）、a（φ，7220）、b（φ，7220）分别为1949~1971年和1972~2020年时段内采用纬度为φ的台风数据拟合得到的参数；vm和p0分别为待订正的风速和对应气压；vm＇为修正后的风速；

15、步骤s14、将修正后的台风最大风速与再分析数据集中的风场和气压场数据结合，构建台风模拟的驱动风场。

16、根据本技术的一个方面，所述步骤s2进一步为：

17、步骤s21、针对河口区域的特点进行概化，获取圆心坐标位置，并以n倍的台风最大风速半径为区域半径，获得台风影响圆，获取台风影响圆圆周上若干点的坐标并存储；n为正整数；

18、步骤s22、获取河口区域的河口潮数据并利用调和分析法对河口潮的实测潮位数据进行分解，得到天文潮和每个潮周期内的偏峰增水；

19、步骤s23、修正偏峰增水并计算风暴增水以及风暴增水的极值和频率分布。

20、根据本技术的一个方面，所述步骤s3进一步为：

21、步骤s31、构造机器学习模型的输入数据特征，包括台风影响圆圆心、台风距离特征、台风中心最低气压及最大风速、台风最大风速半径和台风路径方位特征；台风距离特征是每场台风路径与台风影响圆圆心的最小距离；

22、步骤s32、构建机器学习模型并采用输入数据进行训练和测试，同时对机器学习模型的参数进行调优；

23、步骤s33、采用训练完成后的机器学习模型对台风进行识别，获得所有影响河口区域的台风路径，形成台风路径集合。

24、根据本技术的一个方面，所述步骤s4进一步为：

25、步骤s41、获取再分析风场并构建影响河口区域的台风风暴潮的驱动风场集；

26、步骤s42、以驱动风场集作为驱动，采用三维有限体积法fvcom进行批量数值模拟，计算近m年所有在河口区域产生影响的台风造成的风暴增水；m为正整数；

27、步骤s43、提取计算结果中的增水、天文高潮位和风暴高潮位数据，包括场次、时间和高潮位。

28、根据本技术的一个方面，所述步骤s5进一步为：

29、步骤s51、获取河口上游预定地点的实测流量数据，包括逐日流量值和极值流量值；

30、步骤s52、获取并从中国地面气候资料日值数据集中提取河口区域附近地区的日降雨量数据，包括逐日降雨量值和极值降雨量值；

31、步骤s53、根据得到的风暴高潮位时间，基于实测流量在台风期间的变异性确定上游流量值，作为极端复合洪水的一个灾害因子；基于中国地面气候资料日值数据集，采用滑动相关性法，确定日台风降雨量及其对应时间，作为极端复合洪水的另一个灾害因子；基于修正后的台风最大风速和计算得到的风暴增水，作为极端复合洪水的另外两个灾害因子；利用调和分析得到的短期天文潮，作为极端复合洪水的最后一个灾害因子；

32、步骤s54、将得到的上游径流、降雨、天文潮、风暴潮和增水数据集按照时间对齐，构建河口区域极端复合洪水灾害因子数据集。

33、根据本技术的一个方面，所述步骤s6进一步为：

34、步骤s61、构建藤copula函数集合并筛选，所述藤copula函数至少包括c藤、d藤和r藤；

35、步骤s62、读取复合洪水的时间序列数据，根据台风编号和台风名称进行分组，得到一个按台风分组的列表，每个分组包含一个台风在河口区域各个潮位站造成的复合洪水的时间序列；

36、步骤s63、利用r-vine copula模型对每个台风分组进行数据分析，建立复合洪水多灾害因子之间的联合概率分布模型；利用aic和bic指标，对r-vine copula模型进行选择和验证，选择最优的模型参数和结构；

37、步骤s64、利用参数优化后的r-vine copula模型，进行复合洪水的概率分析和风险评估，计算不同复合洪水等级的发生概率和超越概率，分析复合洪水的风险等级和影响范围。

38、根据本技术的一个方面，所述步骤s13还包括：

39、步骤s13a、分别采用公式法和预训练的light gbm机器学习模型对台风最大风速进行修正，获得修正后的台风最大风速；

40、步骤s13b、构建风速窗口，并分别计算每个风速窗口内公式法和light gbm机器学习模型计算得到的台风最大风速的均方根误差；

41、步骤s13c、根据均方根误差，确定每个风速窗口的修正模型，获得各个风速窗口的修正数据，形成复合修正后的台风最大风速。

42、根据本技术的一个方面，所述步骤s64还包括：

43、步骤s641、根据防洪标准和历史洪水资料，确定不同复合洪水等级对应的水位高度和流量大小；

44、步骤s642、利用参数优化后的r-vine copula模型，对每个台风分组的复合洪水数据进行模拟，得到不同复合洪水等级的发生概率和超越概率，以及其置信区间；

45、步骤s643、根据复合洪水等级的发生概率和超越概率，评估不同台风分组的复合洪水风险等级，分成若干个等级，根据复合洪水的水位高度和流量大小，分析不同台风分组的复合洪水影响范围；

46、步骤s644、根据复合洪水的风险等级和影响范围，制定长期的防洪规划和减灾策略。

47、根据本技术的另一个方面，提供一种资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究系统，其特征在于，包括：

48、至少一个处理器；以及

49、与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

50、所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项技术方案所述的资料受限河口区域极值事件识别和复合洪水灾害研究方法。

51、有益效果，本发明针对数据长度受限的问题，提出了一种极值事件识别和复合洪水灾害研究的新方法，旨在为河口地区的复合洪水研究提供一种新的思路和技术支撑。相关技术优势，将在具体实施方式进行详细说明。