降水资料的收集与整理课件

第第5章章降水降水资资料的收集与整理料的收集与整理1a5.1降降水水（precipitation）2a大气中各种形式的水汽凝大气中各种形式的水汽凝结结物降落到地面物降落到地面统统称降称降水。降水的形式有：雨（水。降水的形式有：雨（rain）、雪（）、雪（snow）、露）、露（dew）、霜（）、霜（frost）、雹（）、雹（hail）、霰（）、霰（graupel）等等。我国降水以降雨等等。我国降水以降雨为为主，主，因此，也常把降水混称因此，也常把降水混称为为降雨。降雨。降水是水文循降水是水文循环环的重要的重要环节环节，也是人，也是人类类用水的主用水的主要来源。在排水工程要来源。在排水工程设计设计中，如城市和工中，如城市和工矿矿企企业业的排的排水系水系统统和防洪工程的和防洪工程的设计设计中，需要收集降水（暴雨）中，需要收集降水（暴雨）资资料，推算料，推算设计设计雨水流量和雨水流量和设计设计洪水。洪水。3a 5.1.1 5.1.1 降水的降水的观测观测（Observationofprecipitation）为为了掌握各地降水的了掌握各地降水的变变化，水文气象部化，水文气象部门设门设立了立了大量的雨量站、气象站、水文站大量的雨量站、气象站、水文站观测观测降水。降水。（1）器）器测测法法1）雨量器雨量器（raingaugereceiver）如如图图5.1，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.4a每天每天8:008:00需要需要时时可分段可分段观测观测。5a如如图图5.2，承雨器将，承雨器将雨量雨量导导入浮子室，浮子入浮子室，浮子随注入的雨水增加而上随注入的雨水增加而上升，升，带动带动自自记记笔在附有笔在附有时钟时钟的的转转筒上的筒上的记录纸记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。增加的雨量。2）虹吸式自虹吸式自记记雨量雨量计计（siphonrainfallrecorder）6a当累当累积积雨量达雨量达10mm时时，自行自行进进行虹吸，使自行虹吸，使自记记笔笔立即垂直下落到立即垂直下落到记录纸记录纸上上纵纵坐坐标标的零点，以后又开的零点，以后又开始始记录记录。7a（2）雷达探）雷达探测测（radarobservationofprecipitation）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的反射波的反射现现象，随象，随时时探探测测降水的位置、移降水的位置、移动动速度、方向和速度、方向和变变化情化情况，况，进进行降水行降水预报预报。8a9a（3）气象气象卫卫星云星云图图（satellitecloudpicture）利用气象利用气象卫卫星随星随时发时发回探回探测测到的云到的云图资图资料，云料，云图资图资料有两种：料有两种：可可见见光云光云图图（visiblecloudatlas）红红外云外云图图（infraredcloudatlas）根据云的反照率或根据云的反照率或红红外外辐辐射的射的强强弱，弱，对对降雨等降雨等进进行行预测预测。10a11a12a表示降水特征的指表示降水特征的指标标：降雨量（降雨量（amountofrain）：）：降落到地面降落到地面单单位面位面积积上的水上的水层层深度，以深度，以mm计计5.1.2 5.1.2 降水的特征降水的特征降雨量等降雨量等级级：凡日降雨量大于：凡日降雨量大于50mm称称为为暴雨暴雨暴雨（暴雨（storm）：）：50100mm大暴雨（大暴雨（heavystorm）：）：100200mm特大暴雨（特大暴雨（extraordinarystorm）：）：200mm13a降雨降雨历时历时（durationofrainfall）：）：凡降水量都凡降水量都须须指明指明历时历时，一般，一般以以min、h、d、a等等计计.