水文学原理(第四章--降水)课件

第四章降水1.第四章降水1.教学要求：教学要求：1 1 降水的形成与分降水的形成与分类类（了解）（了解）2 2 降水要素（掌握）降水要素（掌握）3 3 降水的分降水的分级级（了解）（了解）4 4 降水的降水的时时空分布特征表示方法（掌握）空分布特征表示方法（掌握）5 5 降水降水观测观测与与计计算（了解）算（了解）6 6 流域平均降水量的流域平均降水量的计计算（掌握，重点）算（掌握，重点）7 7 影响降水量的因素（了解）影响降水量的因素（了解）8 8 我国降水量的我国降水量的时时空分布特点（了解）空分布特点（了解）2.教学要求：1降水的形成与分类（了解）2.第一第一节节 降水的降水的类类型及型及时时空分布空分布 一一 降水的形式降水的形式1 1 定定义义：降降水水是是指指液液态态或或固固态态的的水水汽汽凝凝结结物从云中降落到地面的物从云中降落到地面的现现象。象。2 2 形式：雨、雪、雹、露、霜、霰等形式：雨、雪、雹、露、霜、霰等3.第一节降水的类型及时空分布一降水的形式3.3 3 意意义义：降降水水是是水水循循环环最最活活跃跃的的因因子子；人人类类用用水水的的基基本本来来源源（可可再再生生水水资资源源）；降降水水资资料料是是分分析析河河流流洪洪枯枯水水情情、流流域域旱旱情情的的基基础础；是是水水资资源开源开发发利用和管理利用和管理规规划的依据。划的依据。4.3意义：4.4 4 降水的形成降水的形成 蒸蒸发发蒸蒸腾腾水水汽汽上上升升气气压压降降低低、体体积积膨膨胀胀、气气温温下下降降凝凝结结成成云云滴滴碰碰撞增大撞增大降水。降水。5.4降水的形成5.5 5 降水形成的三个条件降水形成的三个条件形成降水，必形成降水，必须须具具备备三个条件：三个条件：1 1）大量的暖湿空气源源不断地）大量的暖湿空气源源不断地输输入雨区；入雨区；2 2）地面空气）地面空气强强烈上升的机制烈上升的机制;3 3）冷却凝）冷却凝结结；即地面暖湿空气即地面暖湿空气-抬升冷却抬升冷却-凝凝结为结为大量的云滴大量的云滴-降落成雨。降落成雨。6.5降水形成的三个条件形成降水，必须具备三个条件：1）大二二 降雨的基本要素及降雨的基本要素及时时空分布特征空分布特征1 1 降雨要素降雨要素1 1）降雨量：指一定）降雨量：指一定时间时间段内降落在某一面段内降落在某一面积积上的上的总总水量；水量；2 2）降雨）降雨历时历时：指一：指一场场降水自始至降水自始至终终所所经历经历的的时间时间；3 3）降雨）降雨时间时间：指：指对应对应于某一降水而言的；于某一降水而言的；4 4）降雨）降雨强强度：指度：指单单位位时间时间内的降水量；内的降水量；5 5）降雨面）降雨面积积：7.二降雨的基本要素及时空分布特征1降雨要素1）降雨2.降雨的分级8.2.降雨的分级8.3.3.降雨的降雨的时时空分布特征表示方法空分布特征表示方法1 1）降水降水过过程程线线：表示降水随表示降水随时间变时间变化化过过程的曲程的曲线线；9.3.降雨的时空分布特征表示方法1）降水过程线：表示降水随时2 2）降水量累降水量累积积曲曲线线X X轴轴时间时间（h,d,mh,d,m）Y Y轴轴自自降降水水开开始始到到各各时时刻刻降水量累降水量累积值积值；降降水水强强度度等等于于降降水水量量累累积积曲曲线线的的导导数；数；10.2）降水量累积曲线X轴时间（h,d,m）10.平均降水平均降水强强度度瞬瞬时时降水降水强强度度11.11.某站一次降雨某站一次降雨实测实测的各的各时时段雨量段雨量计计算和算和绘绘制制该该次降雨的次降雨的时时段平均降雨段平均降雨强强度和累度和累计计雨量雨量过过程程线线。时间时间t(h)t(h)0-80-88-128-1212-1412-1414-1614-1616-2016-2020-2420-24雨量雨量P Pi i（）（）8 836.236.248.648.6545430306.86.812.