贝叶斯动态模型在海洋水文时间序列预测中的应用研究

摘要

21世纪是海洋世纪,在面临可持续发展大课题的新时代,海洋的战略地位及开发价值日益为人们所重视。沿海经济占全球 GDP的比例在逐年增大,增长速度快于GNP的增长,快于行业整体产业的发展,同时我国海洋经济的发展步入了世界经济发展的轨道,在世界上大多数国家和地区,海洋经济成为区域经济发展的新的增长点。然而随着沿海经济高速发展大片沿海城市群的形成、城市化的进程形成的人口和财产集中、全球气候变暖造成的海平面上升等客观因素的影响,使得海洋灾害频繁发生,给我国沿海地区造成的损失不断增大,逐步使我国成为世界上遭受海洋灾害最严重的国家之一。
　　如果能及时做出动态和较为精确的预测,趋利避害,在最快的时间内做出科学有效的辅助决策工作,则在一定程度上可减轻灾害损失,这成为海洋防灾减灾能力建设研究的迫切任务和重要职责。其中对水文的预报是一种较为直接的方法,对于防灾减灾也具有一定的指导意义。水文预报就是根据已知的信息对某一地区、某一水体或者某一水文站未来一定时期内的水文状态做出定性或定量的预测。这是水文学为经济和社会服务的一个重要方面,对防洪、抗旱、合理利用水资源、国民经济建设甚至对国防事业都有着重要意义。
　　目前水文预报的方法主要逐步回归、多元线性回归、自回归、小波分析、人工神经网络、时间序列预测技术等等。本文选择应用时间序列预测方法,就是在分析时间序列变量的基础上,运用数学方法建立预测模型,使时间趋势向外延伸,从而获得序列的发展变化趋势,确定变量的预测值。海洋水文时间序列,由于气候、城市化、周围植被、大量海上城市的建设以及填海造田等等沿海经济的开发,这些外在因素加上其本身的不确定性,导致海洋水文时间序列带有一定的非平稳性,这就造成了采取传统的Box-Jenkins方法对其进行预测研究是非常困难的。因为 Box-Jenkins方法的ARMA模型针对的是平稳的时间序列,对于非平稳的时间序列,必须将其处理成平稳的时间序列,这样就降低了预测的精确性,本文提出采取贝叶斯动态模型及其预测方法。
　　本文的研究是建立在渤海风暴潮灾害评估与对策辅助决策系统的项目之上,预测目标是二维洪水演进过程中的渤海湾的水深值。本文的主要研究内容可分为如下几个部分:
　　1.预测模型参数的提取。本文对一次洪水演进过程中100个时刻的水深值数据进行提取,利用MATLAB工具绘制出其时间序列图像以及在置信水平为95％的自相关函数曲线。通过对研究目标的分析,根据预测者或者专家的经验,给出了预测的初始条件。这样就可以开始一步预测,预测过程中加入了观察值,这充分体现了贝叶斯动态模型的动态思想。经过100次的循环后,就得到了演进过程的后验分布,既能得到第100个时刻的水深值。
　　2.预测结果的分析。通过对预测结果和观察值的曲线对比,以及对预测误差曲线的分析可知,用贝叶斯动态模型及其预测方法所得到的预测曲线与观察值曲线吻合得相当好,平均相对误差仅为5.73%,这远远符合洪峰预报的20%许可误差范围。完全可以被实际工作需要所接收的,可被推广应用到该行业中。同时该模型是采用递推方法来进行循环计算的,因此特别适用于在线实时监控,这对于涝期、雪灾、风暴潮引起的水灾等灾害发生时期的实时监控都非常的有意义。同时也证明贝叶斯动态模型及其预测方法比较适合用于像海洋水文时间序列这样的非平稳的时间序列。这对水文学的预测研究,尤其是在现代的气候变化异常的情况下,有着一定的指导意义。
　　3.预测结果的应用。对洪水演进过程中100个时刻的水深值数据进行预测之后,将该二维洪水演进的预测结果应用到了渤海风暴潮灾害评估与对策辅助决策系统的二维洪水演进子系统中。通过用户选择一次模拟,结合中间服务器端一系列的逻辑处理,调用存储在后台关系数据库中的预测计算结果,然后前端界面中就可以查看该次洪水演进的模拟过程。本系统的开发利用Flex、Java作为主要的开发语言,后台数据库采用较为主流的数据库 ORACLE。本系统用先进的三层体系结构(客户机应用程序/浏览器(B/S架构)+应用服务器/中间件+数据库),便于系统的管理与维护,可以提高系统安全性。

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1. 绪论

1.1. 研究背景以及意义

1.2. 问题的提出

1.3. 国内外研究现状

1.4. 贝叶斯动态模型及其预测方法

1.5. 本文主要研究内容

2. 贝叶斯动态模型和预测

2.1. 贝叶斯预测基本思想

2.2. 动态线性模型

2.3. 常均值模型

3. 基于贝叶斯动态模型的水深值预测模型的建立

3.1. 模型的数据来源

3.2. 模型的参数选定

3.3. 预测模型的技术实现

3.4. 计算结果

4. 预测模型在二维洪水演进模拟过程的应用

4.1. 风暴潮二维洪水演进子系统总体架构

4.2. 二维洪水演进子系统数据库设计

4.3. 系统运行结果与分析

5. 总结与展望

5.1. 总结

5.2. 展望

参考文献

攻读硕士期间的科研成果

致谢