浙江省短历时暴雨.doc
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前言
1、概述
1.1修编缘由
1.2主要依据和技术途径
1.3编图成果
2、暴雨特征
2.1产生暴雨的主要天气系统
2.2最大点暴雨量的分布
2.3暴雨日数与暴雨水资源
3、暴雨统计参数值线图
3.1暴雨统计参数的估算
3.2暴雨统计参数等值线图绘制
4、定点定面关系
5、暴雨时、日雨型
5.124小时概化雨型
5.2暴雨日程分配
6、使用说明
6.1使用范围
6.2使用规定
6.3计算举例
附表:
附表4-1浙江省定点定面关系表
附表6-1皮尔逊-Ⅲ型曲线模比系数Kp值表
附表6-2皮尔逊-Ⅲ型曲线模比系数Φp值表
附图:
附图1、浙江省雨量站点分布图
附图2-1浙江省实测和调查最大10分钟点雨量分布图
附图2-2浙江省实测和调查最大60分钟点雨量分布图
附图2-3浙江省实测和调查最大6小时点雨量分布图
附图2-4浙江省实测和调查最大24小时点雨量分布图
附图2-5浙江省实测和调查最大3天点雨量分布图
附图3-1浙江省最大10分钟点雨量均值等值线图
附图3-2浙江省最大60分钟点雨量均值等值线图
附图3-3浙江省最大6小时点雨量均值等值线图
附图3-4浙江省最大24小时点雨量均值等值线图
附图3-5浙江省最大3天点雨量均值等值线图
附图3-6浙江省最大10分钟点雨量变差系数等值线图
附图3-7浙江省最大60分钟点雨量变差系数等值线图
附图3-8浙江省最大6小时点雨量变差系数等值线图
附图3-9浙江省最大24小时点雨量变差系数等值线图
附图3-10浙江省最大3天点雨量变差系数等值线图
前言
当前存在的洪涝灾害、水资源短缺和水污染三大水问题中,暴雨是产生洪涝灾害的主要根源,研究暴雨的时空分布与数量特值,是科学减灾的重要内容之一。
建国以后,我省先后三次编制暴雨统计参数等值线图。
第一次是1958年编制的《浙江省水文手册》,第二次是1970年编制的《浙江省水文图集》,第三次是在1979年编制的《浙江省可能最大暴雨图集》。
这些“手册”、“图集”在我省水利水电工程建设的规划、设计、管理,公路、铁路桥涵设计和其它国民经济建设中发挥了重要作用。
随着时间的推移,暴雨资料系列不断增长,资料信息量(站年数)剧增,创历史记录的短历时大暴雨不断发生,暴雨量级不断刷新。
上次编图以来,水文科技水平、计算技术和表达手段已取得长足进步,为充分利用水文信息资源、分析研究暴雨的量级和时空分布规律创造了条件。
基于以上原因,1997年水利部水文司“文环[1997]61号”部署全国开展短历时暴雨等值线图的修编工作,并在浙江省进行试点,以此推动全国的暴雨等值线修编工作。
在省水利厅的领导下,省水文勘测局成立了领导小组和技术小组,开展了包括短历时暴雨统计参数等值线、暴雨时面深关系、暴雨雨型、城市暴雨公式等内容的研究工作。
本研究选的水文资料,其观测年限一般都在35年以上,资料条件和编图技术都较1979年编图时好,其编图成果更符合我省的暴雨分布规律和自然地理特征。
1999年9月全国暴雨编图技术组在南京组织召开的华东片拼图会议上,我省成果通过审查并与邻省等值线合理拼接。
2003年2月,省水利厅在杭州召开评审会通过了本成果,并建议将主要成果颁发试行。
现刊布《浙江省短历时暴雨》,在试行过程中,各地可以参考其它相关成果,根据“多种方法,综合分析,合理选定”的原则,最终确定设计暴雨数值。
随着降雨量资料的不断积累,对暴雨量级和时、空分布规律出现的新变化要及时总结分析,以便在使用过程中不断地进行修订和完善。
1、概述
1.1修编缘由
(1).我省上次(1979年)编制了两个历时(24hr,72hr)暴雨的统计参数等值线(资料截止1975年,资料系列22年),由省水利厅审查颁发使用至今。
