第三章 降雨和截留

第三章降雨和截留一、降水及其分类定义：是指液态或固态的水汽凝结物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。是各种气象因素相互作用的结果，人类无法控制降水过程，但是可以影响。有雨、雪、露、霜、雹等形式。1、降水的成因（1）大气中存在水分，即水汽；（2）降温，降至露点温度以下，或空气冷却；（3）大气中存在吸水性的微粒（凝结核）。露点：空气中非饱和气体达到饱和气压时的温度。大气凝结核：飘浮在大气中的尘粒，直径约0.001-10μm。化学成分复杂，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。饱和气压和气体温度之间的关系当满足以下三个条件时，就会发生降雨：（1）大气变得饱和；（2）在大气中存在小颗粒（如尘埃、海盐），冷凝核升华作用下可在这些小颗粒上发生；（3）水珠或冰珠相互结合，这些水珠或冰珠变得比较大时就能克服向上的力量到达地面上。2、降雨的分类及其特性对流雨地形雨锋面雨台风雨对流雨发生的条件：地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上升，上层温度较低的空气则下沉补充。下层较暖的空气在上升到温度较低的高空后发生冷却，所含的水汽凝结成云，形成降雨。发生的特点：对流雨是在大气不稳定的条件下产生的，多发生在夏季酷热的午后；其水平尺度很小(0.1～50公里)，降雨历时较短（几十分钟），形成阵性降水，常称阵雨。降水强度的变化很大。对流性降水常伴有闪电和雷声，称为雷阵雨。地形雨发生条件：暖湿空气在运移过程中，因受地形（如山脉等）影响而被抬升，发生冷却，所含的水汽凝结形成降雨。特点：地形作用一般使山的迎风面的降水量大，而背风面降水量减少，其特征因空气本身的温湿特性、运行速度以及地形特点而异，差别较大。锋面雨由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨。气团：物理属性在水平方向差异很小的空气质点群体。锋面：温度或密度差异很大的两个气团相遇，接触区形成的过渡带称为锋面。锋面是倾斜的，坡度很小；冷气团在下，暖气团在上；锋面的厚度约1公里，水平宽度在近地面约数十公里，其高度可达400公里以上（延伸到对流层顶）。锋面雨的类型暖锋雨——冷暖气团相遇时，暖气团起主导作用，暖气团推动锋面向冷气团一侧移动。暖空气沿锋面徐徐爬升，逐渐冷凝，形成降水。降雨强度较小，雨区面积较大。冷锋雨——冷暖气团相遇时，冷气团起主导作用，冷空气前缘插入暖空气的下面，暖空气被迫沿锋面徐徐爬升，逐渐冷凝，形成降水。准静止锋雨——当冷暖气团势均力敌，则锋面在一定地区来回摆动，或移动很缓慢呈准静止状态。降雨持续时间较长，强度较小，雨区较广。气旋雨当某一地区气压低于四周气压而形成低压区时，四周气流即要向低压区辐合汇集。由于地转力的影响，北半球辐合气流是沿逆时针方向流入的。气流汇入后受热再转而上升，上升气流中的水汽因而冷却凝结，形成降雨。可出现大范围降雨和大风的天气现象，称为气旋雨。降雨持续时间长范围大，除台风雨之外，强度相对较小。葫芦峪—诸葛亮没学好气象知识六出祁山失败3、降水的影响因素地理位置纬度、距离海洋的远近气旋、台风路径等气象因素地形坡度、高程、山脉缺口和海峡其他因素森林、水体、人类活动二、降水要素及测量1、降水要素：降雨量（深）（mm）：点、面降雨历时（min、h、d）降雨强度（mm/min、mm/h）：平均、瞬时降雨面积（k㎡）2、降雨的测量降水可以用以下参数来表示：降雨总量（或降水深度）降雨强度（降水深度/降水时间）降水的时空分布2.1测量方法测量降雨最通用的方法是使用一系列的雨量器。一般使用3种类型的雨量器：标准雨量器储存式雨量器记录式雨量器图3.3测量降雨的雨量器降雨的测量精度受到雨量器所在位置的周围环境的影响，也受到流域上测量位置之间关系的影响。通常应将雨量器装在比较平坦的地方，使漏斗的开口处于水平位置，漏斗口边缘应距地面约1m高。雨量器应距周围物体足够远。图3.4雨量器与周围物体之间的适当距离同时，风速会影响雨量器储雨的有效性，应该使用挡风装置减少风的涡流影响。

