水文学原理课件(第四章)

1、本章主要内容本章主要内容第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法降水的定义降水的定义1降雨的基本要素降雨的基本要素2降雨时间变化的表示方法降雨时间变化的表示方法3降雨空间变化的表示方法降雨空间变化的表示方法4降雨要素的综合曲线降雨要素的综合曲线5第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法1 1、降水的定义、降水的定义 大气中的液态水滴或固态冰雪颗粒，在重力作用下，克大气中的液态水滴或固态冰雪颗粒，在重力作用下，克服空气阻力，从空中降落到地面的现象称为服空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水降水。雨雨露露霜霜雪雪雹雹第一节第一节 降水要

2、素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法2 2、降雨的基本要素、降雨的基本要素DefinitionUnit指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总雨量mm降雨从某时刻到另一时刻所经历的时间称为降雨历时min, h, d单位时间内的降雨量称为降雨强度mm/min mm/h降雨笼罩范围的水平投影面积km2暴雨集中的较小的局部地区Rainfall Elements降雨量(深)Rainfall (depth)降雨历时(Rainfall duration)降雨强度(Rainfall intensity)降雨面积(Rainfall area)暴雨中心(Storm center)第一节第一节 降水

3、要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法3 3、降雨时间变化的表示、降雨时间变化的表示(1)(1)时段降雨量柱状图：时段降雨量柱状图：时段降雨量与相应时段之间的关系时段降雨量与相应时段之间的关系图称为时段降雨量柱状图图称为时段降雨量柱状图12345601020304050降降水水量量过过程程图图降降水水量量（ m mm m）时时 段段时间时段降雨13:42014:0011.514:3033.515:3431.917:001.618:102.219:000第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法(2)(2)降雨量累积过程线：降雨量累积过程线：从降雨开始至

4、某时刻的降雨量与该从降雨开始至某时刻的降雨量与该时刻时间之间关系曲线称为降雨量累积过程线时刻时间之间关系曲线称为降雨量累积过程线时间时段降雨累积降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.719:00080.73 3、降雨时间变化的表示、降雨时间变化的表示第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法(3)(3)降雨强度过程线：降雨强度过程线：降雨强度与相应时间之间的关系曲线降雨强度与相应时间之间的关系曲线称为降雨强度过程线。称为降雨强度过程线。 3 3、降雨时间变化的表示

5、、降雨时间变化的表示第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法4 4、降雨空间变化的表示、降雨空间变化的表示几个概念：几个概念：雨量站网：一个区域内一般设立有若干个雨量站，其总和称为雨量站网。 雨量站网密度：区域面积/雨量站个数 等雨量线绘制 ：将每个雨量站观测所得的同一时段的时段降雨量或一次降雨的降雨量点绘在各自测站的位置上，然后按降雨量相同的原则连成光滑曲线。 第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法WWW.HHU.EDU.CN第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法a 等雨量线的做法类似于地形图等高线

6、的做法。等雨量线的做法类似于地形图等高线的做法。b 等雨量线所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：等雨量线所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：（1 1）雨量站位置）雨量站位置（2 2）雨量站数目）雨量站数目4 4、降雨空间变化的表示、降雨空间变化的表示第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法统计降雨强度过程线中各种不同历时的最大平均雨强，最大平均统计降雨强度过程线中各种不同历时的最大平均雨强，最大平均雨强与历时的关系即为降雨强度与历时曲线雨强与历时的关系即为降雨强度与历时曲线 。(1)降雨强度与历时曲线降雨强度与历时曲线Rainfall in

7、tensity-duration curve5 5、降雨要素综合曲线、降雨要素综合曲线第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法020406080012345678时时 间间降水量(mm)降水量(mm)降雨强度与历时曲线降雨强度与历时曲线时 间累积降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2历 时累积降雨雨 强148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4例一(1)降雨强度与历时曲线降雨强度与历时曲

8、线Rainfall intensity-duration curve5 5、降雨要素综合曲线、降雨要素综合曲线第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法在一定历时降雨量的等雨量线图上，从暴雨中心开始，分别计算每一条等雨量线所包围的面积及该面积的平均降雨深。点绘这两者之间的关系，所得曲线称为降雨深与面积关系曲线。 (2)降雨深与面积关系曲线降雨深与面积关系曲线Rainfall depth-area curve5 5、降雨要素综合曲线、降雨要素综合曲线第一节第一节 降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法分别对不同历时的等雨量线图点绘降雨深与面积关系曲线

9、，得到一组以历时为参变数的降雨深与面积关系线。 （3）降雨深与面积和历时关系曲线）降雨深与面积和历时关系曲线Rainfall depth-area-duration curve5 5、降雨要素综合曲线、降雨要素综合曲线第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素降水成因降水成因降雨分类降雨分类影响降雨的因素影响降雨的因素第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素1 1、降水成因、降水成因水汽、上升运动和冷却凝结（凝结核）是形成降水的三个因素。水汽、上升运动和冷却凝结（凝结核）是形成降水的三个因素。降降 雨雨聚聚 集集 凝 结 核冷冷 却却 动 力