由于上次编图后,暴雨资料系列增加了近一倍,选用站数由198站增至637站(站点分布见附图1),比上次选用站数增加3.2倍,暴雨资料信息量增加5.4倍。
不少地方发生了大暴雨,据1213站统计,实测最大24小时暴雨发生在1975年以前的占总数的70.3%,发生在1976年以后的占总站数的29.7%,即暴雨刷新率达29.7%。
资料系列的延长和大暴雨的发生,大大提高了暴雨统计参数的质量,故应增加新资料进行修编。
(2).上次仅用45个站点资料绘制点暴雨衰减指数等值线图,并以间接的方法推求24小时以下历时设计暴雨。
由于暴雨衰减指数对设计暴雨量的大小极为敏感,当暴雨衰减指数n相差0.05时,相应1小时雨量值可相差17.3%;如果又以n点代替n面值,当洪水的峰量关系成1.3次方关系时,由此计算求得的最大流量可偏大23%。
因此本次修编增加了6hr、60min、lOmin暴雨统计参数等值线,提高了成果的可靠程度,并有利于进行各历时参数之间的协调。
(3).通过原编成果的试用,也发现一些应予修正的地方。
这是水文研究成果应在一段时间后进行检查的正常要求。
(4).当前水文技术水平及计算表达手段均有不同程度的发展,除为修编工作提供了有利条件外,还对统计参数的计算分析和成果表达提出了新的要求。
尽可能采用较先进的计算机技术及电子地图,最终将纸质成果推进为电子出版物是社会进步的表现。
(5).适应当前工程建设中经济和安全的要求,及时提出新版成果。
1.2主要依据和技术途径
(1).本次暴雨图集修编以《水利水电工程设计洪水规范》S644—93、《水利水电工程设计洪水计算手册》(水利水电出版社,1995)的有关内容和全国暴雨统计参数等值线修编技术组提出的《全国暴雨统计参数等值线图修编工作大纲》(以下简称“大纲”)为主要依据。
(2).充分利用国家水文资料数据库,最大限度地发挥计算机在检索、统计、分析、运算、储存方面的功能。
(3).采用具有约束准则的基因遗传算法适线和目估适线相结合方法分析各历时暴雨统计参数。
(4).应用地理信息系统、电子地图和等值线绘图软件,并结合专家经验进行综合分析、合理协调勾绘暴雨统计参数等值线。
1.3编图成果
本次编图主要立足于吸收1979年编图的成功经验,全面总结浙江有暴雨资料记录以来的暴雨特性和时空分布规律,利用一切可能利用的暴雨资料信息和尽可能新的技术手段,补充、修正原编成果,增加研究内容。
以科学、合理、实用为主要目的,满足社会经济发展对暴雨研究成果的需求。
本编图成果主要包括:
暴雨特征;五种历时(10min、60min、6hr、24hr、3d)实测和调查最大点雨量分布图;五种历时暴雨统计参数值线图;不同历时暴雨定点定面关系;暴雨时、日雨型和使用说明。
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2、暴雨特征
浙江省地处我国东南沿海,位于中纬度和低纬度的过渡地带,不仅受西风带天气系统,而且也受低纬度东风带天气系统的影响。
同时它又位欧亚大陆的最东端,太平洋的西北岸,是世界最大陆地和最大水体的交界面,冬季受寒潮和强冷空气的影响频繁,夏季常有台风活动,复杂的天气系统与浙江西高东低的地势和多样的地貌类型相结合而成为全国暴雨灾害高发的地区之一。
2.1产生暴雨的主要天气系统
根据多年的实况资料统计、分析,浙江省产生暴雨的主要天气系统如下:
2.1.1台风(热带风暴)暴雨
这类暴雨主要由台风所致,暴雨区一般发生在台风行进方向的右前方。
雨量的大小与台风本身的结构和登陆地点、发生区域的地形条件、当时的环流背景等密切相关。
若台风在闽北略南登陆,在浙南沿海发生大暴雨;若台风在闽北或浙南登陆,浙江东南部沿海迎风坡发生大暴雨;若台风在浙中登陆,浙北出现大暴雨。