表3.1风速对标准雨量器储水的影响风速雨量器的储水有效性/(km/hr)雨雪010010089480247453405940805027

2.2计算平均降雨量的方法（1）算数平均法：最简单的方法。

在每个雨量站的日降雨量的测量值如下

泰斯多边形：站降雨多边形面积所占比例体积/cmA4×0.28=1.12B8×0.09=0.72C10×0.49=4.90

D6×0.14=0.84和7.58（2）泰斯多边形：当测点在某一区域上不是均匀分布时，此法可提高区域上平均降雨量的估计精度。

例3.1用泰斯多边形法计算如图3.6所示的区域的平均降雨深度。解：表示研究区域测量点的空间分布和测量值；连接各测点形成三角形，原则是竟可能使各三角形中的每个角度小90°；画出三角形各边的垂直平分线，垂直平分线一端和垂心相连，将另一端延伸直到与区域的边界相连，这些垂直平分线和边界就形成泰斯多边形计算每一个多边形的面积，最简单的方法是利用具有大小不同网格的坐标纸，用数网格法来确定。图3.6用泰斯多边形法计算平均降雨深度步骤根据处于每个多边形中的降雨深度测量值和对应多边形面积，就可以计算区域上的平均将与深度（p*）：p*=（65×1.81+150×2.15+269×2.26+216×2.18+56×1.62+136×1.80）/（65+150+169+216+56+136）=2.08（in）（3）等雨量线法：根据测量点的位置和测量值，绘出降雨等值线图。区域内外的测量值都可以用来估计降雨的分布，根据等值线及其划分的小区域就可以计算平均降雨量。（4）地质统计方法：为了充分考虑降雨分布的空间变异性，可使用地质统计方法来获得等雨量线，从而提高平均降雨量的估计精度。3、降雨的分析方法3.1估计迷失的测量点和降雨量如果邻近雨量站的资料与迷失站资料的差别在±10%内可用插值法。如，有以下资料：

雨量站

A

B

C

D11个月的累计降雨（cm）2124232212个月的累计降雨（cm）232525？如果雨量站间测量值的差别超过±10%的范围，就应采用标准比例的方法，其表达式：