如：次（如：次（过过程）降水量、日降水量、月降水量、程）降水量、日降水量、月降水量、年降水量；年降水量；还还有有各种短各种短历时历时的降雨量，如：的降雨量，如：10min、30min、60min、3h、6h、12h降雨量、日降雨量、降雨量、日降雨量、24h降雨量等等。降雨量等等。14a降雨降雨强强度或雨率（度或雨率（intensityofrainfall）：）：单单位位时间时间内的降水量，内的降水量，以以mm/min、mm/h计计平均降水平均降水强强度：度：瞬瞬时时降水降水强强度：度：15a8:008:0001016a降雨面降雨面积积（rainfallarea）：以）：以km2计计暴雨中心（暴雨中心（stormcenter）上述三上述三项项称称为为降雨的三要素。降雨的三要素。17a5.2降降水水分分布布18a5.2.1 5.2.1 流域平均降水量（面平均雨量）流域平均降水量（面平均雨量）雨量站雨量站观测观测的降水量只代表点的降水，工程的降水量只代表点的降水，工程设设计计需要整个流域面上降水量的空需要整个流域面上降水量的空间间分布和分布和时间时间分布。分布。空空间间分布分布一般用一般用流域面平均雨量流域面平均雨量（或称面雨量）来（或称面雨量）来表示，表示，时间时间分布分布用用降水降水强强度度过过程程线线表示表示。19a（1）算算术术平均法平均法（arithmeticmeanmethod ）流域内各站同流域内各站同时时段的段的实测实测雨量算雨量算术术平均：平均：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；n：流域内的雨量站数；流域内的雨量站数；Pi：流域内第：流域内第i站指定站指定时时段的雨量，段的雨量，mm.20a（2）加加权权平均法平均法（Thiessenpolygonmethod）该该法假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的法假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的雨量雨量为为代表，因此需要采用一定的方法推求各站代表代表，因此需要采用一定的方法推求各站代表的在流域中距其最近的点的面的在流域中距其最近的点的面积积，这这些站代表的面些站代表的面积积图图称泰森多称泰森多边边形，如形，如图图5.3所示。所示。其其作法作法是：先用直是：先用直线线（图图中的虚中的虚线线）就近）就近连连接各站接各站为为许许多三角形，然后作各多三角形，然后作各连线连线的垂直平分的垂直平分线线，它，它们们与流与流域分水域分水线线一起一起组组成成n个多个多边边形，每个多形，每个多边边形的面形的面积积，就，就是其中的雨量站代表的面是其中的雨量站代表的面积积。设设第第i站代表的面站代表的面积为积为fi,雨量雨量为为Pi,则该则该法法计计算流域平均雨量的公式算流域平均雨量的公式为为:21a22afi/F：第第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。23a（3）等雨量等雨量线线法法（isohyetalmethod）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量段的雨量值值，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，画出如如图图5.5的雨量等的雨量等值线值线（isohyet）图图，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fi ：相：相邻邻2条等雨量条等雨量线间线间包包围围的面的面积积。24a25a5.2.2 5.2.2 多年平均最大多年平均最大24h24h降水量降水量多年平均最大多年平均最大24h降水量一般用等降水量一般用等值线图值线图表示，表示，各省水文手册中的水文各省水文手册中的水文图图集都附有集都附有等等值线图值线图，供工程，供工程设计设计用。用。