銅仁錦江河流域面雨量計算方法探討

陳曉弟,羅京義,謝仁波,晏理華

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

銅仁錦江河流域面雨量計算方法探討

陳曉弟,羅京義,謝仁波,晏理華

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

在考慮流域內(nèi)各地降水氣候差異和地形影響的前提下,采用了高斯權(quán)重客觀分析原理,計算錦江流域面雨量,并將該方法計算的面雨量與泰森多邊形法進行比較,分析這兩種計算方法的優(yōu)缺點,研究面雨量與洪澇之間的聯(lián)系。分析、研究表明：高斯權(quán)重客觀分析法計算出的面雨量與泰森多邊形法算出的面雨量在量級越小時越接近,面雨量越大,兩者的差異也越大,且前者比后者更能明顯地反映未來洪水的變化趨勢。

錦江流域;面雨量;高斯權(quán)重法

1 引言

暴雨洪澇災(zāi)害是最嚴重的氣象災(zāi)害之一,在暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報機制的研究中,面雨量的是洪澇預(yù)測模式的主要預(yù)測因子。因此采用什么方法計算面雨量是暴雨洪澇預(yù)報的關(guān)鍵性問題。國內(nèi)外有關(guān)面雨量的研究有回歸方法、遙感方法、物理模式方法、實況插值方法等[1]。而在我國目前最常用、最成熟的方法是實況插值法。實況插值法又分逐步訂正格點法、算術(shù)平均法、格點法、等雨量法、泰森多邊形法。徐晶[2]對實況插值法的幾種面雨量計算方法進行了分析和比較,認為泰森多邊形法比較合理,精度高、與實況比較接近,并利用此方法建立了不同流域站點變化的泰森多邊形面雨量計算系統(tǒng),應(yīng)用到全國重要江河流域面雨量的計算中,取得了較好的效果。中國氣象局利用泰森多邊形法研制并下發(fā)了七大江河流域面雨量計算系統(tǒng)。但其沒有考慮流域內(nèi)各地的氣候差異和地形作用所引起的降水分布不均勻?qū)γ嬗炅康挠绊憽ι絽^(qū)、丘陵地帶和集水面積較小的銅仁錦江流域來說,由于地形影響,流域內(nèi)各地降水概率和降水強度的時空分布不均,其計算結(jié)果用于預(yù)測流域的洪澇預(yù)測,經(jīng)過檢驗比較,存在一定偏差。為了考慮流域內(nèi)各地的氣候差異和地形的影響,并使計算得到面雨量盡量客觀地反映實際面雨量,我們引用了高斯權(quán)重客觀分析計算方法 (以下簡稱高斯權(quán)重客觀法)計算銅仁錦江流域面雨量,并對 2種方法計算的結(jié)果進行對比。

2 高斯權(quán)重客觀分析法

2.1 方法介紹

將計算流域均勻分成一些連續(xù)的、大小相同的正方形,為減少誤差,盡量依據(jù)地形來構(gòu)建正方形。由于正方形的面積是相同的,所以每個正方形相對于整個區(qū)域來說權(quán)重是相同的。以正方形 4個頂點上的雨量算術(shù)平均值作為該正方形上的雨量,該雨量即為該正方形的面雨量。所有正方形面雨量的平均值即為該流域的面雨量值。

設(shè)將某一流域分成 N個小區(qū)域,式 (1)可寫為

式中Pi為各第 i個小區(qū)域的平均雨量,△Ai為第 i個小區(qū)間的面積。當 N個小區(qū)間均取面積相同的正方形時,則 (2)式可簡化為：

根據(jù)高斯權(quán)重客觀分析原理,利用流域現(xiàn)有密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站點和水文站點的降水資料,通過插值法求得各個正方形頂點的雨量。

對于每一個正方形頂點的雨量插值,規(guī)定至少必須有 4個以上的雨量站點。對任意一個正方形頂點取與邊長相等的掃描半徑,對其周圍雨量站點(氣象、水文)進行掃描,當掃描半徑范圍內(nèi)的站點不足 4個時,就加大半徑再次進行掃描,直到在掃描半徑范圍內(nèi)有 4個為止。

