段永超
, 孟凡浩, 罗敏
DUAN Yongchao, MENG Fanhao, LUO Min
通讯作者:
收稿日期: 2017-06-27
修回日期: 2017-08-31
网络出版日期: 2017-12-25
版权声明: 2017 《地球信息科学学报》编辑部 《地球信息科学学报》编辑部 所有
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作者简介:
作者简介：段永超(1990-),男,博士生,主要从事遥感水文研究。E-mail: duanyongchao_1@163.com
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摘要
气候变暖背景下高海拔山区融雪（冰）以及强降水引发的洪水愈加难以预测,通过山区雨雪分离可判定引发洪水的温度条件,从而为山洪准确预报提供简单而科学的参考依据。本研究以昆仑山提孜那甫河流域为例,基于流域内不同海拔气象站2012-2016年的降水以及温度数据,结合MOD10A2积雪数据,采用温度积分法和概率统计方法,利用研究期内的平均温度,确定出不同降水形态对应的温度条件,以达到雨雪分离的目的。研究结果表明,莫木克站最大温和积温分别达到20.91 ℃和51.82 ℃时,降水可判定为降雨,最大温和积温分别低于18.13 ℃,43.69 ℃时,降水可判定为降雪;库地站最大温和积温分别达到14.51 ℃,33.17 ℃时,降水可判定为降雨,最大温和积温分别低于13.57 ℃,31.68 ℃时,降水可判定为降雪;西合休站最大温和积温分别达到9.43 ℃,19.53 ℃时,降水可判定为降雨,最大温和积温分别低于8.22 ℃,19.4 ℃时,降水可判定为降雪。利用流域内气象站点附近乡镇的气象统计数据对温度条件及分离结果进行验证,在海拔2000 m以下、2000~3000 m以及3000 m以上不同海拔地区的准确率分别为92.86%、79.49%以及88.3%。本研究可为判别洪水类型和洪水预报提供科学参考。
关键词：
Abstract
Under the context of global climate change, the heavy flood caused by the snow melting (glacier melting) as well as heavy rainfall in the high altitude mountainous areas in Xinjiang Uygur Autonomous Region was becoming more unpredictable. Therefore, clarifying the relationship between the temperature and the rainfall types is the prerequisite step to predict the flood effectively in these mountainous regions. Fortunately, the approach of rainfall and snowfall separation in mountainous regions is capable of determining the temperature conditions which may cause the heavy flood. It is also able to provide important and scientific references to the accurately prediction for the heavy flood in the mountainous regions. In this study, temperature and precipitation data were collected from ground-based meteorological stations located in different altitude in a case study area: the Tizinafu River Basin in Kunlun Mountains. This study was conducted on a daily basis during 2012 to 2016. The MODIS10A2 snow cover data with 8-day temporal resolution were also applied as the valid reference data. For the purpose of rainfall and snow separation, we adopted the temperature integral and probability statistics methods to analyze the temperature conditions for different rainfall types in the research region. The remote sensing snow cover data combined with the average temperature over the latest past few years are used to determine the different temperature conditions with different precipitation patterns. The results were summarized as follows. If the maximum temperature and accumulated temperature reaches 20.91 ˚C and 51.82 ˚C, respectively, the precipitation can be predicted as rainfall in the Momuke station. In contrast, if maximum and accumulated temperature are below 18.13 ˚C and 43.69 ˚C, respectively, the precipitation can be predicted as snowfall. Similarly, for Kudi station, if the maximum and accumulated temperature reaches 14.51 ˚C and 33.17 ˚C, respectively, the precipitation can be judged as rainfall. While the precipitation will be recognized as snowfall when the maximum and accumulated temperature are below 13.57 ˚C and 31.68 ˚C, respectively. In the same way, when the maximum temperature and accumulated temperature in the Xihexiu meteorological station are above 9.43 ˚C and 19.53 ˚C, respectively, the precipitation will be recognized as rainfall and the precipitation will be recognized as snowfall once maximum temperature and accumulated temperature are below 8.22 ˚C and 19.4 ˚C, respectively. For validating and evaluating the credibility of this rainfall and snowfall separation method as well as the reasonability of the reference temperature conditions, the meteorological data from the nearby villages of the study catchment were used to assess rainfall and snow separation results. From the results, we can conclude that in different elevation bands, the rainfall and snow separation results are always acceptable with different levels. The precisions are 92.86%, 79.49% and 88.3% in the elevation bands below 2000 m, 2000-3000 m, and 3000 m above sea level, respectively. The results is capable of providing a scientific evidence for monitoring flood types and flood forecasting, which is of great significance and is related to create new water resource management guidelines and planning schemes for local people and decision makers.