某站一次降雨实测的各时段雨量时间0-88-1212-1414根据水文年根据水文年鉴资鉴资料，料，计计算得某站的算得某站的7 7月月1616日的一次降雨累日的一次降雨累计计过过程如表所示，需要推求程如表所示，需要推求时时段均段均为为3h3h的的时时段降雨量。段降雨量。时间时间t(h)t(h)0 06 612121414161620202424累累积积雨量雨量P Pi i（）（）0 0121266.366.3139.2139.2220.2220.2265.2265.2274.8274.813.根据水文年鉴资料，计算得某站的7月16日的一次降雨累计过程如例例题题：某地区降雨量的：某地区降雨量的计计算算时时段段为为3小小时时，经计经计算，相算，相邻邻3个个时时段面降雨量分段面降雨量分别为别为15mm、30mm、9mm，试绘试绘制降雨制降雨过过程程线图线图和累和累计计降雨量降雨量图图。时时 段段0 01 12 23 3雨量（雨量（mmmm）0 0 15 15 30 30 9 9 降雨降雨强强度（度（mm/hmm/h）0 0 累累计计降雨量（降雨量（mmmm）0 0 14.例题：某地区降雨量的计算时段为3小时，经计算，相邻3个时段面3 3）等降水量等降水量线线(等雨量等雨量线线)在在一一个个区区域域某某段段时时间间内内,降降水水量量相相等等点点的的连连线线所构成的等所构成的等值线值线。降降水水量量等等值值线线表表示示了了给给定定时时段段内内降降水水量量随随空空间间的的变变化化规规律；律；15.3）等降水量线(等雨量线)15.16.16.4 4）降水特征降水特征综综合曲合曲线线（如下（如下图图所示）所示）17.4）降水特征综合曲线（如下图所示）17.18.18.第二节 降水的类型及影响因素一 降雨的类型19.第二节降水的类型及影响因素一降雨的类型19.20.20.21.21.22.22.二二 影响降水量的因素影响降水量的因素 1 1 地理位置的影响地理位置的影响1 1）纬纬度：度：纬纬度低气温高，空气湿度大，降水量大，地度低气温高，空气湿度大，降水量大，地球上球上2/32/3的降水分布在南北的降水分布在南北纬纬3030度之度之间间，以赤道附近，以赤道附近为为最多，向两极逐最多，向两极逐渐递渐递减。减。2 2）海海陆陆分分布布：沿沿海海地地区区大大气气中中水水汽汽含含量量多多，水水循循环环交交替替强强烈烈，雨量丰富，向内雨量丰富，向内陆陆逐逐渐渐减少。如在同一减少。如在同一纬纬度上：度上：青青岛岛-济济南南-西安西安-兰兰州州 646-621-566-325 mm 646-621-566-325 mm23.二影响降水量的因素1地理位置的影响23.2 2 大气大气环环流的影响流的影响 大大气气环环流流决决定定着着大大气气的的流流场场和和风风速速场场，从从而而直直接接影影响响全全球球水水汽汽的的分分布布变变化化，以以及及水水汽汽输输送的途径和送的途径和强强度。度。24.2大气环流的影响24.3 3 地形的影响地形的影响 主主要要是是通通过过气气流流的的屏屏障障与与抬抬升升作作用用对对降降水水的的强强度度和和时时空空分分布布产产生生影影响响。一一般般情情况况下下迎迎风风坡坡降降水水量量大大，背背风风坡坡降降水水量小。量小。25.3地形的影响主要是通过气流的屏障与抬升作用对降水 地地形形对对降降水水的的影影响响程程度度决决定定于于地地面面坡坡降降、气流特征以及地表高程的气流特征以及地表高程的变变化等因素。化等因素。不不同同地地区区的的水水汽汽含含量量不不同同，降降水水量量随随高高程的程的递递增率差异很大。增率差异很大。26.地形对降水的影响程度决定于地面坡降、气流特征以及地表4 4 森林的影响森林的影响森林森林对对降水量的影响，有着不同的降水量的影响，有着不同的认识认识：1 1）可可增增大大降降水水量量：法法国国学学者者对对美美国国东东部部大大流流域域研研究究认认为为，森森林林覆覆盖盖率率增增10%10%，降降水水量可增加量可增加3%3%左右。左右。