26a27a28a 5.2.3 5.2.3 我国年降水量的分布我国年降水量的分布（1）年降水量地理分布）年降水量地理分布根据多年平均雨量根据多年平均雨量、雨日等，全国大体上可分、雨日等，全国大体上可分为为5个个带带：1、十分湿十分湿润带润带（veryhumidzone）P1600mm、T160天，分布在广天，分布在广东东、海南、海南、福建、台湾、浙江大部、广西福建、台湾、浙江大部、广西东东部、云南西南部、西部、云南西南部、西藏藏东东南部、江西和湖南山区、四川西部山区。南部、江西和湖南山区、四川西部山区。2、湿湿润带润带（humidzone）P=8001600mm、T=120160天，分布在秦岭天，分布在秦岭-淮河以南的淮河以南的长长江中下游地区、云、江中下游地区、云、贵贵、川和广西的大、川和广西的大部分地区。部分地区。29a3、半湿、半湿润带润带（semi-humidzone）P=400800mm、T=80100天，分布在天，分布在华华北平北平原、原、东东北、山西、北、山西、陕陕西大部、甘西大部、甘肃肃、青海、青海东东南部、新南部、新疆北部、四川西北和西藏疆北部、四川西北和西藏东东部。部。4、半干旱半干旱带带（semi-aridzone）P=200400mm、T=6080天，分布在天，分布在东东北西北西部、内蒙、宁夏、甘部、内蒙、宁夏、甘肃肃大部、新疆西部。大部、新疆西部。5、干旱、干旱带带（aridzone）P200mm、T60天，分布在内蒙、宁夏、甘天，分布在内蒙、宁夏、甘肃肃沙漠区、青海柴达木盆地、新疆塔里木盆地和准噶沙漠区、青海柴达木盆地、新疆塔里木盆地和准噶尔尔盆地藏北羌塘地区。盆地藏北羌塘地区。30a（2）降水量的年内、年降水量的年内、年际变际变化化降水量的年内分配很不均匀，主要集中在春夏季，降水量的年内分配很不均匀，主要集中在春夏季，例如例如长长江以南地区，江以南地区，36月或月或47月雨量月雨量约约占全年的占全年的5060%；华华北、北、东东北地区，北地区，69月雨量月雨量约约占全年的占全年的7080%。降水量的年降水量的年际变际变化很大，并有化很大，并有连续连续枯水年枯水年组组和丰和丰水年水年组组的交替。年降水量越小的地方往往年的交替。年降水量越小的地方往往年际间变际间变化化越大。越大。31a（3）我国大暴雨）我国大暴雨时时空分布空分布46月月，大暴雨主要出，大暴雨主要出现现在在长长江以南地区，其量江以南地区，其量级级明明显显自南向北自南向北递递减，山区往往高于丘陵区与平原区。减，山区往往高于丘陵区与平原区。78月月，大暴雨分布很广，全国，大暴雨分布很广，全国许许多地方都出多地方都出现过历现过历史上罕史上罕见见的特大暴雨。的特大暴雨。【例例5.1】1975年年8月月57日，台日，台风风深入河南南部，滞深入河南南部，滞留、徘徊留、徘徊20多小多小时时，林庄站，林庄站24h雨量达雨量达1060.3mm，其，其中中6h达达830.1mm是我国大是我国大陆陆强强度最大的雨量度最大的雨量记录记录.32a【例例5.2】1963年年8月月28日，海河受多次西南日，海河受多次西南涡涡影响，影响，在太行山在太行山东侧东侧山丘区山丘区连连降降7天天7夜大暴雨，獐夜大暴雨，獐吆吆站雨量站雨量2051mm，其中最大，其中最大24h达达950mm.1977年年8月月1日，内蒙、日，内蒙、陕陕西交界的西交界的乌审乌审召出召出现现强强雷暴雨，据雷暴雨，据调查调查，810h内内4处处雨量超雨量超1000mm，最大，最大一一处处超超过过1400mm，强强度之大度之大为为世界所罕世界所罕见见。33a911月月，东东南沿海、海南、台湾一南沿海、海南、台湾一带带，受台，受台风风和南和南下冷空气影响而出下冷空气影响而出现现大暴雨。大暴雨。【例例5.3】1975台湾新潦台湾新潦1967年年10月月1719日曾出日曾出现现24h降雨降雨1672mm，3日日总总雨量达雨量达2749mm的特大暴雨，的特大暴雨，为为全国最大全国最大记录记录。34a5.3点雨量点雨量资资料的整理料的整理35a雨水排除系雨水排除系统统所要排除的雨水，所要排除的雨水，绝绝大部分属短大部分属短历历时时暴雨形成的，雨水径流量大。排水部暴雨形成的，雨水径流量大。