Keywords：
中国山区分布广泛且地形复杂,山洪[1]频率高发且影响较大。又因山区气候条件复杂,随机性降水事件诱发的山洪增加了山区洪水预报的不确定性。在全球变暖背景下,极端天气以及极端水文事件发生频率较以前有显著增多,范围更大,程度更剧烈[2]。而目前针对诱发山洪的温度和降水条件尚不清晰,因此有效判定温度和降水的界定条件用以区分雨雪对提高山洪预报准确度有着至关重要的作用。新疆位于中国西北干旱内陆区,有三山夹两盆的地貌特征,山洪灾害发生频繁,尤其在昆仑山地区。历史观测数据表明,近几十年来昆仑山降水量和温度均有增加趋势,是山洪灾害多发的重要地区。据相关报道统计,因山洪灾害死亡的人数约占洪涝灾害死亡人数的70%,受灾损失占50%以上[3-4]。因此,加强山洪灾害防治工作,逐步建设山洪灾害监测预警系统[5],定量分析温度条件和降水条件与高山雨雪分离之间关系以确定山洪爆发的可能性显得尤为重要。
近年来,国内外学者从不同角度对山区雨雪洪水准确预报和预警进行了大量研究[6-13]。主要集中在山洪的诱发因素、临界条件以及发生过程的模 拟[14-16],气象学者主要着眼于一些触发山洪的强降水监测预警方面研究[17-19],而水文学者则倾向于利用水文过程模型对山洪进行模拟预测[20]。无论是降水监测还是水文过程模拟,对山洪准确预报的前提是要准确判断洪水类型,山洪类型主要分为降雨型洪水、融雪融冰型洪水和混合型洪水3种,山区降水形态决定了洪水类型。因此,降水类型的判断是山区洪水预报预警的关键。漆梁波等[21]通过统计分析得出中国东部地区冬季降水相态的推荐识别判据,并发现综合考虑温度以及温度层的厚度因子的识别判据表现更好。张琳娜等[22]利用月降水的历史资料统计分析了北京地区冬季出现雨夹雪天气的季节特征,得到不同降水形态的不同阈值范围。李江波等[23]分别应用高空及地面气温等数据,用0 ℃层高度作为降水相态预报指标,并在日常业务中应用。尤凤春等[24]总结出地面温度和露点判别指标以及降水相态统计预报方程作为降水相态预报服务的参考依据。姚亚楠等[25]基于新疆开都河流域4个气象站点的日平均气温与不同降水形态数据的统计分析,结合海拔高程探讨了不同降水形态下的降水频次和降水量与气温的分布规律。然而,目前关于降水相态的区分研究主要集中于东部平原区,关于西部内陆山区降水形态的区分研究较少。此外,目前对雨雪分离的条件的定量化分析研究稍显不足。
本研究以昆仑山提孜那甫河（简称提河）流域为实验区,通过分析该流域的气温、降水和积雪面积变化等特征,基于温度条件与积雪面积变化关系提出区分不同海拔高度降水形态的温度条件阈值,本研究将为该地区山洪预报提供科学参考依据。
提河位于喀什地区南部,范围为36°30′35"~ 37°44′43" N,76°34′43"~77°16′13" E,总面积为 5.6×103 km2（图1）。流域最低海拔为1476 m,最高海拔为6320 m。提河发源于昆仑山北坡的科克阿克达坂,河源分布着大量的现代大陆冰川、永久性积雪以及季节性积雪。全长335 km,自东南向东北,流经叶城、泽普、莎车等地区,小部分于麦盖提恰隆汇入叶尔羌河。提河日平均温度为6.71 ℃,日平均降水为0.6 mm,年均流量24.4 m3/s,在1977年出现最大流量达519 m3/s[26]。每年5-9月为洪水期,12月至次年2月为枯水期。
本研究采用的数据主要包括MODIS积雪产品MOD10A2的积雪面积数据（2012-2016）和提河流域内的莫木克、库地、西合休3个气象站的日气温和日降水等实测数据（表1）。山区以及较高海拔地区的降水形态与温度有着密切关系,日积温和日最大温度可以用来作为评价降水形态最主要的2个指标。MOD10A2数据的时间分辨率为8 d,为了保证气象数据与MOD10A2积雪数据的时间步长一致,对气象观测数据进行处理,即根据积雪产品的时间节点计算出对应的8 d时间中日最大温度平均值,以及8 d的日积温平均值。
表1 气象站点信息表
Tab. 1 Meteorological station information
| 气象站点 | 经度/E | 纬度/N | 海拔/m | 资料数据 | 时段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 莫木克 | 76°58′10" | 37°23′12" | 1863 | 气象、降水 | 2012-2016 |
| 库地 | 76°58′48" | 36°50′27" | 2962 | 气象、降水 | 2012-2016 |
| 西合休 | 76°39′58" | 36°57′31" | 3067 | 气象、降水 | 2012-2016 |
利用MOD10A2积雪产品分析该流域一年之中积雪面积的变化,找到积雪面积减少明显的拐点.从这一时间拐点之后认为降水以降雨形态为主,通过计算此拐点到下一点之间这8 d时间中存在降水的平均日积温和平均日最大温,即可假定当日积温 和日最大温分别达此临界条件时,降水即为降雨。到了九月之后该流域的降水主要以降雪为主,因此找到积雪面积显著增加的时间拐点,可以认为从此点之前8 d时间中降水以降雪形态为主,计算有降水天气的日平均积温和日平均最大温,即可假定日积温和日最大温低于此临界条件时的降水即为降雪。
渡边直在1979年提出根据日最大温度和日最小温度来计算有效积温的方法,即根据每天气温变化近似正弦曲线的假定进行推算[27]。基于温度观测数据,找到每天最大和最小温度,采用正弦法将实测数据拟合为一条正弦曲线,计算每日大于0 ℃的有效积温[28],如图2所示。