27.4森林的影响森林对降水量的影响，有着不同的认识：22 2）影影响响不不大大：森森林林不不会会影影响响大大尺尺度度气气候候，只只能能对对微微尺尺度度的的气气候候产产生生一一定定的的影影响响，最最多多增加降水量增加降水量1-3%1-3%。28.2）影响不大：森林不会影响大尺度气候，只能对微尺度的气候产生3 3）减少降水量）减少降水量 森森林林能能抑抑制制地地面面温温度度升升高高，削削弱弱对对流流，减减少少降降水水量量；植植物物叶叶面面对对降降水水量量截截留留可可占占总总降降水水量量的的10-20%10-20%，全全部部用用于于蒸蒸发发，间间接接减减少少了了降降水水量量；森森林林对对降降水水的的影影响响研研究究受受到到典典型型性性、测测试试条条件件、测测试试精精度度等等影影响响，有有待待于于进进一步研究。一步研究。29.3）减少降水量29.5 5 水体的影响水体的影响 大大面面积积水水体体表表面面光光滑滑，阻阻力力小小，易易产产生生对对流流，减减少少降降水水量量；水水面面易易产产生生逆逆温温现现象，上升气象，上升气团稳团稳定，不易形成降水。定，不易形成降水。30.5水体的影响30.6 6 人人类类活活动动影响影响 一一般般都都是是通通过过改改变变下下垫垫面面条条件件而而间间接接影影响降水，其影响或减少降水，或增大降水。响降水，其影响或减少降水，或增大降水。植植树树造造林林、大大规规模模砍砍伐伐森森林林、修修建建水水库库、灌灌溉农溉农田、田、围围湖造田、疏干沼湖造田、疏干沼泽泽 “雨雨岛岛效效应应”即即城城市市的的增增雨雨作作用用。其其影影响响的的程程度度、增增雨雨量量的的大大小小，与与城城市市的的规规模模、工厂的多少、当地气候湿工厂的多少、当地气候湿润润的程度等有关。的程度等有关。31.6人类活动影响31.第三第三节节 降雨降雨资资料的分析与插料的分析与插补补1.1.降雨降雨资资料的合理性分析料的合理性分析1)1)利用本地区利用本地区绘绘制的等雨量制的等雨量线图线图来来审查审查个个别别站的降雨量站的降雨量资资料是料是否合理。否合理。2 2）从降雨）从降雨类类型、性型、性质质、地形等方面分析雨量、地形等方面分析雨量资资料是否合理。料是否合理。3 3）利用相）利用相邻邻站同站同时时期的雨量、降雨期的雨量、降雨强强度及降雨度及降雨历时历时作作对对比比检查检查。4 4）利用双累）利用双累积积曲曲线线分析技分析技术术，对测对测站站记录记录的不一致性的不一致性进进行判行判别别和校正。和校正。32.第三节降雨资料的分析与插补1.降雨资料的合理性分析322.2.降雨降雨资资料的插料的插补补1 1）算）算术术平均法平均法2 2）比例法）比例法3 3）等雨量）等雨量线线法法4 4）图图解相关法解相关法33.2.降雨资料的插补33.第四第四节节 降雨量的降雨量的观测观测与与计计算算1 1 意意义义1 1）了解和）了解和计计算一个流域或地区算一个流域或地区总总水水资资源量的基源量的基础础；2 2）是）是进进行水文分析行水文分析计计算，水算，水资资源源评评价的依据。价的依据。34.第四节降雨量的观测与计算1意义34.一一 降雨的降雨的观测观测 为为了掌握各地降水的了掌握各地降水的变变化，水文气象化，水文气象部部门设门设立了大量的雨量站、气象站、水文立了大量的雨量站、气象站、水文站站观测观测降水，每年降水，每年汇总汇总、整、整编编、刊印或存、刊印或存入水文数据入水文数据库库，供各部，供各部门应门应用。降水用。降水观测观测有多种方法，有多种方法，简简述于下：述于下：35.一降雨的观测为了掌握各地降水的变化，水文气象部（一）（一）器器测测法法（1 1）雨量器：如）雨量器：如图图，是最，是最简单简单的的测测雨器，分雨器，分时时段人工段人工观测观测。36.（一）器测法（1）雨量器：如图，是最简单的测雨器，分3（2 2）称重式自）称重式自记记雨量雨量计计：连续测连续测量量记录记录降雨降雨量、降雨量、降雨历时历时和降雨和降雨强强度。度。37.