根据浙江的地形条件,这类暴雨多发生在山脉迎风坡或由两支山脉形成的喇叭口附近。
多年来这类台风暴雨中心和暴雨分布基本固定,与我省沿海地形、山脉走向一致。
最为典型的是发生在1960年的7号台风产生的暴雨。
另外,台风登陆后与弱冷空气相遇,中纬度的斜压系统和热带的正压系统结合,增加了能量的不稳定性,有利于大暴雨的产生。
前者如1963年的第12号台风,后者如1962年的14号台风产生的大暴雨。
2.1.2锋面暴雨(包括涡切变线)
春末夏初,西北低槽活动频繁,引导冷空气分股南下,与西南偏南季风带来的暖湿空气相遇产生暴雨。
降雨从浙南开始,雨带逐步向北推进,到6月上旬,江南地区冷暖空气交绥,常形成东~西走向的地面静止锋。
高空切变线与之对应,当高空低槽沿切变线东移,诱导低涡及地面气旋发生、发展,常出现持续性的暴雨天气,即梅雨暴雨。
1955年6月18日~22日在钱塘江流域发生的暴雨就是典型的涡切变暴雨。
2.1.3东风波暴雨
在副热带高压南侧的东风层里,受到扰动后产生的波动俗称东风波。
它形成的V形低压槽区,槽线呈东北西南向,槽西部为东北风,东部为东南风,在东风气流的引导下自东向西传播,当这种波动发展深厚时产生大暴雨。
如1988年7月29日~30日发生在宁海、奉化、嵊县、新昌、三门等五县(市)交界的天台山地区的暴雨就是典型的东风波暴雨。
2.2最大点暴雨量分布
2.2.1各历时最大点暴雨量分布
自有实测资料以来至2000年的14055个雨量站,均参加实测最大点雨量的挑选。
在15′×15′经纬网格内选最大的一个实测值标注在100万分之一图上如附图2-1~2-5,比较直观地反应了各历时实测最大点雨量分布情况。
(1).实测最大10分钟暴雨:
全省实测最大10分钟雨量一般为20~35mm,最大为泰顺县的龟伏站达6l.2mm(1989年6月10日)。
地区分布不明显。
(2).实测最大60分钟暴雨:
在浙东、浙南沿海地区为90~llOmm,局部超过120mm,如水家洋、温州市西山、矴步头;浙北80~120mm,局部超过120mm。
全省实测最大60分钟雨量发生在湖州市埭溪站165.4mm(1964年9月10日)、其次德清站152.Omm(1964年9月16日);其他地区80~lOOmm之间,局部超过lOOmm,如雪峰站达147.7mm(1976年9月2日)。
(3).实测最大6小时暴雨:
在浙东、浙南沿海的四明山、天台山、括苍山及南、北雁荡山的迎风坡上实测最大6小时点雨量200~300mm,局部地区超过300mm,如苍南县澄海站420.7mm(1990年9月4日),苍南县马站站412.4mm(1990年9月4日),象山县西周站372.5mm(1990年8月31日)、宁海县榧坑站354.9mm(1988年7月29日)、苍南县宜山站313.2mm(1991年10月3日)等,其他地区为150~230mm。
(4).实测最大24小时暴雨:
在浙东、浙南沿海的四明山、天台山、括苍山及南、北雁荡山的迎风波上实测最大24小时点雨量350~500mm,局部大于600mm,如象山县西周站617.2mm(1990年8月30日)、乐清市砩头站622.4mm(1994年8月21日)、乐清市庄屋站617.Omm(1960年8月1日调查);浙西、浙北地区实测最大24小时点雨量250~350mm,局部大于500mm,如临安市市岭站681.2mm(1956年8月1日调查),安吉县马峰庵站584.4mm(1990年8月31日);内陆腹地为200~350mm。
(5).实测最大3天暴雨:
在浙东、浙南沿海的四明山、天台山、括苍山及南、北雁荡山一带的迎风坡上实测最大3天暴雨量在400mm~600mm,局部地区可达700mm以上。