本文进行积温计算时,采用的是积分方法,首先推导不同情况下积温的计算公式。在实际情况下,一天的积温大致会出现3种情况,分别如图3所示。其中,T1曲线代表的是一天中最小温度高于0 ℃的情况,T2表示的是0 ℃介于最大温度和最小温度之间的情况,T3曲线表示的是最大温度低于或等于0 ℃的情况。一般情况下,积温只包含大于0 ℃时的温度和,因此求积温时只针对前2种情况。式（1）为一天中温度变化曲线的公式。
式中：T代表一天中任意时刻的温度;Tmax代表一天中最大温度;Tmin代表一天中最小温度;t代表的是弧度[0-π],因为一天中温度变化大体呈现正弦曲线,将一天中24 h转化为弧度[0-π]进行表示。
因为积温代表的是不低于0 ℃时的温度,因此对T1曲线情况直接进行积分计算。出现T2曲线情况时,只对0 ℃以上温度进行积分运算,即先计算出0 ℃时对应的弧度,并在此区间内对温度进行积分。出现T3曲线情况时,不需要进行积温计算,很明显一天中积温小于零,此种情况下若存在降水,则认为全是以降雪的形式出现。用式（1）推导出日积温的计算式（2）。
式中：
查找3个站点所在地区或者附近地区的气象降水统计年鉴,以此作为区分降水是以降雪还是降雨形态的验证数据。统计按照正弦曲线法确定出降雨温度条件和降雪温度条件,得到各站点降雨和降雪的温度区间。将统计年鉴中存在降雨和降雪时的温度与确定的温度区间进行对比,查看此时的温度是否在所确定的温度区间内,如果存在说明是正确的事件,反之是错误事件。统计总的降水事件个数及正确事件的个数并按照式（3）对区分降雪或降雨事件正确率评价。
式中：P表示降雪和降雨事件的正确率;t表示的是验证数据中正确分类的降雨或者降雪时间的个数;T表示验证数据中总的降雨或者降雪事件的个数。
根据流域内3个气象站点实测的日平均温度和日降水数据对该流域气温和降水变化进行分析。图4是处于不同海拔高度的气象站点的温度与降水变化图。西合休和库地是位于高海拔的山区,莫木克气象站是位于较低海拔的平原区。单纯从温度方面来进行分析,3个站点显示气温在2012-2016年温度均呈现上升趋势,从各气象站的温度趋势线公式中得出,莫木克、库地、西合休的日平均温度增速分别为0.0018、0.0039和0.0051 ℃。
图4 2012-2016年各气象站日平均温度与降水变化曲线
Fig. 4 The daily temperature and precipitation change curve of each meteorological station from 2012 to 2016
随着海拔的增加,温度增速逐渐减小。从3个气象站点降水趋势线公式分析降水的变化趋势, 莫木克、西合休、库地3站点降水的增速分别为 -2E-06、7E-06、2E-07。莫木克降水是呈现减少趋势,库地站和西合休的降水是呈现增加趋势的。与各站点所处的海拔高度联系在一起分析,可以认为从莫木克站点降水来分析提河流域1000~2000 m海拔上的降水为减少区,在2000~3000 m海拔上降水增加最大,3000 m以上海拔的山区降水虽然增加但是增幅相比2000~3000 m地区减少。这说明降水在高海拔山区呈现增加趋势。
通过提取提河流域2012-2016年MOD10A2积雪数据,得到积雪面积变化情况如图5所示。积 雪面积在年内呈现规律性波动,春末夏初温度开始升高,较低海拔山区积雪面积开始萎缩,从来源 上看,主要是因为降雪减少;而秋末冬初气温降低,积雪面积逐渐增加,山区降水则以降雪形式为主。年际变化趋势线斜率为正,说明该流域积雪面积 整体呈增加趋势,积雪面积最大值出现在2015年12月11日,在2015年冬季积雪面积相比往年明 显增加。从图中可知,无论是总的积雪面积变化,还是夏季或者冬季积雪面积变化都呈现增加 趋势。冬季积雪面积增加速率最快,夏季积雪面积增加速率最慢。2015年冬季积雪面积在这几年中达到了最大值,2016年夏季积雪面积同样达到了最大值。
图5 提河流域2012-2016年积雪面积变化图
Fig. 5 The change of snow area of Tihe Basin from 2012 to 2016
基于2013年提河积雪面积和莫木克气象站的观测数据,将气象站的观测数据按照积雪数据时间步长进行整理,计算积温、平均温度并且与积雪面积变化进行对比分析。春季积雪开始消融,秋季积雪面积重新开始增加,因此可找到积雪面积变化剧烈的点为积雪面积变化转折点。结果如图6所示,在5月9日这一天积雪面积开始减少,而且此后并无明显增加,并且温度处于波动增加趋势,可以假定从5月9日之后开始的降水主要以降雨形态为主,而在11月1日积雪面积有显著增加,并且温度在11月1日之后温度处于下降趋势,可以判定在 10月24日至11月1日之间的降水形态是降雪。利用此种方法,分别对3个气象站点2013-2016年气象数据与积雪面积进行分析,统计得到每个站点历年降雨和降雪拐点的温度（表2）。
图6 2013年提河流域积雪面积与温度变化关系图
Fig. 6 Relationship between snow area and temperature variation in 2013
表2 站点日积温和日最大温统计表（℃）
Tab. 2 Statistics of site accumulated temperature and maximum temperature
