丘陵地区面雨量计算方法及应用.doc

丘陵地区面雨量计算方法及应用 林开平 孙崇智 郑凤琴 （广西壮族自治区气象台，南宁 530022） [提 要] 根据高斯权重客观分析原理，在考虑了流域上各地的降水气候差异和地形分布特点的基础上，找出一种适合于丘陵地区的面雨量的计算方法。并将该方法计算的面雨量与泰森多边形法进行比较，研究了这两种计算方法的优缺点；此外，还研究了面雨量与流域的洪涝灾害的关系，结果表明，两者关系非常密切，流域面雨量的变化能较好地反映未来洪水的变化趋势。 [关键词] 面雨量 高斯权重法 丘陵地区 洪涝 引言 目前，全国各地的气象台站都开展流域的面雨量预报。面雨量的计算方法很多，主要有逐步订正格点法、算术平均法、格点法、等雨量法和泰森多边形法。徐晶[1]等对上述的面雨量计算方法进行了分析和比较，认为等雨量线法精度虽然较高，但较多地依赖于分析技能，而且操作比较复杂，不利于日常业务使用；泰森多边形法比算术平均法更合理，精度更高。并建立了适用于不同流域站点变化的泰森多边形面雨量计算系统，应用到全国七大江河流域面雨量的计算中去，取得了较好的效果。但以上介绍的各种面雨量计算方法均没有考虑流域内各地的气候差异和地形作用所引起的降水分布不均匀对面雨量的影响。对于平原地区的江河流域或者是集水面积大的流域来说，气候差异和地形作用所引起的降水分布不均匀对面雨量的影响并不明显，但对于象华南西部这样的丘陵地区且集水面积较小的流域来说，流域内各地的降水气候概率的差异和地形作用所引起的降水分布不均匀对面雨量的影响要明显得多。根据高斯权重客观分析原理，利用流域密集的气象站点和水文站点的降水资料，并充分考虑了流域上各地的气候差异和地形的影响，计算广西各主要江河流域面雨量（简称高斯权重法），从20002002年的汛期应用情况来看，取得了较好的效果。并将用该方法与泰森多边形面雨量计算方法进行比较，从方法和计算过程上来看，两者各有长短；从计算的结果来看，绝大多数的情况下两者的结果接近。对一些较明显的洪涝过程，两者的结果有些差异，前者比后者计算出的流域面雨量与流域的洪涝关系更为密切。 ① 本研究受到科技部社会公益研究专项资金项目（37020）、广西自然科学基金（桂科基0236041）和广西区气象局重点研究项目广西主要江河流域面雨量预报系统研究资助 1．面雨量计算方法简介 面雨量是指某一特定区域或流域的平均降水情况，定义为由各个点雨量推求出的平均降雨量。在水文学中将面雨量表示为[2] （1） 式中为流域的面雨量，为特定区域的面积，为有限元上的雨量。由于流域面雨量能更客观地反映该流域的降水情况，因此在分析、预报水情变化时，面雨量应用非常广泛。 为此，我们首先将特定区域均分为一些连续且大小相同的正方形，为减少误差尽量按地形来构建正方形，由于正方形的面积是相同的，所以每个正方形相对于整个区域来说权重是相同的，以正方形四个顶点上的雨量算术平均值作为该正方形（重心）上的雨量，该雨量即为该正方形的面雨量。所有正方形面雨量的平均值即为该流域的面雨量值。 设将某一流域分成N个小区域，式（1）可写为 （2） 式中为各第i个小区域的平均雨量，为第i个小区间的面积。当N个小区间均取面积相同的正方形时，则（2）式可简化为 （3） 我们根据高斯权重客观分析原理，利用流域密集的气象站点和水文站点的降水资料，通过插值法求得各个正方形顶点的雨量。对于每一个正方形顶点的雨量插值，我们都要求用到一定数量的站点雨量。具体任意一个正方形顶点取一定的扫描半径（和正方形的边长相等），对其周围气象站点和水文站点进行扫描，当扫描半径范围内的站点不足4个时，就加大半径再次进行扫描，直到在扫描半径范围内有4个或以上站点时为止，取扫描到的Z个站点，该顶点的雨量值由这Z个站点的实测值和权重大小决定，而每个站点的权重系数同站点到该顶点的距离有关，距离越小，权重越大，反之亦然。 此外，我们利用最近40年的广西主要江河流域气象站点汛期（49月份）逐日的降水资料，利用模糊聚类、相关分析等方法对各支流流域逐月按小雨，中雨，大雨、暴雨和大暴雨5个量级进行聚类分析，大致分析出降水相关较好的区域，此外，根据流域的地形分布特点，找出各站点的大致影响范围。综合考虑了流域各地气候因素和地形分布特点，得到了流域上各雨量站点对其附近的格点的影响权重系数，i 为格点的序号。当格点落在与站点同一降水气候区（即降水相关较好的区域），权重越大，反之亦然。