10、抬 升大气中水汽大气中水汽第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素2 2、降雨分类、降雨分类u按降雨要素量级按降雨要素量级 第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素u按动力冷却条件按动力冷却条件 2 2、降雨分类、降雨分类气旋雨气旋雨(Cyclonic rain)对流雨对流雨(Convectional/Convective rain)台风雨台风雨(Typhoons/Hurricanes)地形雨地形雨(Orographic rain)第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素气旋雨气旋雨 气旋雨：气旋或低气压过境带来的降

11、雨称为气旋雨。非锋面雨(Non-frontal rain)气流向低压区辐合引起气流上升冷却产生降雨。锋面雨(Frontal rain)冷气团楔入暖气团底部迫使暖气团抬升形成降雨。冷气团冷气团暖气团暖气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖锋雨暖锋雨特点：落区大特点：落区大 雨强小雨强小 历时长历时长冷锋雨冷锋雨冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气

12、团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团特点：落区小特点：落区小 雨强大雨强大 历时短历时短第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素台风雨台风雨 台风雨：热带海洋上的风暴登陆大陆所引起的降雨称为台风雨。特点：降雨不均，暴雨强度极大，历时较短。2000年8月22日在台湾登陆的台风碧利斯 2005年8月8日台风“麦莎” 台风“艾利”影响浙江台风登陆法国第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素被冲毁后的板桥水库如今的板桥水库台风雨台风雨 河南河南75.8大洪水大洪水第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素地形雨地形雨 地形雨

13、：由于地形的抬升作用导致的降雨称为地形雨。地形雨：由于地形的抬升作用导致的降雨称为地形雨。第二节第二节 降雨的分类及影响降雨的因素降雨的分类及影响降雨的因素3 3、影响降雨的因素、影响降雨的因素（1 1）地理位置的影响）地理位置的影响 低纬度地区降水多于高纬度地区，沿海地区降水多于内陆地区。（2 2）气旋、台风路径的影响）气旋、台风路径的影响 常有气旋、台风过境的地区降水较多。（3 3）地形的影响）地形的影响 地形主要通过强迫气流抬升使降水量增多。（4 4）其它因素的影响）其它因素的影响 第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法算术平均法算术平均法 (Arit

14、hmetic mean method)1泰森多边形法泰森多边形法 (Thiessen polygon method)2等雨量线法等雨量线法 (Isohyetal method)3距离平方倒数法距离平方倒数法 (Inverse distance-squared method)4第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法1 1、算术平均法、算术平均法 计算公式计算公式： nliipnP1适用条件：适用条件：流域内雨量站分布均匀，且测站位置合理站点较多，地形起伏不大，流域内降雨量分布均匀或变化均匀。 第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计

15、算方法2 2、泰森、泰森( (ThiessenThiessen) )多边形法多边形法( (垂直平分法，加权平均法垂直平分法，加权平均法 ) )泰森多边形绘制方法：泰森多边形绘制方法： 1)按地图上测站的位置连线，构成许多锐角三角形；2)对每个三角形各边作垂直平分线，再用这些垂直平分线构成以每个测站为核心的多边形；3)量取每个多边形的面积fi。 第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法2 2、泰森、泰森( (ThiessenThiessen) )多边形法多边形法( (垂直平分法，加权平均法垂直平分法，加权平均法 ) )适用条件：适用条件：雨量站分布不均 计算公式

16、：计算公式： niiifPFP11缺缺 点：点： 1）没有考虑地形影响，假定雨量呈线性变化； 2）权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变的特点。 泰森多边形的制作方法图解说明泰森多边形的制作方法图解说明泰森多边形制成后的效果泰森多边形制成后的效果第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法3 3、等雨量线法、等雨量线法 计算步骤：计算步骤： 1)绘制等雨量线 ；2)量取每2条相邻等雨量线间的面积； 3)求各相邻等雨量线间的平均雨深，然后再乘以相应的面积权重，得权雨量 ；4)将所有的权雨量相加，即得流域平均雨量 。第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法

17、区域（流域）平均降雨量计算方法3 3、等雨量线法、等雨量线法 计算公式：计算公式： niiinnFfpFfpfPfPP12211适用条件：适用条件：足够多的雨量站资料，地形资料 缺点：缺点：不同场次降雨，其面积权重是变化的，所以 每次降雨都必须绘制等雨量线图，工作量很大第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法321325105302253055012550580aaaaaaP实实 例例3 3、等雨量线法、等雨量线法 第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法4 4、距离平方倒数法、距离平方倒数法 miimiiijddpx1212

18、)/1 ()/(njjxnp11第三节第三节 区域（流域）平均降雨量计算方法区域（流域）平均降雨量计算方法Method适用条件适用条件优点优点缺点缺点AMM区域面积不大，地形起伏较小，雨量站分布比较均匀计算简单对所有雨量站采用同样的权重，无法考虑降雨时空变化TPM雨量站分布不均计算简单权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变的特点IsoM足够多的雨量站资料，地形资料理论完善，考虑降雨空间分布不均不同场次降雨，其面积权重是变化的，所以每次降雨都必须绘制等雨量线图，工作量很大IDSM足够多的雨量站资料，地形资料(改进了站与站之间雨量呈线性变化的假设）便于计算机处理，可作为分布式模型输入计算过