排水部门门根据自根据自记记雨雨量量计计自自记记雨量雨量资资料，料，选选出每出每场场暴雨暴雨进进行分析，推算暴行分析，推算暴雨雨强强度度历时历时关系曲关系曲线线，作，作为为排水工程排水工程设计设计的依据。的依据。规规定的定的降雨降雨历时历时：5、10、15、20、30、45、60、90、120min共九种共九种历时历时（当集水面（当集水面积较积较小小时时，可以不，可以不统计统计90、120min）。按）。按这这一一标标准摘准摘录录和和统计统计雨量雨量资资料。料。一次降雨的中途，一次降雨的中途，强强度小于度小于0.1mm/min的持的持续时间续时间超超过过120mm时时，应应作作为为两两场场降雨来降雨来统计统计。36a【例例5.4】图图5.9是某雨量站是某雨量站记录记录到的一到的一场历时场历时102min降雨量降雨量23.1mm的暴雨。由自的暴雨。由自记记雨量雨量计记录计记录到的累到的累积积降降雨量曲雨量曲线线，根据上述的，根据上述的规规定定历时历时，摘，摘录录最大雨量，最大雨量，计计算各种算各种历时历时最大雨最大雨强强。统计时统计时一定要保一定要保证证在在规规定的定的历时历时内的雨量要内的雨量要“连连续续最大最大”，且要，且要“长长包短包短”，最后作雨，最后作雨强强历时历时关系曲关系曲线线。37a历时历时min雨量雨量mm雨雨强强mm/min 起起讫时间讫时间起起迄迄57.01.4016：4316：48109.80.9816：4316：531512.10.8116：4316：582013.70.6816：4317：033016.00.5316：4317：134519.10.4216：4317：286020.40.3416：3717：379022.40.2516：3718：0712023.10.1916：3718：1938a规规律：律：平均雨平均雨强强随随历时历时增增长长而减小。而减小。排水工程：每排水工程：每年年统计统计68场场最最大降雨，大降雨，n20a.历时历时t1t2t339a频频率分析（率分析（设计设计暴雨量推求）：暴雨量推求）：二种方法二种方法1、九种降雨、九种降雨历时历时，将，将统计统计出的每种出的每种历时历时暴雨暴雨强强度度资资料，不料，不论论年序从大到小排列，年序从大到小排列，选择选择相当于年数相当于年数35倍倍S=（35）n的最大数的最大数值值（S应应大于大于40）组组成一个成一个样样本，本，计计算每个雨算每个雨强强数据的数据的经验频经验频率（率（次次频频率率），然后），然后频频率分析，率分析，计计算重算重现现期期为为0.25、0.33、0.50、1、2、3、5、10a的相的相应应暴雨暴雨强强度，作度，作关系表。表关系表。表5-440a2、九种降雨、九种降雨历时历时，每种，每种历时历时每年从大到小每年从大到小选择选择35个个最大数最大数值值，组组成一个成一个样样本，本，样样本容量本容量S=（35）n（S应应大于大于40），），计计算每个雨算每个雨强强数据的数据的经验频经验频率（率（次次频频率率），然后，然后频频率分析，率分析，计计算重算重现现期期为为0.25、0.33、0.50、1、2、3、5、10a的相的相应应暴雨暴雨强强度，作度，作关系关系表。表表。表5-441a5min10min15min20min30min45min60min90min120mini(mm/min)P(%)T42a次次频频率和重率和重现现期：期：设设有有n年年实测实测雨雨强强资资料，每年料，每年选择选择68场场暴雨数据，暴雨数据，样样本容量本容量S=(35)n，次，次频频率率S和次重和次重现现期期T为为：次次频频率：率：次重次重现现期：期：43a次重次重现现期和年重期和年重现现期的期的换换算关系：算关系：【例例5.5】设设有有2020年年实测实测雨雨强强资资料，共取得料，共取得100100个最个最大雨大雨强强数据数据组组成一个成一个样样本，求本，求m=2 和和 m=50雨雨强强的的频频率和重率和重现现期。期。