格点落在与站点相近的地形或与站点落在山脉的同一侧，权重越大，反之越小。 这样，我们就得到了某个格点的雨量插值 （3） 其中 ，为在选取的Z个站点中综合考虑了流域各地气候因素和地形分布特点得到的第i个站点对该格点的影响权重系数; , , , 式中为某一顶点的插值雨量，N、E分别为纬度和经度；, i1，2，，Z；为所选的Z个测站中第i个测站的实测雨量值，，，i1，2，，Z；为所选的Z个测站中第i个测站的纬度和经度。为减小插值所带来的误差，还需通过几次反插来对格点雨量进行订正，最后得到了流域所有格点的雨量。然后充分考虑地形因素后确定出各流域的边界，根据流域的格点雨量和流域的面积，计算出流域的面雨量。 2．计算结果分析 2．1 插值处理后的雨量与站点实况雨量的比较 为了检验利用高斯权重客观分析方法并考虑了流域的气候因素和地形分布后将流域的站点降水量插值到流域所有正方形顶点时的误差情况，我们利用Micaps系统对流域内各正方形顶点的雨量进行分析，同时站点实况雨量进行比较，从绘出的雨量等值线分布图来看，两者相当吻合。图1是利用Micaps 绘制出的2002年8月7日08时8日08时流域站点实测雨量等值线分析图和插值以后的的雨量等值线分析图，从图中我们可以看到，两者的雨量等值线分布的形状十分相似，中心值也几乎一致。流域的一些地方由于考虑了气候因素和地形分布的影响作用，两者在形状或数值上有一些差异，但两者的差别较小。由此可见经过插值处理后雨量值是可信的。 a 实测雨量 b雨量插值后结果 图1.实测雨量与雨量插值结果比较 2．2 面雨量与流域的洪涝关系 我们根据高斯权重客观分析原理，利用流域密集的气象站点和水文站点的降水资料，计算1980年2001年汛期广西桂江流域（桂林为代表站）、柳江流域（柳州为代表站）、红水河流域（迁江为代表站）、邕江流域（含左、右江，南宁为代表站）、西江流域（梧州为代表站）逐日的面雨量，并且计算出1960年以来上述流域出现洪涝灾害过程的逐日的面雨量。从流域的面雨量变化和流域洪涝的出现来看，两者的关系非常密切。除了桂江以外，其它流域的面雨量均能提前25天反映出将有洪涝出现，且累计面雨量的大小与流域出现洪涝灾害的程度关系非常密切。图2为西江的面雨量与流域的洪涝的关系 图2 . 西江流域的面雨量与洪涝的关系 从图中我们可以看到，从7月5日，流域的面雨量加大到10mm，6日，面雨量激增到35mm，在78日，流域的面雨量均维持在25mm以上。在13日前，流域的面雨量均维持在16mm以上。从14日开始到16日，面雨量激降至24mm。与此相对应，梧州的水位在9日由前一天的10.48m增加到14.20m，增辐3.72m，接近达到警戒水位。10日，水位达到19.27m，增辐5.07m，超警戒水位水位4.27m，11日，水位达到22.38m，增辐3.11m，超警戒水位水位7.38m，在15日到达洪峰水位24.23m ，超警戒水位水位9.23m。从16日开始，梧州的洪水水位逐渐降低，洪水逐渐消退。 图3 . 桂江流域的面雨量与洪涝的关系 桂江流域由于集水面积小，其流域的面雨量均一般只能提前1224小时反映出将有洪涝出现（图3）。 3. 高斯权重法与泰森多边形法的比较 由于泰森多边形法是目前应用最为广泛的面雨量计算方法，在此，我们根据广西主要江河流域的降水量和洪水水位，对高斯权重法与泰森多边形法计算的面雨量进行比较。 3.1 计算方法上的比较 ①. 本文提出的丘陵地区的面雨量计算方法与泰森多边形法在计算的面雨量时，都考虑了各雨量站的权重，因此，精度较高。但本文提出的面雨量计算方法中，充分考虑了流域的气候因素和地形分布对面雨量计算的影响，因此该方法更能反映丘陵地区的实际面雨量情况。 ②. 高斯权重法对流域的测站数和计算机应用水平都要求不高，该方法还具有一定的弹性，偶有个别站缺报时无须重新考虑其它站点的权重变化，且个别的缺站对面雨量的计算结果影响很小，此外该方法简便客观，易于实现自动化；泰森多边形法计算较复杂，不容易做到根据流域站点的变化自动更新站点的权重。国家气象局下发的泰森多边形法面雨量计算系统解决了根据流域站点的变化自动更新站点的权重问题，可实现程序的自动化，能适用于不同流域的站点变化。但有个别站缺报时还须重新考虑更新站点的权重问题。要考虑了流域的气候因素和地形分布对面雨量计算的影响难度非常大。