| 年份 | 莫木克站 | 库地站 | 西合休站 | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 降雨温度 | 降雪温度 | 降雨温度 | 降雪温度 | 降雨温度 | 降雪温度 | ||||||||||||
| 积温 | 最大温度 | 积温 | 最大温度 | 积温 | 最大温度 | 积温 | 最大温度 | 积温 | 最大温度 | 积温 | 最大温度 | ||||||
| 2013 | 41.68 | 16.22 | 30.03 | 14.97 | 28.80 | 13.03 | 18.08 | 9.37 | 26.05 | 11.73 | 1.70 | 1.41 | |||||
| 2014 | 40.86 | 16.37 | 39.21 | 18.87 | 35.96 | 15.04 | 28.59 | 14.03 | 11.21 | 5.65 | 11.25 | 5.79 | |||||
| 2015 | 68.27 | 28.68 | 51.97 | 19.56 | 18.09 | 9.06 | 36.76 | 14.22 | 14.40 | 7.27 | 29.18 | 11.29 | |||||
| 2016 | 56.47 | 22.35 | 53.56 | 19.13 | 49.83 | 20.92 | 43.28 | 16.64 | 26.45 | 13.08 | 35.46 | 14.37 | |||||
| 平均值 | 51.82 | 20.91 | 43.69 | 18.13 | 33.17 | 14.51 | 31.68 | 13.57 | 19.53 | 9.43 | 19.40 | 8.22 | |||||
通过对表2进行统计分析并对历年日积温和日最大温求平均,莫木克站当日积温不小于51.82 ℃,且最大温度不小于20.91 ℃时,降水主要以降雨形态存在;当日积温不大于43.69 ℃,且最大温不大于18.13 ℃时,降水主要以降雪为主。而库地站当日积温不小于33.17 ℃时,且日最大温度不小于14.51 ℃时,降水主要以降雨形态存在;当日积温不大于31.68 ℃时,且日最大温度不大于13.57 ℃时,降水主要以降雪形态存在。对于西合休站来说,当日积温不小于19.53 ℃,且日最大温度不小于9.43 ℃时,降水主要以降雨形态存在;当日最积温不大于19.40 ℃,且日最大温度不大于8.22 ℃时,降水主要以降雪为主。
通过查找3个站点所在地区或者附近地区的气象降水统计年鉴分别对3个站点所求的降雨温度条件和降雪温度条件进行验证。莫木克站采用的是柯克亚乡2016年5-12月的气象降雨统计数据,西合休站采用的是西合休乡2016年5-12月的气象降雨统计数据,库地站采用的是康克尔柯尔克孜乡2016年5-12月的气象降雨统计数据。
利用概率统计方法对3个站点存在降水事件个数进行统计,当降水事件发生时的积温和最大温度都在所求范围时,认为是正确分类事件,利用式（3）计算正确率,正确率的值即表示出现相应降水事件的概率。如表3所示,莫木克站点的准确率达到了92.86%,库地站准确率为79.49%,西合休站准确率为88.3%。
表3 站点精度验证统计表
Tab. 3 Statistics of the site accuracy verification
| 站点 | 事件总数 | 正确数量 | 准确率/% |
|---|---|---|---|
| 莫木克 | 14 | 13 | 92.86 |
| 库地 | 39 | 31 | 79.49 |
| 西合休 | 94 | 83 | 88.30 |
本文基于提河流域3个气象站点观测数据和该流域的MOD10A2积雪面积等数据,采用温度积分法、概率统计法等方法对提河流域不同海拔地区降水形态的温度条件进行研究,主要得到以下结论：
（1）在提河流域海拔低于2000 m的地区,当日积温不小于51.82 ℃,且日最大温度不小于20.91 ℃时,如果存在降水,则降水形态是降雨的概率为92.86%,当日积温不大于43.69 ℃,且日最大温度不大于18.13 ℃时,则降水形态是雨夹雪或降雪的概率为92.86%;
（2）在海拔2000~3000 m的地区,当日积温不小于33.17 ℃,且日最大温度不小于14.51 ℃时,则降水形态是降雨的概率为79.49%,当日积温不大于31.68 ℃,且日最大温度不大于13.57 ℃时,则降水形态是雨夹雪或降雪的概率为79.49%;
（3）在海拔3000 m以上地区,当日积温不小于19.53 ℃,且日最大温度不小于9.43 ℃时,则降水形态是降雨的概率为88.3%,当日积温不大于19.40 ℃,且日最大温度不大于8.22 ℃时,则降水形态是雨夹雪或降雪的概率为88.3%。
通过对提河流域不同海拔地区降水形态临界温度的研究,能够很好地区分降水形态,为高寒山区洪水预报及洪水量模拟提供重要的信息。但本文采用的是8 d合成的积雪面积产品来确定降雪事件,在精度上存在一定的不确定性;另外在提河上游高寒山区,用来作为精度验证的统计与观测数据较少,对验证精度可能会产生一定影响。为解决以上不足,后续将安装野外相机对降雨形态进行记录观测,从时间分辨率上可以将时间精度提高到小时级别甚至分钟级别,并对降水形态的温度条件进行修正,为洪水预测预报提供更加准确可靠的参考依据。
The authors have declared that no competing interests exist.