如乐清市庄屋站实测最大3天暴雨821.1mm(1960年8月1日),余姚市夏家岭站748.3mm(2000年9月12日),鄞县清塘头站733.Omm(1963年9月11日);浙北、浙西北地区350~450mm,局部地区可达600mm以上,如临安市市岭站实测最大3天暴雨688.2mm(1956年7月31日),安吉县马峰庵站
634.8mm(1999年8月31日);内陆腹地为300~350mm。
2.2.2年最大点暴雨统计参数的地区分布
均值反映暴雨量级的大小。
各历时年最大点雨量均值总的分布趋势是沿海山地大于内陆腹地。
天目山、龙门山、四明山、天台山、括苍山至南北雁荡山迎风坡上为多个分散的高值区,呈现“7”字型分布;内陆腹地为低值区。
变差系数反映暴雨量的年际变化,历时越短暴雨量的年际变化越小,反之暴雨量的年际变化越大。
变差系数除最大10分钟、最大60分钟总的分布趋势是从西北向东南递减外,其余历时是沿海山地高于内陆腹地。
沿海和内陆腹地年最大暴雨均值、变差系数变化范围如表2-1。
表2-1全省各历时暴雨均值,变差系数变化范围
历时
沿海山地
内陆腹地
均值(mm)
变差系数
均值(mm)
变差系数
10min
19~21
0.30~0.35
18~19
0.35~0.40
60min
46~54
0.40~0.50
38~46
0.40~0.45
6hr
75~120
0.50~0.60
60~80
0.40~0.50
24hr
120~220
0.50~0.65
95~140
0.40~0.50
3d
180~280
0.50~0.65
140~200
0.40~0.50
2.2.3最大点雨量记录
浙江省实测或调查各历时最大点雨量记录如表2-2。
其量级分别为国内实测或调查最大10分钟86.5mm(台湾红叶谷)、60分钟245.1mm(广东东溪口)、6小时830.1mm(河南林庄)、24小时1672.6mm(台湾新寮)、3天2623.0mm(台湾大埔)的71%、67%、51%、41%和31%。
表2-2浙江省实测或调查最大点雨量记录
历时
站名
所在市(县)
雨量(mm)
发生年月日
10min
龟伏
温州市泰顺县龟伏乡
61.2
1989.6.10
60min
埭溪
湖州市郊区埭溪乡
165.4
1964.9.10
6hr
澄海
温州市苍南县澄海乡
420.7
1990.9.4
24hr
市岭
杭州市临安市临目乡
682.1*
1956.8.1
3d
庄屋
温州市乐清龙西乡
821.1
1960.8.1
注“*”为调查值。
2.3暴雨日数与暴雨水资源
按有关部门标准,日雨量≥50mm暴雨,日雨量≥100mm为大暴雨,日雨量≥200mm为特大暴雨。
对全省具有41年以上日雨量资料的317站进行统计。
2.3.1暴雨、大暴雨、特大暴雨日数
全省平均暴雨日数为4.4天,最多年份可达7~21天,其分布为浙东南、浙西部为4~7天,内陆腹地为3~4天;全省平均大暴雨日数为2.5天,最多年份可达6~21天,共分布浙东南、沿海山地3~6天、内陆腹地1~4天。
特大暴雨日数,全省在0.05~0.80天之间,浙江沿海及其山地明显大于内陆。
特大暴雨日数0.05天线所包围的地区在天目山、龙门山、四明山、天台山、括苍山及南、北雁荡山一带。
而在遂昌~西屏~丽水~柳城范围内、金华江、武义江河谷平原和浦阳江上游(黄宅以上)、壶源江上游(寺前以上)自有实测资料以来尚未发生过特大暴雨。
2.3.2暴雨水资源
多年平均年暴雨量(将全年所有日雨量≥50mm的降水量的总和称为“年暴雨量”)为暴雨水资源。
我省暴雨水资源量为344亿m3,占全省水资源总量的36.7%。
其分布是浙东南沿海山地为400~700mm,浙西为300~500mm,内陆腹地为200~300mm。
暴雨水资源占年降水量的比率在0.20~0.35之间,其分布浙东南0.25~0.35,浙西为0.20~0.25,内陆腹地为0.15~0.20。
