基于深度学习的山洪时空预测代理模型

摘要

山洪是全球范围内最危险的自然灾害之一，具有突发性强、成灾快和破坏力大并且难以短时临近预测的特点。传统山洪预报预警方法主要依赖于基于物理机制的水文-水动力山洪过程模拟，然而这种方法计算复杂耗时较长，难以满足山洪的短时临近预测需求。以浙江临安仁里村为例，在水文-水动力物理模拟所产生的8 378条降雨时序和对应山洪淹没时空序列数据集的基础上，以基于卷积门控循环单元(convolutional gated recurrent unit convGRU)的深度神经网络作为核心，构建山洪时空序列预测代理模型。该模型通过输入过去24小时降雨观测时序和未来6小时的降雨预报时序，可实现未来6小时山洪淹没时空演变过程的快速预测。代理模型在测试集中能可靠地预测未来逐小时的山洪淹没范围、最大淹没深度以及淹没位置，未来6小时预测的可决系数均值为0.96,且预测速度平均比物理模拟快15 625倍。这表明该代理模型能够捕捉物理模拟中降雨到山洪的复杂映射关系，实现目标区域山洪的快速预测，为山洪预警及应急响应决策制定提供有力的模型基础。

关键词

深度学习 / 山洪模型 / 时空序列预测 / 卷积门控循环单元 / 代理模型