（2）称重式自记雨量计：连续测量记录降雨量、降雨历时和降雨强（3 3）虹吸式自）虹吸式自记记雨量雨量计计 承雨器将雨量承雨器将雨量导导入浮入浮子室，浮子随注入的雨水子室，浮子随注入的雨水增加而上升，增加而上升，带动带动自自记记笔笔在附有在附有时钟时钟的的转转筒上的筒上的记记录纸录纸上上连续记录连续记录随随时间时间累累积积增加的雨量。当累增加的雨量。当累积积雨雨量达量达10mm10mm时时，自行，自行进进行虹行虹吸，使自吸，使自记记笔立即垂直下笔立即垂直下落到落到记录纸记录纸上上纵纵坐坐标标的零的零点，以后又开始点，以后又开始记录记录。38.（3）虹吸式自记雨量计38.（4 4）翻斗式自）翻斗式自记记雨量雨量计计 承雨器接受的雨水流入承雨器接受的雨水流入对对称称的翻斗的一的翻斗的一侧侧，当接，当接满满0.1mm0.1mm雨雨量量时时，翻斗，翻斗倾倾于一于一侧侧把雨水全部把雨水全部泼泼掉，另一翻斗掉，另一翻斗则处则处于于进进水状水状态态。每次翻每次翻转转将将发发出一个脉冲信号，出一个脉冲信号，由由记录设备记记录设备记下下这这些信号并些信号并换换算算为为雨量。雨量。（5 5）容）容栅栅式雨量式雨量计计39.（4）翻斗式自记雨量计承雨器接受的雨水流入对称的翻斗 （二）雷达探（二）雷达探测测：气象雷达利用云、雨、雪等气象雷达利用云、雨、雪等对对无无线电线电波波的反射的反射现现象，随象，随时时探探测测降水的位置、移降水的位置、移动动速速度、方向和度、方向和变变化情况，化情况，进进行降水行降水预报预报。40.（二）雷达探测：气象雷达利用云、雨、雪等对无线（三）（三）气象气象卫卫星云星云图图：气象气象卫卫星按其运行星按其运行轨轨道分道分为为极极轨卫轨卫星和地球静止星和地球静止卫卫星两星两类类。目前利用静止目前利用静止卫卫星随星随时发时发回的云回的云图资图资料，包括可料，包括可见见光云光云图图和和红红外云外云图图，对对降雨等降雨等进进行行预测预测。特点：可引入人特点：可引入人机交互系机交互系统统，自，自动进动进行数据采集、云行数据采集、云图识别图识别、降雨量、降雨量计计算、雨区移算、雨区移动预测动预测等等项项工作。工作。41.（三）气象卫星云图：气象卫星按其运行轨道分为极轨卫二、流域平均降雨量二、流域平均降雨量计计算算42.二、流域平均降雨量计算42.1)1)算算术术平均法平均法算算术术平均法：平均法：流域内流域内各站同一各站同一时时段的雨量段的雨量进进行算行算术术平均。平均。PP某一指定某一指定时时段的流域平均雨量，段的流域平均雨量，mm;mm;nn流域内的雨量站数；流域内的雨量站数；PiPi流域内第流域内第i i站指定站指定时时段的雨量，段的雨量，mm,mm,43.1)算术平均法算术平均法：流域内各站同一时段的雨量进43.例例题题：A:260mmB:140mmC:240mm44.例题：A:260mmB:140mmC:240mm44.算算术术平均法的特点：平均法的特点：适用于面适用于面积积不大，地形起伏不大，站点不大，地形起伏不大，站点较较多且布多且布设较设较均匀的流域，均匀的流域，计计算算简简便。不能利用便。不能利用流域附近的雨量流域附近的雨量资资料。料。45.算术平均法的特点：45.2)2)泰森多泰森多边边形法形法:该该法法假假定定流流域域上上各各点点的的雨雨量量以以其其最最近近的的雨雨量量站站的的雨雨量量为为代代表表，需需要要采采用用一一定定的的方方法法推推求求各各站站代代表表的的在在流流域域中中距距其其最最近近的的点点的的面面积积，这这些些站站代代表表的的面面积积图图称称泰泰森森多多边边形。形。46.2)泰森多边形法:46.f fi i/f-/f-第第i i站代表面站代表面积积占流域面占流域面积积的比的比值值，称，称权权重。重。47.fi/f-第i站代表面积占流域面积的比值，称权流域面流域面积积：350km350km2 2A A、B B站的雨量依次站的雨量依次为为：360mmm360mmm，210mm210mm，试绘试绘出泰森多出泰森多边边形形图图，并用算，并用算术术平均法和泰森多平均法和泰森多边边形法形法计计算算该该次降雨的平均面雨量，比次降雨的平均面雨量，比较较二者的差异。