而且系统是国家气象局下发的，要进行改造和二次开发难度较大。 ③. 国家气象局下发的泰森多边形法面雨量计算系统能直接计算流域的面雨量，操作简单。但是无法知道流域的哪部分面积是该天面雨量的主要贡献者，要考察流域的某一部分雨量与流域的洪水关系时比较困难。同时，要计算流域中某一支流或流域的某一段的面雨量时，就必须重新选定流域的范围和确定站点的权重。而高斯权重法要先计算格点的雨量，后计算流域的面雨量，多了一步中间过程。但所计算出的流域格点雨量可先入库，要考察流域的某一部分雨量与流域的洪水关系时只须把流域格点雨量调出即可。要计算计算流域中某一支流或流域的某一段的面雨量时，根据所选的流域面积和相应的格点的雨量计算即可，十分简单。 ④. 用国家气象局下发的泰森多边形法计算面雨量时依赖于Micaps系统，所选取的流域面 积只能在Micaps上画取，由于Micaps上没有细致的地形地貌图，故流域的边界选取就相对较粗糙。而高斯权重法是把流域中站点的雨量内插到1010公里的格点上，在计算流域的面雨量或某一支流的面雨量时，可把流域的网格叠加在有细致的地形地貌的地图上，然后精确地选出流域的边界，这在计算集水面积较小的流域尤为重要。 3.2 面雨量计算结果的比较 我们利用考虑了流域的气候因素和地形分布的高斯权重法和泰森多边形法对柳江流域19802001年汛期（49月份）逐日的面雨量进行计算，并对两种不同方法计算出来的面雨量进行对比分析，统计结果表明，两者基本一致。面雨量在20mm以下时两者的差值在01mm之间，平均为0.4mm。面雨量在2030mm时，两者的差距在差值在0.52mm之间。平均为1.2mm，面雨量在30mm以上，两者的差距在差值一般在14mm之间，平均为2.0mm。在面雨量较小时， 图4 a. 流域面雨量较小的情形（ 1996年4月柳江流域面雨量） 图4 b. 流域面雨量较小的情形（ 1983年6月柳江流域面雨量） 两种方法求得的面雨量较为一致，（如图4a所示）；在雨量较大时，两种方法求得的面雨量差别也不大，但在某些洪涝过程中，两种方法求得的面雨量差别较大。如83年6月柳江流域出现洪涝的过程中，在面雨量超过30mm的4天中，用考虑了流域的气候因素和地形分布的高斯权重法求得的面雨量较泰森多边形法求得的面雨量大5mm左右（如图4b）。 3.3 流域的面雨量和洪涝的关系比较 在1960年2000年柳江流域出现的12次中等以上的洪水（柳州的洪水水位在84米以 图5.1994年6月两种方法求得的面雨量与洪涝的关系 上）中，有5次是两种方法求得的面雨量较为一致（差值在2mm以下），如图5a。 在另外的7次中，两种方法求得的面雨量差别在26mm。基本上都是高斯权重法计算的面雨量大于泰森多边形法计算出的面雨量（图4b），其与流域洪涝的关系更为密切（图7） 图7. 1983年6月柳江水位（取与图4同一时间段） 从图中我们可以看到，在16日和21日水位有一个明显的上涨过程，而面雨量在15日和20日有一个明显的加大过程，和水位的上涨有较好的对应关系，从图4可以看出，在15和20日用插值法求得的面雨量较14和19日面雨量变化的幅度比用泰森多边形法求得的明显，由此可以说明用插值法求得的面雨量能更好的反映水位未来的变化趋势。 4 结语 （1）丘陵地区由于受地形的影响较大，降水的时空分布极不均匀，因此，丘陵地区的流域面雨量计算与平原地区应有所不同。在计算面雨量时要充分考虑流域上各地的降水气候差异和地形的影响因素。 （2）根据高斯权重客观分析原理，用流域密集的气象站点和水文站点的降水资料，同时考虑流域的各地的降水气候概率和地形的影响来计算流域的面雨量，是在丘陵地区中一种行之有效的面雨量计算方法。该方法对流域的测站数和计算机应用水平都要求不高，且有一定的弹性，偶有少量站点缺资料，对计算结果影响不大，方法简便客观，易于实现自动化。 （3） 高斯权重法算出的面雨量与泰森多边形法算出的面雨量绝大多数的情况结果接近。对一些较明显的洪涝过程，两者的结果有些差异，前者比后者计算出的流域面雨量与流域的洪涝关系更为密切。能更明显地反映未来洪水的变化趋势。 参考文献 [1]. 徐晶，林建.七大江河流域面雨量计算方法及应用.气象.2001，27（11），1316 [2]. .章国材 卫星气象数据广播接收系统培训教材 气象出版社，2001年320-330。