我們利用 2003以來錦江流域內(nèi)各雨量測點 3～10月份逐日的降水資料,采用模糊聚類、相關(guān)分析方法按小雨,中雨,大雨、暴雨和大暴雨 5個量級進行聚類分析,大致分析出降水相關(guān)較好的區(qū)域,再根據(jù)流域的地形分布特點,找出各站點的大致影響范圍,求取各雨量測點對影響范圍內(nèi)各雨量格點的影響權(quán)重系數(shù)。即有：

μij,表示i,j兩點之間的相關(guān)函數(shù),ηi表示第i個測點雨量值的均方差,在實際中取 0,則有：

求出各雨量測點對其影響范圍內(nèi)的雨量格點影響權(quán)重系數(shù)后,就得到了某個格點的雨量插值：

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 插值處理后的雨量與站點實況雨量的比較

為了檢驗高斯權(quán)重客觀分析法計算得到的面雨量分布與實測雨量的分布的誤差,我們利用三點坐標等值線作圖系統(tǒng)對流域內(nèi)各正方形頂點的雨量進行分析,同時與雨量測點實況雨量進行比較,從繪出的雨量等值線分布圖來看,降水大小分布區(qū)基本吻合。圖 1繪制出的是 2010年 6月 7日 08時～8日 08時流域站點實測雨量等值線分析圖和插值以后的雨量等值線分析圖,從圖中我們可以看到,兩者的雨量等值線分布的形狀十分相似,中心值也基本一致。由此可見經(jīng)過插值處理后雨量值是可信的。

2.2.2 面雨量對流域的洪澇發(fā)生的預(yù)見性分析根據(jù)高斯權(quán)重客觀分析原理,利用流域內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量(水文、氣象)降水資料,計算 1990～2010年汛期銅仁錦江流域 (銅仁為代表站)逐日的面雨量,并且計算出 1990年以來銅仁錦江河流域出現(xiàn)洪澇過程的逐日的面雨量。從流域的面雨量變化和流域洪澇的出現(xiàn)來看,兩者的關(guān)系非常密切。流域面雨量一般提前 12～18h反映出將有洪澇出現(xiàn),且累計面雨量的大小與流域出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的程度關(guān)系非常密切 (見圖 2)。

從圖 2(a)和 (b)可以看出,1995年 6月 27—30日夜間銅仁錦江河流域出現(xiàn)持續(xù)降水,且 29日夜間到 30日白天和 30日夜間出現(xiàn)持續(xù)的大暴雨天氣,面雨量分別達到 83.5mm和 75.6mm。錦江河水位從 28日開始上漲,并在大暴雨天氣出現(xiàn) 12h后猛漲,超過境界水位,于 7月 1日早晨水淹銅仁城成災(zāi),洪峰水位高達 254.5m。1日白天到 2日,雨量明顯減弱,相應(yīng)水位于 2日開始回落,3日回落到警戒線以下。

從圖 2(c)和 (d)可以看出,2010年 6月 7日 20時到 05時銅仁錦江河流域出現(xiàn)暴雨天氣,7日下午水位急劇上升 3m。7日傍晚到 8日凌晨 3時出現(xiàn)大暴雨天氣,流域面雨量達到 66mm,8日上午水位突破警戒,險些成災(zāi)。8日白天降水明顯減弱,9日到 10日水位回落。

3 高斯權(quán)重客觀分析法與泰森多邊形法的比較

泰森多邊形法是通過計算流域內(nèi)各雨量點降水量的面積貢獻值,再求出雨量點雨量與其面積貢獻值之積,兩者相加即可得出該區(qū)域的面雨量。各雨量點的面積貢獻值是將流域內(nèi)各相連雨量點用直線相連,作各連線的垂直平分線,把流域分成若干個多邊形,每個多邊形內(nèi)都有一個雨量點,該多邊形的面積與總面積之比就代表其內(nèi)雨量點降水量的面積貢獻系數(shù)。

由于泰森多邊形法是目前應(yīng)用最為廣泛的面雨量計算方法,在此,我們根據(jù)錦江河流域的降水量和洪水水位,對高斯權(quán)重法與泰森多邊形法計算方法和面雨量計算結(jié)果進行比較。

3.1 計算方法上的比較

①高斯權(quán)重客觀分析法和和與泰森多邊形法在計算的面雨量時,都考慮了各雨量站的權(quán)重。但高斯權(quán)重客觀法提出的面雨量計算方法中,充分考慮了流域的氣候因素和地形分布對面雨量計算的影響,因此該方法更能反映山區(qū)、丘陵地帶的實際面雨量情況。