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基于格网的洪水灾害危险性评价分析——以巴基斯坦为例 [J].https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2013.00314 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
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受特殊的气候和地形地质条件影响,特别是近年来极端天气事件增多,我国山洪灾害频繁发生,损失严重,已成为洪涝灾害损失的主体,日益引起政府和社会各界的广泛关注。加强山洪监测预警预报,全力提升山洪灾害综合防御能力,是山区建设、社会经济可持续发展的必须保证。分析了我国山洪特性及预警预报特点,介绍了国内外常用的山洪预警预报技术方法,提出了我国山洪预警预报模型与方法选择的原则和步骤,展示了基于动态临界雨量的山洪预警方法和基于分布式水文模型的山洪预报方法在江西遂川江流域的应用案例,以期为当前所开展的全国山洪灾害防治县级非工程措施建设和中小河流水文监测系统建设等工作提供参考。
Research and application of flood forecasting technology [J].URL 摘要
受特殊的气候和地形地质条件影响,特别是近年来极端天气事件增多,我国山洪灾害频繁发生,损失严重,已成为洪涝灾害损失的主体,日益引起政府和社会各界的广泛关注。加强山洪监测预警预报,全力提升山洪灾害综合防御能力,是山区建设、社会经济可持续发展的必须保证。分析了我国山洪特性及预警预报特点,介绍了国内外常用的山洪预警预报技术方法,提出了我国山洪预警预报模型与方法选择的原则和步骤,展示了基于动态临界雨量的山洪预警方法和基于分布式水文模型的山洪预报方法在江西遂川江流域的应用案例,以期为当前所开展的全国山洪灾害防治县级非工程措施建设和中小河流水文监测系统建设等工作提供参考。
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一种用于缺资料地区山洪预警方法研究与应用 [J].URL 摘要
针对资料缺乏地区中小河流,提出了采用降雨径流相关法进行产流计算,采用Nash汇流模型进行汇流计算的山洪预警方法。利用ArcGIS软件由DEM提取流域的地貌地形信息,建立地形地貌参数与Nash汇流模型参数之间的数学关系,并推求出Nash汇流模型的n和k两个参数值,确定流域的汇流单位线。以大别山区大沙河流域为例,对10次洪水过程进行了模拟。结果表明:该方法不仅避开了大量的降雨径流资料的分析和处理,而且对径流深和洪峰流量模拟合格率均达到了80%,取得了较好的模拟效果,为解决缺资料地区的山洪预警问题提供了一种途径。
Study and application of flash flood warning method for ungauged basins [J].URL 摘要
针对资料缺乏地区中小河流,提出了采用降雨径流相关法进行产流计算,采用Nash汇流模型进行汇流计算的山洪预警方法。利用ArcGIS软件由DEM提取流域的地貌地形信息,建立地形地貌参数与Nash汇流模型参数之间的数学关系,并推求出Nash汇流模型的n和k两个参数值,确定流域的汇流单位线。以大别山区大沙河流域为例,对10次洪水过程进行了模拟。结果表明:该方法不仅避开了大量的降雨径流资料的分析和处理,而且对径流深和洪峰流量模拟合格率均达到了80%,取得了较好的模拟效果,为解决缺资料地区的山洪预警问题提供了一种途径。
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暴雨山洪水动力学模型及初步应用 [J].URL 摘要
建立暴雨山洪水动力学数值模型.基本控制方程采用二维浅水方程, 并考虑降雨和下渗;在空间上采用能有效捕捉激波的VAF TVD二阶格式;在时间上采用一阶龙格库塔法,并采用自适应时间步长满足数值稳定性要求,使模型对复杂地形也能保持高计算效率.基于该模型,提出新的方法 确定山洪灾害的临界降雨条件,并应用于典型山洪易发区的暴雨山洪预报.计算结果表明该研究方法具有理论先进性和实际可操作性,为有效防御山洪灾害提供了新 的技术.
Shallow water hydrodynamic modelling of rainfall-induced flash flooding [J].URL 摘要
建立暴雨山洪水动力学数值模型.基本控制方程采用二维浅水方程, 并考虑降雨和下渗;在空间上采用能有效捕捉激波的VAF TVD二阶格式;在时间上采用一阶龙格库塔法,并采用自适应时间步长满足数值稳定性要求,使模型对复杂地形也能保持高计算效率.基于该模型,提出新的方法 确定山洪灾害的临界降雨条件,并应用于典型山洪易发区的暴雨山洪预报.计算结果表明该研究方法具有理论先进性和实际可操作性,为有效防御山洪灾害提供了新 的技术.
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A spatially distributed flash flood forecasting model [J].https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2007.06.010 URL 摘要
This paper presents a distributed model that is in operational use for forecasting flash floods in northern Austria. The main challenge in developing the model was parameter identification which was addressed by a modelling strategy that involved a model structure defined at the model element scale and multi-source model identification. The model represents runoff generation on a grid basis and lumped routing in the river reaches. Ensemble Kalman Filtering is used to update the model states (grid soil moisture) based on observed runoff. The forecast errors as a function of forecast lead time are evaluated for a number of major events in the 622km 2 Kamp catchment and range from 10% to 30% for 4 24h lead times, respectively.
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The use of distributed hydrological models for the Gard 2002 flash flood event: analysis of associated hydrological processes [J].https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.03.033 URL 摘要
This paper presents a detailed analysis of the September 8 9, 2002 flash flood event in the Gard region (southern France) using two distributed hydrological models: CVN built within the LIQUID hydrological platform and MARINE. The models differ in terms of spatial discretization, infiltration and water redistribution representation, and river flow transfer. MARINE can also account for subsurface lateral flow. Both models are set up using the same available information, namely a DEM and a pedology map. They are forced with high resolution radar rainfall data over a set of 18 sub-catchments ranging from 2.5 to 99km2 and are run without calibration. To begin with, models simulations are assessed against post field estimates of the time of peak and the maximum peak discharge showing a fair agreement for both models. The results are then discussed in terms of flow dynamics, runoff coefficients and soil saturation dynamics. The contribution of the subsurface lateral flow is also quantified using the MARINE model. This analysis highlights that rainfall remains the first controlling factor of flash flood dynamics. High rainfall peak intensities are very influential of the maximum peak discharge for both models, but especially for the CVN model which has a simplified overland flow transfer. The river bed roughness also influences the peak intensity and time. Soil spatial representation is shown to have a significant role on runoff coefficients and on the spatial variability of saturation dynamics. Simulated soil saturation is found to be strongly related with soil depth and initial storage deficit maps, due to a full saturation of most of the area at the end of the event. When activated, the signature of subsurface lateral flow is also visible in the spatial patterns of soil saturation with higher values concentrating along the river network. However, the data currently available do not allow the assessment of both patterns. The paper concludes with a set of recommendations for enhancing field observations in order to progress in process understanding and gather a larger set of data to improve the realism of distributed models.