二者的差异。A A、B B权权重分重分别为别为0.780.78，0.220.22A:360mmB:210mm例例题题：48.流域面积：350km2A:360mmB:210mm例题：48例例题题：某流域面：某流域面积积F=20km2，其上有，其上有10个雨量个雨量站，各站代表面站，各站代表面积积已按泰森多已按泰森多边边形法求的，并于形法求的，并于1998年年6月月29日的一次日的一次实测实测降雨一起列于下表，降雨一起列于下表，试计试计算流域本次降雨的平均算流域本次降雨的平均总总雨量。雨量。49.例题：某流域面积F=20km2，其上有10个雨量站，各站代表雨雨量量站站代表代表面面积积Fi（km2）权权重重gi=(fi/F)各站各各站各时时段的雨量、段的雨量、权权雨量（雨量（mm）13-14h14-15h15-16h16-17hP1igiP1iP2igiP2iP3igiP3iP4igiP4i11.20.063.481.19.71.422.790.14560110.732.580.137.530.521.30.941.60.08021.59.71.850.940.0511.546.5151.761.790.0914.165.9171.672.740.138.545.79.8082.340.12036.87.80.992.840.140.127.112.70.8101.230.0614.540.99.40.7流域流域201.0050.雨代表权重各站各时段的雨量、权雨量（mm）13-14h14-雨量雨量站站代表代表面面积积fi权权重重gi=(fi/F)各站各各站各时时段的雨量、段的雨量、权权雨量（雨量（mm）13-14h14-15h15-16h16-17hP1igiP1iP2igiP2iP3igiP3iP4igiP4i11.20.063.40.2081.14.8669.70.5821.40.08422.790.1450.70608.4111.540.70.09832.580.137.50.9830.53.96521.32.7690.90.11741.60.0800.0021.51.729.70.7761.80.14450.940.0511.50.5846.52.325150.751.70.08561.790.0914.11.2765.95.931171.531.60.14472.740.138.51.1145.75.9419.81.2740082.340.1200.0036.84.4167.80.9360.90.10892.840.140.10.0127.13.79412.71.7780.80.112101.230.0614.50.8740.92.4549.40.5640.70.042流域流域201.005.7343.8212.510.93流域的平均流域的平均总总雨量：雨量：5.73+43.82+12.5+0.93=63.0mm51.雨量站代表权重各站各时段的雨量、权雨量（mm）13-14h1泰森多泰森多边边形法的特点：形法的特点：适用于降雨分布不均，站点适用于降雨分布不均，站点较较少，面少，面积积不大不大的流域。在确定各站的的流域。在确定各站的权权重后也很重后也很简简便，且精度便，且精度较较好。缺点是在各好。缺点是在各场场降雨中把雨量站降雨中把雨量站权权重重视为视为固固定，与定，与实际实际情况不完全一致。情况不完全一致。52.泰森多边形法的特点：52.3 3 等雨量等雨量线线法法:根据流域及附近的雨量站根据流域及附近的雨量站观测观测的同一的同一时时段的雨段的雨量量值值，参考地形影响，参考地形影响，类类似似绘绘制地形等高制地形等高线线那那样样，画出如画出如图图的雨量等的雨量等值线图值线图，然后量出相，然后量出相邻邻等等值线间值线间的流域面的流域面积积 ，即可按下式，即可按下式计计算流域平均雨量算流域平均雨量 -上的平均雨量，等于相上的平均雨量，等于相邻邻的的2 2条等条等值线值线数数值值的平均数。