解：解：m=2次次频频率：率：44am=2次重次重现现期：期：m=2年重年重现现期：期：m=50次次频频率：率：m=50次重次重现现期：期：m=50年重年重现现期：期：T1T145a5min10min15min20min30min45min60min90min120mini(mm/min)P(%)P46a5.4暴雨暴雨强强度公式的推求度公式的推求47a 5.4.1 5.4.1 暴雨暴雨强强度公式度公式（rainstormintensityformula）将将频频率分析成果，表率分析成果，表5-4中雨中雨强强历时历时重重现现期数据期数据做成做成图图。暴雨。暴雨强强度随度随历时历时增加而减小，增加而减小，这这种曲种曲线线一般属一般属幂幂函数（函数（powerfunction）。）。用曲用曲线线形式表示形式表示应应用用时时不很方便，所以工程中一不很方便，所以工程中一般将般将曲曲线线族配一个函数形式。族配一个函数形式。48a49a（1）当）当i与与t点点绘绘在双在双对对数数纸纸上上为为曲曲线线关系关系时时（mm/min）50a（2）当）当i与与t点点绘绘在双在双对对数数纸纸上上为为直直线线关系关系时时（mm/h，mm/min）51a式中，式中，n、b、A称称为为暴雨地方特征参数，暴雨地方特征参数，n：暴雨衰减指数，或暴雨：暴雨衰减指数，或暴雨递递减指数；减指数；b：时间时间参数；参数；A：雨力，或：雨力，或时时雨率（雨率（mm/min，mm/h），），A随重随重现现期期T而而变变，可用，可用经验经验公式表示：公式表示：（5.6）（）（5.7）（）（5.8）式）式为为室外排水室外排水设计规设计规范推范推荐的雨水量荐的雨水量计计算算标标准公式。准公式。52a为应为应用方便，将暴雨用方便，将暴雨强强度公式度公式换换算算为为：q：设计设计暴雨暴雨强强度，（度，（L/(s.ha)），），ha=hm2；t：暴雨：暴雨历时历时，（，（min）;T：重：重现现期，（期，（a）.53a利用利用频频率分析成果，表率分析成果，表5-4中中itT数据率定数据率定暴雨公式中参数暴雨公式中参数n、b、A，A确定后再确定确定后再确定A1、C或或A1、B。5.4.2 5.4.2 公式公式 中参数的推求中参数的推求两端取两端取对对数：数：54a表明暴雨表明暴雨强强度曲度曲线线在双在双对对数数纸纸上是一条直上是一条直线线，n为为斜斜率，率，lgA为为截距。截距。又：又：在半在半对对数数纸纸上上为为直直线线，B为为斜率，斜率，A1为为截距截距.（1）图图解法解法将表将表5-4中的数据点中的数据点绘绘在双在双对对数数纸纸上，上，对对不同的不同的T，it近似平行，即斜率近似平行，即斜率n与重与重现现期无关，所以用期无关，所以用历历时时相同相同i取平均，作直取平均，作直线线，斜率，斜率n=0.45.55a56a又又t=1min时时，lgi=lgA，即，即A=i，在，在图图上上读读出出各种重各种重现现期期T，t=1min时时的的i，即，即为为A。重重现现期期T a1053210.50.33 0.25雨力雨力Amm/min3.803.182.772.411.801.230.890.65将表中数据点将表中数据点绘绘在半在半对对数数纸纸上，其斜率上，其斜率为为B。57a58a取：取：解得：解得：由此可得：由此可得：暴雨暴雨强强度公式：度公式：59a（2）最小二乘法（最小二乘法（theleast-squaresmethod）（3.44）令：令：60a将将b=-n，代入上式，整理得：代入上式，整理得：61a由由b=-n，62a推求出推求出后，即得后，即得AT，进进而求而求A1、B：63a【例例5.6】表表5-45-4中数据，中数据，m1=7，m2=8.1、计计算暴雨衰减指数算暴雨衰减指数n以以T=10a为为例：例：64aT1053210.50.330.25nT0.4510.4450.4520.4450.4280.4180.4620.45465a取平均：取平均：n=0.4452、求各种重、求各种重现现期的雨力期的雨力AT66aT(a)105 3 2 1 0.50.330.25AT3.713.112.712.381.781.210.870.633、求参数、求参数A1、B、C67a68a69a4、建立暴雨公式、建立暴雨公式70a5.4.3 5.4.3 公式公式 中参数的推求中参数的推求公式中有三个参数公式中有三个参数A、b、n，先确定参数，先确定参数b，采用采用试摆试摆法法，即假定一个，即假定一个b，使，使i和和（t+b）在双）在双对对数数纸纸上成上成为为一条直一条直线线，b即即为为所求。