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Benefit of coupling the ISBA land surface model with a TOPMODEL hydrological model version dedicated to Mediterranean flash-floods [J].https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.04.012 URL 摘要
The ISBA land surface model and a version of the TOPMODEL hydrological model have been coupled to simulate Mediterranean flash-floods. This coupling makes use of the watershed topography to compute the sub-surface lateral water fluxes and spatial and temporal dynamics of the saturated areas, following the TOPMODEL principles. The ISBA model governs the overall water budget and estimates the runoff supplied to the flow routing model. When applied to six flash-flooding events that occurred recently over South-eastern France the coupled system proved its ability to better forecast both timing and intensity of the flood peaks compared with the ISBA model used alone. To highlight further the differences between the two systems, an idealized framework was set up. The benefit of using ISBA OPMODEL instead of the ISBA model alone is clearly shown and leads to more physically consistent soil moisture and discharge simulations. The coupled system is able to simulate soil moisture and discharges that are not only governed by the rainfall, but also by the topography of the watershed.
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One-dimensional hydrodynamic/sediment transport model applicable to steep mountain streams [J].https://doi.org/10.1080/00221686.2004.9728402 URL [本文引用: 1] 摘要
A new one-dimensional (1-D) numerical model for calculating flow and sediment transport in steep mountain streams is developed. 3 ST1D, which stands for Steep Stream Sediment Transport 1-D model, is applicable to unsteady flow conditions that occur over transcritical flow stream reaches such as flows over step-pool sequences. 3ST1D consists of two coupled components, the hydrodynamic and the sediment transport. The flow component is addressed here by solving the unsteady form of the Saint-Venant equations. The Total Variation Diminishing Dissipation (TVD)-MacCormack scheme, which is a shock-capturing scheme capable of rendering the solution oscillation free, is employed here to approximate the hydrodynamic solution over transcritical flow stream reaches. The sediment component of the model accounts for multifractional sediment transport and incorporates a series of various incipient motion criteria and frictional formulas applicable to mountain streams. In addition, sediment entrainability is estimated based on a state-of-the art formula that accounts for the bed porosity, turbulent bursting frequency, probability of occurrence of strong episodic turbulent events, and sediment availability in the unit bed area. The model at the end of each time step predicts the flow depth, velocity and shear stress distribution within a cell and calculates changes in bed evolution and grain size distribution. The overall performance of the model is evaluated by comparing its predictions with observations from two flume studies, two field investigations and against the predictions of the quasi-steady model of Lopez and Falcon developed for mountain streams. A sensitivity analysis is performed to assess the effects of cell size and Manning鈥檚 roughness coefficient in the predictive ability of the model.
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新疆洪水成因及特性分析 [J].Genesis and characteristic analysis of flood in Xinjiang province [J]. |
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新疆北疆地区融雪洪水灾害预警模型的建立与验证 [J].URL 摘要
结合新疆北疆地区春季融雪洪水的特点以及当地的经济、社会现状,将影响新疆春季融雪洪水灾害 大小的主要因素划分为自然、经济、人口、防洪设施贡献四大类因子,对这四大类因子进一步细化,经过量化处理成为相应的指数,综合各类指数,构建出度量融雪 洪水灾害大小的预警指数模型。采用呼图壁县军塘湖流域历史洪水灾害资料对该预警指数模型进行验证,得到较好的效果。通过对导致预警产生偏差的影响因素进行 分析表明,由于经济因子指数的估计受主观影响较强,该模型无法验证北疆地区所有情况。随着监测的不断深入,并与积雪遥感监测相结合可以进一步提高模型的预 测精度。总之,该预警模型的建立有助于新疆春季积雪的监测和评估,可以有效减少春季洪水损失,保护当地人民生命财产安全,为融雪洪水的预警提供决策依据, 具有显著的社会效益和经济效益。