式中：px：x站的估计降雨量；

N1，···，Nn，Nx：某一时段内（如一年、一季度或一个月）在第1至第n个雨量站以及雨量站x用作计算标准比例的降雨量；

p1，···，pn：在估计时段第1至第n个雨量站的降雨量。

雨量站

A

B

C

D11各月的累计降雨（cm）3436263012各月的累计降雨（cm）364032？用11个月各站的累积降雨量来作为计算标准比例，从而估计D站12月份累积的降雨量：3.2数据系列的修正在与邻近雨量站的资料进行比较时，如出现资料的不连贯性时，就应该需要对数据系列进行修正。如图所示，雨量站E与雨量站H和I的测量值多年来都具有很好的线性相关，但1970年后，这种关系改变了。3.3频率分析我们依赖于某一时段降雨量的统计分析，通过这些分析，来确定过去降雨事件的频率分布，然后根据这些频率分布来估计未来某一时段内某些事情发生的概率和可能性。频率分析的目的是建立频率（概率）曲线，它是降雨事件与其发生的频率（p）或回复期（Tr）之间的关系。式中：n是所使用的分析资料的总年数；m是降雨事件的排列位置（或排序）。图3.8日最大降雨量与其发生的频率和回复期之间的关系年份降雨量（cm）197132.73197231.16197334.43197439.04197532.26197631.53197738.72197839.45197932.54198021.55198123.61198226.25198328.01198427.31198535.08198627.21198726.33198827.97198928.09199034.63年份降雨量（cm）排序频率197839.4510.05197439.0420.10197738.7230.14198535.0840.19199034.6350.24197334.4360.29197132.7370.33197932.5480.38197532.2690.43197631.53100.48197231.16110.52198928.09120.57198328.01130.62198827.97140.67198427.31150.71198627.21160.76198726.33170.81198226.25180.86198123.61190.90198021.55200.95频率降雨量（cm）0.0539.450.1039.040.1438.720.1935.080.2434.630.2934.430.3332.730.3832.540.4332.260.4831.530.5231.160.5728.090.6228.010.6727.970.7127.310.7627.210.8126.330.8626.250.9023.610.9521.55思考题：回复期p期望值期望值220.530.8930.65200.0538.8439.251000.0139.5440.08一旦有了降雨频率曲线，就可以确定某一时间超过某一降雨量的概率。概率为p的降雨事件在N年内发生x次或超过x次的概率为：那么概率为p的降雨事件在N年内至少发生一次的概率为：3.4降雨深度与面积和时段的关系由于降雨在空间上是非均匀分布的，所以随着流域面积的增大，对应于给定概率的降雨深度就会减少（图3.9）。另外，在给定面积上，某一给定时段的降雨强度越大，等于或超过这一降雨量的概率就越小。图3.9日最大降雨量与流域面积和降雨时段之间的关系4、截留和净降水一旦发生降雨或降雪，植被的类型、植被覆盖程度和条件就会影响到达地表的降水量和分配方式。森林具有最大的截留损失。灌草和枯落物也截留部分降水。部分渗入土壤。不同地面（裸露地、林地）承接降水情况示意图（1）裸露地（2）林地4.1林冠截留

降落到森林中的雨滴，受到林冠的阻挡即林冠截留，引起降雨的再分配。附加截留量（additionprecipitation）：林冠截留的雨水直接蒸发返回大气中的雨量。林冠滴下雨量（drops）：由于表面张力和重力失去平衡或由于风吹动而从林冠滴下的雨量。树干截留量（stemflow）：又称干流量或茎流量，顺着树干流到地面的雨量。林冠通过雨量（throughfall）：直接穿过林冠间隙落到林地上的雨量，亦称穿透雨量。树体吸水量（stemabsorption）：或树干吸水量，树体本身吸收的比例很小的部分雨量。林冠截留储量：当一次连续降雨终止时，林冠拦截储留在枝叶上的雨量。

林冠截留量（crownprecipitation）：林冠截留量（ri）是林冠截留储量（Pv）、附加截留量（Pa）和树干容水量（Pts）之和，即：ri=Pv+Pa+Pts由于Pa和Pts很小，故ri≈Pv，因此林冠截留量（承雨量）就是指林冠截留储量（林冠截留蒸发量）。林冠截留量（ri）是林外雨量（P）减去林内雨量（Pi）和干流量（Ps），即：

ri=P-Pi-Ps林冠截留率（s）：截留雨量所占林外雨量的百分比，即:

饱和截留量（

）：当林冠截留储量不再增加时的截留量。此后，降水再增加，截留量也不增加，截留率就相对减少了。降雪的截留，大致与降雨相同，形成冠雪。冠雪变成融雪水也可形成干流。林冠截留包括降雨、降雪等，但如果不是特指，降水是指降雨。影响林冠截留的因子Ⅰ.内因:1.林冠特征：冠幅、冠高、枝叶数量、叶面积指数、