3、暴雨统计参数等值线图
3.1暴雨统计参数的估算
暴雨选样采用年最大值法,统计时段为10min、60rain、6hr、24hr、3d五种历时。
经验频率采用数学期望公式P=[m/(n+1)]%,理论频率曲线线型用皮氏—Ⅲ型曲线。
为了使统计参数合理、稳定,尽量与邻近站暴雨资料对比,检查系列中是否遗漏特大值。
表达点暴雨的多年变化规律的统计参数包括均值()、变差系数(Cv)、偏态系数(Cs)和历年最大值,上述统计参数的计算是编制短历时暴雨等值线图的关键环节。
本次暴雨统计参数估计采用如下组合方案(见表3-1)。
表3-1暴雨统计参数估算方案
参数估计方案
准则适线(多历时目估适线)
单历时目估适线
定倍比
变倍比
变倍比
1
√
2
√
3
√
3.1.1准则适线
准则适线完全由计算机完成,避免了人为因素的影响。
为了使所求参数更趋合理,在参数计算过程中增加下述限制条件:
(1).各历时频率曲线千年一遇不相交;
(2),给定变差系数(Cv)、偏态系数与变差系数比值(Cs/Cv)的取值范围。
频率计算软件提供纵标平方和最小及纵标绝对值和最小两种适线准则计算暴雨统计参数。
每种方法均带二类约束。
其一,先按基因遗传算法计算最优单站多历时暴雨统计参数,接着计算各历时千年一遇的设计值并检验设计值是否满足千年一遇不相交的约束条件,如果不满足则建立历时与千年一遇设计值回归关系log(H0.1%)=A+B×log(Ti),然后通过回归方程计算出对应交叉历时千年一遇的设计值,加入相应系列中重新进行参数估计,直到各历时均满足约束条件为止。
其二,我省采用的暴雨参数范围为:
均值1.0倍;变差系数Cv在0.25~0.80;变倍比Cs/Cv在2.0~5.5范围内取值,定倍比CS/Cv则固定为3.5。
3.1.2多历时目估适线
多历时参数目估协调软件是直接调用约束准则适线结果作为初值,经人工综合协调后确定;各站各历时的暴雨统计参数,并可画出多历时暴雨数据点与相应理论频率曲线。
多历时目估适线时考虑以下几个方面:
各历时暴雨参数随历时渐变,暴雨统计参数随历时变化协调,不应有忽大忽小等反常现象;注重上部经验点据与理论频率曲线的拟合情况;调整和修改各历时的统计参数使设计值的时深关系合理。
3.1.3单历时目估适线
此次暴雨参数单历时目估适线是在频率曲线适线软件上完成。
经上述准则适线,多历时目估适线后的统计参数成果,再一次进行单历时目估适线复核和修正。
分析人员可直接针对计算机屏幕上经验频率点据与理论分布曲线的配合情况,通过目估适线按钮调整Cv与Cs/Cv两个统计参数,直至理论频率曲线与经验频率点据配合较好为止。
除此之外,还可以对实测暴雨系列中有必要的缺测资料进行插补和按《水利水电工程设计洪水计算手册》的要求和方法进行特大值的处理及移置。
充分考虑实测最大点雨量分布情况,对个别气候一致、地形条件相近似的地点,移置邻近站特大值或者实测最大值参加频率分析,使各历时暴雨统计参数与历时关系和设计值的时深关系更为协调。
3.2暴雨统计参数等值线图绘制
暴雨统计参数等值线图绘制,采用计算机自动勾绘和专家交互相结合的方法。
目前商用或免费的等值线绘制软件所涉及的插值方法多样,不同插值方法适用于不同要求等值线的绘制。
暴雨统计参数中,变差系数等值的走向必须考虑临近区域内站点变差系数值的大小,因此绘出的等值线相对较为概化。
而均值等值线的走向则比较关注每一点的具体数值,适当照顾临近站点数值,绘图时各有侧重。
因此等值线的勾绘时应区别使用不同的插值方法。
为此,我们进行了各种等值线绘制软件共十余种插值方法的优劣比较,最后确定用VerticalMaper软件绘制变差系数等值线,用Surfer软件绘制均值等值线,在上述勾绘的等值线初图的基础上,根据各站各历时统计参数数值的大小、地形地貌、实测最大值分布以及分析人员的经验等进行综合分析、协调平衡,经相同历时和不同历时合理性检查,反复调整,最终完成各历时暴雨统计参数等值线图。