Establishment and validation of early_warning model for snowmelt flood in North Xinjiang [J].URL 摘要
结合新疆北疆地区春季融雪洪水的特点以及当地的经济、社会现状,将影响新疆春季融雪洪水灾害 大小的主要因素划分为自然、经济、人口、防洪设施贡献四大类因子,对这四大类因子进一步细化,经过量化处理成为相应的指数,综合各类指数,构建出度量融雪 洪水灾害大小的预警指数模型。采用呼图壁县军塘湖流域历史洪水灾害资料对该预警指数模型进行验证,得到较好的效果。通过对导致预警产生偏差的影响因素进行 分析表明,由于经济因子指数的估计受主观影响较强,该模型无法验证北疆地区所有情况。随着监测的不断深入,并与积雪遥感监测相结合可以进一步提高模型的预 测精度。总之,该预警模型的建立有助于新疆春季积雪的监测和评估,可以有效减少春季洪水损失,保护当地人民生命财产安全,为融雪洪水的预警提供决策依据, 具有显著的社会效益和经济效益。
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新疆塔城地区山洪灾害成因分析 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-6396.2005.13.025 URL [本文引用: 1] 摘要
塔城地区属中温带大陆性气候 区,区内河流山溪纵横,受气候原因,地形地质条件及人类活动对生态环境的影响,山洪灾害频发,造成损失巨大,已成为防汛救灾中的一个突出问题,通过大量的 水文气象、地质地貌和灾情的调查,提出塔城地区山洪灾害的特点和成灾原因分析,为山洪灾害防治规划提供参考。
Cause analysis of mountain torrents disaster in Tacheng area of Xinjiang [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-6396.2005.13.025 URL [本文引用: 1] 摘要
塔城地区属中温带大陆性气候 区,区内河流山溪纵横,受气候原因,地形地质条件及人类活动对生态环境的影响,山洪灾害频发,造成损失巨大,已成为防汛救灾中的一个突出问题,通过大量的 水文气象、地质地貌和灾情的调查,提出塔城地区山洪灾害的特点和成灾原因分析,为山洪灾害防治规划提供参考。
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雷达估测降雨技术在实时洪水预报中的应用研究[D] .The study on the application of weather radar precipitation in real-time flood forecasting [D]. |
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天气雷达在洪水预警报中的应用 [J].URL 摘要
本文简述了国内和美国天气雷达在实时洪水预警报中的应用和研究现状，讨论了利用雷达进行定量降水预报和洪水预报中利用天气雷达信息的有关问题，阐述了交互式天气预报和交互式洪水预报有机结合的重要意义。
Application of weather radar in flood warning report [J].URL 摘要
本文简述了国内和美国天气雷达在实时洪水预警报中的应用和研究现状，讨论了利用雷达进行定量降水预报和洪水预报中利用天气雷达信息的有关问题，阐述了交互式天气预报和交互式洪水预报有机结合的重要意义。
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诱发山洪泥石流特强暴雨的特征 [J].The features of severe rainstorm induced mountainous mud-rock flows [J]. |
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水文学原理 [M].Principles of hydrology [M]. |
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中国东部地区冬季降水相态的识别判据研究 [J].https://doi.org/10.7519/j.issn.1000-0526.2012.1.011 URL [本文引用: 1] 摘要
基于中国东部5个冬季的地面降水观测和高空探测资料,针对不同的降水相态,对它们对应的不同温度及不同厚度进行统计分析,最终得到一组中国东部地区冬季降水相态的推荐识别判据。分析发现：由于气候背景不同,我国东部的识别判据阈值和西欧的略有差别,而北美洲识别判据在我国东部的适用性也不好;综合考虑温度因子和厚度因子的识别判据表现则更好一些。该组判据对雨和雪的判别性能较好,TS评分分别达到0.91和0.73;对雨夹雪的容忍性判别TS评分也能达到0.57;但对冻雨（冰粒）的判别效果不好,TS评分仅为0.25左右,空报率达0.70～0.80,主要原因还是识别判据的针对性不足。鉴于该类天气的复杂成因,开发该类天气的客观识别判据需要考虑更细致的大气层结状况和局地气候条件,而当地预报员的预报经验仍将发挥重要的作用。本工作的结果能为我国东部地区的相关业务预报和数值模式产品后处理提供较好的参考。
Research on discrimination criterion of winter precipitation types in Eastern China [J].https://doi.org/10.7519/j.issn.1000-0526.2012.1.011 URL [本文引用: 1] 摘要
基于中国东部5个冬季的地面降水观测和高空探测资料,针对不同的降水相态,对它们对应的不同温度及不同厚度进行统计分析,最终得到一组中国东部地区冬季降水相态的推荐识别判据。分析发现：由于气候背景不同,我国东部的识别判据阈值和西欧的略有差别,而北美洲识别判据在我国东部的适用性也不好;综合考虑温度因子和厚度因子的识别判据表现则更好一些。该组判据对雨和雪的判别性能较好,TS评分分别达到0.91和0.73;对雨夹雪的容忍性判别TS评分也能达到0.57;但对冻雨（冰粒）的判别效果不好,TS评分仅为0.25左右,空报率达0.70～0.80,主要原因还是识别判据的针对性不足。鉴于该类天气的复杂成因,开发该类天气的客观识别判据需要考虑更细致的大气层结状况和局地气候条件,而当地预报员的预报经验仍将发挥重要的作用。本工作的结果能为我国东部地区的相关业务预报和数值模式产品后处理提供较好的参考。
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北京地区冬季降水相态的识别判据研究 [J].https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00147 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
利用1980年7月-2010年6月降水资料,统计分析了近31 年北京地区冬季出现雨夹雪天气的季节特征,得出北京地区雨雪转换频发的季节主要集中在3月和11月.利用2000年冬季至2009年冬季日降水量资料,对 近10年北京地区雨雪转换过渡季节的降水过程和临界值降水过程进行了分析,得到与雨雪转换关系密切的6种物理量:T850、Tg25、T1000、 H1000-700、H1000-850和地面(2 m温度、2 m相对湿度的结合量),以及对应3种不同降水相态的不同阈值范围.利用统计分析结果设定了3种相态评分方法,经检验,每种物理量的判定指标在相态预报中的 准确率都达到60％以上.将6个指标进行综合判定后准确率达到77％.这些降水相态综合判据可为北京地区高时空分辨率冬季降水相态的客观预报提供更加精确 的参考.
Study on the criterion of winter precipitation in Beijing area [J].https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00147 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
利用1980年7月-2010年6月降水资料,统计分析了近31 年北京地区冬季出现雨夹雪天气的季节特征,得出北京地区雨雪转换频发的季节主要集中在3月和11月.利用2000年冬季至2009年冬季日降水量资料,对 近10年北京地区雨雪转换过渡季节的降水过程和临界值降水过程进行了分析,得到与雨雪转换关系密切的6种物理量:T850、Tg25、T1000、 H1000-700、H1000-850和地面(2 m温度、2 m相对湿度的结合量),以及对应3种不同降水相态的不同阈值范围.利用统计分析结果设定了3种相态评分方法,经检验,每种物理量的判定指标在相态预报中的 准确率都达到60％以上.将6个指标进行综合判定后准确率达到77％.这些降水相态综合判据可为北京地区高时空分辨率冬季降水相态的客观预报提供更加精确 的参考.