的平均数。53.3等雨量线法:根据流域及附近的雨量站观测的同一时54.54.120mm140mm160mm180mm100mmF1F2F3F4F1=500km2F2=1500km2 F3=3000km2 F4=4000km2例例题题：55.120mm140mm160mm180mm100mmF1F2F等雨量等雨量线线法的特点：法的特点：适用于面适用于面积积大、站点密的流域。理大、站点密的流域。理论论上上较较完善，完善，但每次降雨都必但每次降雨都必须绘须绘制等雨量制等雨量线线，并，并计计算算权权重，工重，工作量大；作量大；对对短短历时历时降水量，由于空降水量，由于空间间分布不均，插分布不均，插补补站降水量与附近站降水量之站降水量与附近站降水量之间间的相关关系的相关关系较较差，差，从等雨量从等雨量线图线图上内插效果上内插效果较较好。好。56.等雨量线法的特点：56.4 4（客客观观运行法）运行法）距离平方倒数法距离平方倒数法 1 1）将）将计计算区域网格化；算区域网格化；12xPjy3457.4（客观运行法）距离平方倒数法1）将计算区域网格化；2 2）根根据据各各网网格格临临近近若若干干个个降降雨雨站站的的数数量量，利利用用一一定定的插的插值值方法，方法，计计算出各网格降水量的近似算出各网格降水量的近似值值3 3）取各网格降水量的算）取各网格降水量的算术术平均平均值值，即，即为计为计算区的平算区的平均降水量。均降水量。58.2）根据各网格临近若干个降雨站的数量，利用一定的插值方法，计距离平方倒数法距离平方倒数法的特点的特点 改改进进了站与站之了站与站之间间的雨量呈的雨量呈线线性性变变化的假化的假设设，整个整个计计算算过过程比程比较较复复杂杂，但便于用，但便于用计计算机算机处处理。理。该该法可根据法可根据实际实际雨量站网的降雨量插雨量站网的降雨量插补补出每个网出每个网格格点上的雨量，格格点上的雨量，这这就就为为分布式流域水文模型要分布式流域水文模型要求分布式降雨求分布式降雨输输入提供了可能性。入提供了可能性。59.距离平方倒数法的特点改进了站与站之间的雨量呈线性变化基于数字化技基于数字化技术术的流域降雨量的流域降雨量计计算方法：主要是以算方法：主要是以计计算算流域的年降雨量流域的年降雨量为为目的，以数字化技目的，以数字化技术术数字高程模数字高程模型型为应为应用用蓝蓝本，并以此本，并以此为为基基础础，衍生出一个新的数字化，衍生出一个新的数字化模型模型数字降雨模型。将数字降雨模型。将这这两种模型技两种模型技术术与水文学的与水文学的原理和原理和计计算方法算方法结结合起来，更加科学的合起来，更加科学的应应用到水文用到水文计计算算中去，得出更中去，得出更简简便更接近真便更接近真实值实值的新型的的新型的计计算降雨量的算降雨量的方法。方法。（MapInfo）60.基于数字化技术的流域降雨量计算方法：主要是以计算流域的年降雨思考以下问题：（我国时空降雨分布特征）1.1.我国降雨量的划分我国降雨量的划分带带有几种？有几种？2.2.水文年？（枯水期水文年？（枯水期-丰水期）丰水期）3.3.极极值值比？比？4.4.解解释变释变差系数。水文学中的差系数。水文学中的变变差系数有何意差系数有何意义义？我国年降雨量的？我国年降雨量的变变差系数是否有地差系数是否有地带带性分性分布的特征？布的特征？61.思考以下问题：（我国时空降雨分布特征）1.我国降雨量的划分带复复习习思考思考题题：1.降雨历时与降雨时间的区别；2.降雨特征的表示方法有哪些？3.面降水量的计算方法有哪些？4.影响降水的因素有哪些？5.为什么我国的年降水量从东南沿海向西北内陆递减？6.同一地区的多年平均降雨量山区的往往大于平原的，而多年平均蒸发量则往往相反，请说明原因。62.复习思考题：1.降雨历时与降雨时间的区别；62.