3.2.1载体
本研究所用工作底图统一使用由全国暴雨统计参数等值线修编技术组提供的国家测绘总局1:
100万全要素电子地图。
该地图包含行政区、居民地、铁路、公路、水系、地貌等要素。
电子地图按1:
100万全国标准分幅(4°×6°)形式存放,存放格式为ARC/INFO的Eoo格式。
为了方便地进行新旧两种等值线图的比较,我省统一使用等角投影方式。
3.2.2技术平台
本次编图选用的地理信息系统支撑软件为MapinfoProfessional4.5标准软件(地理信息系统主产品软件)、Ardink(ARC/INFO与Mapinfo格式转换软件)、VerticalMapper和Surfer7.0(勾绘等值线软件)。
3.2.3等值线计算机绘制
3.2.3.1均值等值线的绘制
均值等值线的绘制主要由Surfer软件完成。
该软件是一个独立软件,具有9种网格点插值方法供选择,并能对绘制的等值线进行低、中、高度平滑。
在提供的9种插值方法中,最小曲率面插值法既能象等高线的勾绘一样以等权重对待每一点数值,又能较好地处理已知点外部曲线的走向,最接近于直线内插勾绘的等值线,是降雨量均值等值线勾绘的最合适的方法。
该法直接打开降雨量站点经度、纬度和时段降雨量均值的Excel数据文件,快速绘制出等值线矢量图后,转入
Mapinfo进行各项操作后形成均值等值线初图。
3.2.3.2变差系数等值线的绘制
变差系数等值线图的绘制主要由VerticalMaper软件来完成。
该软件是Mapinfo的配套软件,安装后直接进入Mapinfo菜单,选中该菜单后即可进行等值线的绘制。
该软件的网格点插值具有距离平方成反比、矩形插值和具有平滑功能的三角形插值三种方法。
其中距离的平方成反比的插值方法,即沿经、纬度方向划分网格,每个网格的交点,认为是距邻近若干站点参数值的距离平方的加权平均值,也就是距离插值点越近的站对插值点贡献率越大,反之贡献率越小。
所考虑的站数由搜索半径确定,一般搜索半径越大,所插之值越均化。
根据我省情况,经反复试验比较确定搜索半径范围一般取用5~7站。
此法由于考虑了搜索半径内各站点对插值点的贡献率,较综合地反映了变差系数的区域变化。
计算机在网格的基础上,按一定的算法绘出等值线,并通过Mapinfo工具对行政区界外的部分进行擦除,叠加上需要的图层,并对需要表达的内容进行标注后作为变差系数等值线初图。
3.2.4各历时统计参数等值线的专家交互协调
计算机勾绘出等值线初图的基础上,再对各历时暴雨统计参数等值线图进行综合分析和协调。
在协调时主要考虑的因素有:
(1).以多历时目估适线法估计的各历时暴雨统计参数为依据,以资料系列较长的站(n≥35年)的统计参数为主要依据点,资料系列较短的站(n<35年),作为参考点。
(2).反映地形与气象条件对暴雨统计参数的影响。
我省暴雨统计参数等值线的高低值区分布和走向与地形情况比较一致。
梅雨控制区和台风雨控制区其暴雨统计参数应有明显差异。
(3).暴雨时深关系相对协调一致。
(4).各历时实测的最大点雨量分布,无论对多历时目估适线,还是等值线的勾绘,协调平衡与合理性检查都应予以特别关注。
经综合分析,R(Cs/Cv)统一采用3.5倍,各历时统计参数等值线图如附图3-1~3-10。
4、定点定面关系
暴雨时面深关系是反映各历时暴雨随面积的变化规律,是在工程水文计算中由暴雨推求设计洪水的重要环节。
通过对我省各历时时面深关系的分析与综合,提出用设计点雨量与之对应的点面关系,计算流域的设计面雨量的方法。
即:
HF=αHA
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- 浙江省 历时 暴雨