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一次春季强寒潮的降水相态变化分析 [J].Analysis on the phase T ransformation of precipitation during a strong cold wave happened in spring [J]. |
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北京降水相态判别指标及检验 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2013.05.008 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
为提高降水相态预报准确率,以北京南郊观象台为代表站,选取1951年1月至2011年4月逐日20-20时日数据中出现的雨夹雪日数,统计分析其月变化特点;再选取2000年10月至2011年4月08时和20时出现的雨、雨夹雪、雪个例,使用与降水个例对应时次的地面及高空常规观测数据,统计分析各层常用气象要素在各降水相态判别中的作用,并找出主要影响因子及降水相态判别指标;应用多元回归方法,建立降水相态统计预报方程,并对方程及判别指标进行检验.结果表明:雨和雪的温度、露点平均值在低层(地面到850 hPa)有明显差异,但随着高度增加其差异逐渐减小;因雨和雪的温度露点差平均值各层差异均较小,使用温度露点差很难区分降水相态;对2011年11月至2012年3月出现的降水相态进行检验可知,总结出的地面温度和露点判别指标以及降水相态统计预报方程均有一定的参考价值,可为今后做降水相态预报服务提供参考依据.
Discrimination index of precipitation phase state and its verification in Beijing [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-503X.2013.05.008 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
为提高降水相态预报准确率,以北京南郊观象台为代表站,选取1951年1月至2011年4月逐日20-20时日数据中出现的雨夹雪日数,统计分析其月变化特点;再选取2000年10月至2011年4月08时和20时出现的雨、雨夹雪、雪个例,使用与降水个例对应时次的地面及高空常规观测数据,统计分析各层常用气象要素在各降水相态判别中的作用,并找出主要影响因子及降水相态判别指标;应用多元回归方法,建立降水相态统计预报方程,并对方程及判别指标进行检验.结果表明:雨和雪的温度、露点平均值在低层(地面到850 hPa)有明显差异,但随着高度增加其差异逐渐减小;因雨和雪的温度露点差平均值各层差异均较小,使用温度露点差很难区分降水相态;对2011年11月至2012年3月出现的降水相态进行检验可知,总结出的地面温度和露点判别指标以及降水相态统计预报方程均有一定的参考价值,可为今后做降水相态预报服务提供参考依据.
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气温与降水形态关系研究——以开都河流域为例 [J].
基于开都河流域4个气象站点的日平均气温与不同降水形态数据的统计分析，结合海拔高程探讨不同降水形态下的降水频次和降水量与气温的分布规律，以及不同降水形态的降水频次与降水量发生在同一气温区间的比率变化。结果表明：流域内不同高程站点的降水频次和降水量与气温的分布关系基本呈单峰形态变化，各个站点95%的降雪频次和95%的降雨频次发生在不同的气温区间，95%的降雨量和95%的降雪量发生的气温区间分别小于95%的降雨频次和95%的降雪频次发生的气温区间。降雨形态下随着海拔的升高气温越低越容易降雨，且降雨量增多；降雪形态下随着海拔的升高气温越低越容易降雪，但是降雪量却随海拔的升高，温度越高降雪量越大。随着气温由低至高的变化，降水形态逐渐由降雪形态转变为降雨形态，并且在转变过程中4个站点具有各自不同的临界气温区间。
Relationships between temperature and precipitation forms based on the data from meteorological stations [J].
基于开都河流域4个气象站点的日平均气温与不同降水形态数据的统计分析，结合海拔高程探讨不同降水形态下的降水频次和降水量与气温的分布规律，以及不同降水形态的降水频次与降水量发生在同一气温区间的比率变化。结果表明：流域内不同高程站点的降水频次和降水量与气温的分布关系基本呈单峰形态变化，各个站点95%的降雪频次和95%的降雨频次发生在不同的气温区间，95%的降雨量和95%的降雪量发生的气温区间分别小于95%的降雨频次和95%的降雪频次发生的气温区间。降雨形态下随着海拔的升高气温越低越容易降雨，且降雨量增多；降雪形态下随着海拔的升高气温越低越容易降雪，但是降雪量却随海拔的升高，温度越高降雪量越大。随着气温由低至高的变化，降水形态逐渐由降雪形态转变为降雨形态，并且在转变过程中4个站点具有各自不同的临界气温区间。
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浅析提孜那甫河洪水成因及分类特征 [J].Analysis on the causes and classification of floods in Tizi Nafu River [J]. |
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根据日最高、最低气温计算有效积温的简便方法 [J].
正 1978—1979年的冬季是记载的暖冬,对害虫的越冬和发生期等等会有什么样的影响确实是十分有趣的。在推算害虫发生期、分布限度一类数值时,一般根据日平均气温推算有效积温(以下称"平均法")。在最高气温为15℃,最低气温为4℃,平均气温为9℃的某一天,如果根据"平均法"对发育起点为10℃的害虫推算有效积温则为0。但是,实际上追踪24小时的气温
A simple method for calculating the effective accumulated temperature based on the highest and lowest temperatures [J].
正 1978—1979年的冬季是记载的暖冬,对害虫的越冬和发生期等等会有什么样的影响确实是十分有趣的。在推算害虫发生期、分布限度一类数值时,一般根据日平均气温推算有效积温(以下称"平均法")。在最高气温为15℃,最低气温为4℃,平均气温为9℃的某一天,如果根据"平均法"对发育起点为10℃的害虫推算有效积温则为0。但是,实际上追踪24小时的气温
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介绍一种计算有效积温的方法——根据日最高最低气温 [J].Introduction to a method for calculating the effective accumulated temperature: According to the daily minimum and maximum temperatures [J]. |
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