19、程复杂第四节第四节 降雨资料的检验降雨资料的检验1 1、降雨资料的一致性鉴别、降雨资料的一致性鉴别如分析 降水资料的前后一致性邻近多站平均累积年降水量(mm)站累积年降水量(mm)85年第四节第四节 降雨资料的检验降雨资料的检验2 2、非一致降水资料的改正、非一致降水资料的改正说明自1985年起， 站逐年测到的降水量比原来观测条件下观测到的降水量减小了KC / KB倍，为保持降水量资料的一致性，可将85年前观测的雨量按KC / KB的系数进行改正。站累积年降水量(mm)邻近多站平均累积年降水量(mm)至95年的累积雨量BC8585年年AKBKC附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar meas

20、urement of rainfall)1 1、 简简 介介雷达定量测量降雨对洪水预报具有重要的意义。在水文研究中，降水是一个非常重要的变量，水文对降水测量的要求是对一个面上的测量。而现在水文上常用的方法是利用雨量计的测量结果代表某个流域上的面平均雨量，常常是一个雨量计代表几百平方公里的降水。但是降水是一种具有很强时空变化的天气现象，雨量计尽管能测量某点的降水，但由其于空间代表性的局限，在估计面雨量的时候常常会产生比较大的误差。而利用雷达却可以获得大范围内的瞬时降水分布，具有很好的时空分辨率。2 2、 优优 缺缺 点点v 用雷达测定降水的最大优点是雷达的用雷达测定降水的最大优点是雷达的覆盖面广

21、覆盖面广，并具有，并具有高度的时空分辩能力高度的时空分辩能力。雷达能提供时段小至。雷达能提供时段小至5min和空间和空间分辨率小至分辨率小至1km2的雨量估测值。单独一台雷达有效测程的雨量估测值。单独一台雷达有效测程约约200km，可覆盖面积，可覆盖面积10000km2。v 雷达作为定量测量降水的工具，在探测降水分布和结构雷达作为定量测量降水的工具，在探测降水分布和结构上比较准确，但是在上比较准确，但是在精度上还是低于雨量计精度上还是低于雨量计。因此，如。因此，如何有效地利用雨量计校正雷达估测降水来提高雷达测雨何有效地利用雨量计校正雷达估测降水来提高雷达测雨精度是非常必要。精度是非常必要。附一

22、附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)3 3、 气象雷达气象雷达v 气象雷达气象雷达利用天线发射高能电磁波，当电磁波碰到云利用天线发射高能电磁波，当电磁波碰到云中降水时，降水会造成电磁波反射及散射，雷达利用中降水时，降水会造成电磁波反射及散射，雷达利用天线接收经降水所反射及散射之微弱电磁波能量，即天线接收经降水所反射及散射之微弱电磁波能量，即是是降水回波强度降水回波强度。经由检测返回之微弱电磁波能量及。经由检测返回之微弱电磁波能量及发射之高能电磁波间发射之高

23、能电磁波间频率变化频率变化，计算降水在雷达发射，计算降水在雷达发射波束方向上之移动速率，即是波束方向上之移动速率，即是降水径向速度降水径向速度。附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)4 4、 天气雷达天气雷达v 二次世界大战以来，随着科学技术的进步，随着国防和经二次世界大战以来，随着科学技术的进步，随着国防和经济建设需求的不断增长，天气雷达经历了从提供强度的济建设需求的不断增长，天气雷达经历了从提供强度的模模拟信号拟信号、数字信号数字信号到提供到提供多普勒回波信息多普勒回波信息的发展历程。国的发展历程。国内外的实践表明，天气雷达以其内外的实践

24、表明，天气雷达以其高时空分辨率高时空分辨率、及时准确及时准确的遥感探测能力的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中小尺度灾害性成为灾害性天气，特别是中小尺度灾害性天气监测和天气预报等方面极为有效的工具天气监测和天气预报等方面极为有效的工具; ;天气雷达不可天气雷达不可替代的作用得到了气象界和公众的广泛认同。替代的作用得到了气象界和公众的广泛认同。附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)附一附一 雷达测雨雷达测雨 (Radar measurement of rainfall)新一代天气雷达布点图（新一代天气雷达布点图（96）Progress of Comprehensive Detecting System新一代多普勒天气雷达新一代多普勒天气雷达CINRADCINRAD建设目标96部布点计划已经编制完成其中S波段54部，C波段42部。包括7部设在西部地区难以组网、局地使用的C波段雷达。西部地区进一步的天气雷达发展计划，由于其特殊性和技术特点，尚需进一步调查研究和论证。附二附二 卫星测雨卫星测雨 (Satellitic measurem