所求。具体做法：具体做法：对对某一重某一重现现期期T，纵纵坐坐标标lgi保持不保持不变变，在各种在各种历时历时t试试加上相同的加上相同的bT值值，使横坐，使横坐标标lgt变变为为lg(t+bT)，若，若对对某一某一bT值值，lgi和和lg(t+bT)成成为为一条直一条直线线，则该则该bT值值即即为为所求。所求。71a72a其余重其余重现现期做法相同。不同重期做法相同。不同重现现期的期的bT值值不会相同，不会相同，可采用它可采用它们们的平均的平均值值b作作为为第一次近似第一次近似值值，所有重，所有重现现期采用期采用b，在双，在双对对数数纸纸上画出上画出lgi和和lg(t+b)，不断，不断修改修改b，使各种重，使各种重现现期的期的lgi和和lg(t+b)为为一一组组近似近似平行的直平行的直线线，b即即为为所求，余下参数所求，余下参数A、n的确定方法：的确定方法：令：令：x=t+b则则图图解法解法最小二乘法最小二乘法73a 5.4.4 5.4.4 公式公式 中参数中参数 的非的非线线性最小二乘估性最小二乘估计计公式中四个参数：公式中四个参数：A1、C、b、n直接采用非直接采用非线线性性最小二乘估最小二乘估计计，方法：，方法：Gauss-NewtonMethod或或Gauss-Newton-MarqurltMethod.74a5.4.5 5.4.5 利用等利用等值线图值线图求暴雨求暴雨强强度度水利部水利部门门分析了我国八座城市的暴雨分析了我国八座城市的暴雨资资料，暴料，暴雨雨强强度公式采用：度公式采用：历时为历时为t，设计频设计频率率为为P的平均暴雨的平均暴雨强强度，度，mm/h；AP：设计设计雨力雨力，频频率率为为P，历时为历时为1h的平均暴雨的平均暴雨强强度度（averagerainfallintensityfordurationt=1hwithfrequencyP）mm/h；75an：暴雨参数、暴雨暴雨参数、暴雨递递减指数或暴雨衰减指数。减指数或暴雨衰减指数。暴雨暴雨递递减指数减指数n与与历时长历时长短有关，且随地区而短有关，且随地区而变变化，可根据自化，可根据自记记雨量雨量资资料分析。首先料分析。首先对实测对实测各种各种历时历时的雨量的雨量进进行行频频率分析，求得各种率分析，求得各种频频率的率的设计设计雨雨强强it，P及相及相应应的的历时历时t，然后推求，然后推求n。由（。由（5.7）式可知：）式可知：用用图图解法可求得解法可求得n。根据我国。根据我国资资料分析，大多数地料分析，大多数地区区n与与P无关，在无关，在t=1h的前后的前后发发生生变变化，化，记记t1h为为n1，t=1 24h为为n2。n1、n2各地不同，各省已根据各自各地不同，各省已根据各自分析的分析的n1、n2绘绘成了等成了等值线图值线图或分区或分区查查算算图图。76algit，P lgtn2=0.60 P=0.1%n2=0.60 P=1%n1=0.40 n1=0.40AP=0.1%AP=1%1h77a78a79a求求A：频频率率为为P、历时为历时为t的暴雨量：的暴雨量：当：当：若取若取t=24h，则则：80a计计算步算步骤骤：已知：流域中心已知：流域中心P求出求出24h设计设计暴雨量暴雨量P24，P。81a【例例5.7】试试求求图图5-15、5-16中甲站重中甲站重现现期期 T=10a的的设设计计雨力及暴雨雨力及暴雨强强度公式度公式.解：解：查图查图：求求T=10a，82a由：由：查查值值表，表，P=1.34或由：或由：查查K值值表，表，KP=1.4083a求求AP建立暴雨公式建立暴雨公式84a5.5可能最大降水可能最大降水简简介介略略作作业业：P.1665.6求：求：A、i85a