湿润程度等；

2.林分特征：树种、组成、结构、林龄、郁闭度等。Ⅱ.外因:1.气候和地形特征：风速、风向、地形、坡度等；

2.降水特征：降水量、降水特征和空气湿度等。（1）降水量与截留量降水初期，降水量大，截留量亦大，但不是直线关系。当降水量达到一定程度时，截留量达到饱和，而截留率则相反。据牡丹江水保站观测，17年生的云杉林当降水量分别为7.6mm和11.3mm时，截留率高达62.3％和51.3％，小雨几乎被吸收，而当降水量为42.6mm时，截留率只有8.7％。费道罗夫：降水<5mm，截留率>50％;降水>5mm，截留率<20％。（2）降水特性与截留量降水强度：降水强度大，雨滴大，截留率低；降水强度小，雨滴小，截留率高。降水历时：历时短，截留率低；历时长，截留率高。（3）树种与截留率树种不同，其枝叶密度、树冠大小和形状不同，截留率也不同。一般说来，针叶树枝叶密集，层次多，或水平轮状重叠分布，枝叶面积大，故截留率大；阔叶树较针叶树枝叶稀疏，层次少，枝叶总量少，故截留率小。灌木截留率居两者之间综合许多研究：针叶树的截留率约为25～45％，而阔叶树则为20～25％。（4）林冠特性与截留量林冠郁闭度大，冠层深厚，枝叶表面积大，因而附着于叶表面的降水也多，反之，截留量就小。据傅恩辉1975～1978年在祁连山观测云杉林，郁闭度为0.3时，截留率为14.7％～24.7％；而郁闭度为0.6时，截留率为22.9％～31.2％。林冠枝叶的湿润状况（与前次降雨的时间间隔）（5）气象条件与截留量风速：风能吹走枝叶表面的截留降水，使截留量减少，又能使截留降水蒸发到大气中。对于连续性降水，能增大截留量，即增加附加截留量。前期降水：与前次降水相隔时段愈长，林冠愈干燥，截留雨水能力增大；反之，相隔时段短，林冠湿润，截留能力就小。林冠截留的水文效应（1）降雨滞后效应由于林冠截留，林内降雨的开始时间与林外降雨并不同步，一般会出现滞后效应。（2）降雨历时延长效应截留在林冠上的雨水，会因为降雨过程而不断滴落到林下，即使在降雨停止后，林冠上的超饱和雨水还会滴落下来。（杉木20-30）（3）降水总量减少和降水强度减弱截留在林冠上的降水最终被蒸发回到大气中，因而降水总量减少。林内降雨强度通常比林外降雨强度约小10％～30％。4.2下层植被截留穿过林冠的雨水，一部分与林下植被（灌木和草本等）接触，出现下层植被截留过程。山西吉县纯灌木林截留率为20％左右，内蒙古柠条灌木丛和沙柳灌木丛截留率分别为53.9％和49.7％。草本植被由于个体小，不形成冠状层次，形状变化大，难以准确测定截留量，一般采用间接测定法。宁夏六盘山林区林下植被的截留率表4.3枯落物层截留量枯落物持水量：又称容水量，是指单位干重的枯落物所能吸收的水量。最大持水量（W）：指将枯落物浸入水中24h后，其重量与干重的差，即：W=Wm

-Wa最大持水率（L）：枯落物充分吸水后的重量与干重的百分比，即：L

=W/Wa式中L为最大持水率（％）；W为最大持水量（g）；Wa为干重（g）；Wm为充分吸水后的重量（g）。枯落物截留量：对于一次降水的截留量，它等于该面积上枯枝落叶物雨前和雨后重量的差值。也可以用最大持水量来推算：il=（W–Ws）·Wl式中，il为截留量（mm）；W为最大持水量（mm/g）；Ws为自然含水量（mm/g）；Wl为干重（g）。影响枯枝落叶层持水量的因素（1）内因

a.林分类型：不同林分，枯枝落叶的类型和数量有很大差异，因而其持水量也有很大差异，见下表。

表

不同森林类型死地被物容水量据南京林业大学对江苏沿海集中人工林的测定：15年生的刺槐林，枯枝落叶厚度及吸水能力分别为2.3cm和15.4t/hm2；7年生的意杨林，枯枝落叶厚度及吸水能力分别为1.5cm和9.2t/hm2；10年生的柳杉、水杉混交林，枯枝落叶厚度及吸水能力分别为2.5cm和18.7t/hm2；12年生的竹林，枯枝落叶厚度及吸水能力分别为3.5cm和26.5t/hm2；b.林龄：随着林龄的增加，枯枝落叶逐