②高斯權(quán)重法對流域的測站數(shù)要求不高,具有一定的彈性,偶有個別站缺報時無須重新考慮其它站點的權(quán)重變化,易于實現(xiàn)自動化;泰森多邊形法計算較復(fù)雜,不容易做到根據(jù)流域站點的變化自動更新站點的權(quán)重。當個別站缺報時必須重新考慮更新站點的權(quán)重問題。

③泰森多邊形法面雨量計算系統(tǒng)無法知道流域的哪部分面積是該天面雨量的主要貢獻者,要考察流域的某一部分雨量與流域的洪水關(guān)系時比較困難。同時,要計算流域中某一支流或流域的某一段的面雨量時,就必須重新選定流域的范圍和確定站點的權(quán)重。高斯權(quán)重客觀分析法所計算出的流域格點雨量可先入庫,要考察流域的某一部分雨量與流域的洪水關(guān)系時只須把流域格點雨量調(diào)出即可。要計算流域中某一支流或流域的某一段的面雨量時,根據(jù)所選的流域面積和相應(yīng)的格點的雨量計算即可,十分簡單。

④高斯權(quán)重客觀分析法是把流域中站點的雨量內(nèi)插到 10×10Km以下的格點上,在計算流域的面雨量或某一支流的面雨量時,可把流域的網(wǎng)格疊加在有細致的地形地貌的地圖上,然后精確地選出流域的邊界,這在計算集水面積較小的流域尤為重要。泰森多邊形法計算面雨量時依賴于Micaps系統(tǒng),適用大面積的流域面雨量計算,不適合計算小流域面積的面雨量。

3.2 面雨量計算結(jié)果的比較

利用高斯權(quán)重客觀分析法和泰森多邊形法計算錦江流域 2003～2009年汛期 (4—9月份)逐日的面雨量。通過對比分析表明：兩者存在一定差別,這種誤差隨降水增大而增大。一般 10mm以下時比較接近,平均只相差 1～2mm。10～25mm差值開始增大,平均在 3～5mm;25～50mm相差 5～8mm;面雨量超過 50mm以上有時相差達 10mm(見圖 3、圖4),其誤差值相當于一次中雨過程的降水量,誤差趨勢大多是高斯權(quán)重客觀分析法計算的面雨量大于泰森多邊形法計算的面雨量。從降水發(fā)生后的12h內(nèi)的最高水位變化特征看,兩種方法計算得到的面雨量對與水位的變化有較好的對應(yīng)關(guān)系,但前者顯然優(yōu)于后者。

4 結(jié)語

①銅仁錦江河流域多為山區(qū)、丘陵地帶,由于受地形的影響較大,降水的時空分布極不均勻,計算流域面雨量與平原區(qū)有區(qū)別。在計算面雨量時要充分考慮流域上各地的降水氣候差異和地形的影響因素。

②根據(jù)高斯權(quán)重客觀分析原理,用現(xiàn)有流域密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量點和水文雨量點降水資料,綜合考慮各地的降水氣候概率和地形的影響來計算流域的面雨量,山區(qū)小河流域的一種行之有效的面雨量計算方法。

③高斯權(quán)重客觀分析法與泰森多邊形法算出的面雨量在量級越小時越接近,面雨量越大,兩者的差異也越大,且大多數(shù)情況是前者多于后者。兩種方法計算得到的面雨量與水位的變化都有較好的對應(yīng)關(guān)系,但前者更能明顯地反映未來洪水的變化趨勢。

[1] 潘永地,方慶文 .有關(guān)面雨量研究綜述 [J].貴州氣象.2004,28(5),3～7.

[2] 徐晶,林建 .七大江河流域面雨量計算方法及應(yīng)用[J].氣象 .2001,27(11),13～16.

[3] 章國材 .衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)廣播接收系統(tǒng)培訓(xùn)教材[M].氣象出版社,2001,320-330.

P49

B

1003-6598(2010)增刊-0134-04

2010-09-10

陳曉弟 (1954-),男,高工,主要從事天氣氣候研究和綜合管理工作。

貴州省氣象局 2009—2010年開發(fā)型基金項目：銅仁錦江流域洪澇災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng) .