義烏降水氣候分析中的面雨量計(jì)算及其應(yīng)用比較

王忠紅,趙賢產(chǎn),余 菲

(1.義烏市水文站,浙江 義烏 322000;2.義烏市氣象局,浙江 義烏 322000)

0 引 言

在某地降水量的氣候變化分析中,或氣象部門(mén)發(fā)布降水量趨勢(shì)預(yù)報(bào)時(shí),一般都使用氣象站的單站降水量統(tǒng)計(jì)值.顯然,單站降水量是不能完全代表該區(qū)域某時(shí)期的降水量,而應(yīng)用面雨量的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行分析,才能代表該區(qū)域某時(shí)期的降水量;同樣,流域的流量、江河的抗洪能力以及水庫(kù)的蓄洪規(guī)模都與流域的平均降雨量(即面雨量)密切相關(guān).因此,客觀地、簡(jiǎn)便地計(jì)算面雨量具有重要的意義.方慈安等[1]研究了幾種流域面雨量計(jì)算方法并進(jìn)行了比較;畢寶貴等[2]研究了面雨量計(jì)算方法并進(jìn)行海河流域的應(yīng)用;徐晶等[3]對(duì)流域面雨量估算技術(shù)進(jìn)行了綜述,但新技術(shù)探測(cè)資料如雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等資料的連續(xù)積累時(shí)間均不長(zhǎng),在氣候變化研究時(shí)有一定不足;董官臣等研究了面雨量的預(yù)報(bào)問(wèn)題[4],但用面雨量資料作降水氣候分析較少見(jiàn).本文試圖通過(guò)用多站點(diǎn)算術(shù)平均法和泰森多邊形法獲得的義烏面雨量,與單站降水量進(jìn)行氣候變化分析的比較,來(lái)說(shuō)明義烏區(qū)域面雨量簡(jiǎn)捷的計(jì)算方法和面雨量應(yīng)用的意義.

1 面雨量的定義

面雨量系指單位面積上的降雨量即某一特定區(qū)域或流域的平均降雨?duì)顩r.面平均雨量P可表示為：

式中A為特定區(qū)域面積,P為有限元dA上雨量.

2 面雨量計(jì)算方法

面雨量的計(jì)算方法很多,主要有泰森多邊形法、逐步訂正格點(diǎn)法、三角形法、算術(shù)平均法、格點(diǎn)法、等雨量線法等.據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料介紹,算術(shù)平均法簡(jiǎn)便易行,但只適用于流域面積小、地形起伏不大,且測(cè)站多而分布又較為均勻的流域;格點(diǎn)法能較好地反映降水的連續(xù)性;等雨量線法精度高,但較多地依賴(lài)于分析技能,而且操作比較復(fù)雜,不便于日常業(yè)務(wù)使用;泰森多邊形法或三角形法,考慮了各雨量站的權(quán)重,而且當(dāng)測(cè)站固定不變時(shí),各測(cè)站的權(quán)重也不變,比算術(shù)平均法更合理,精度也較高,因此應(yīng)用較廣[5].

3 泰森多邊形法的面雨量計(jì)算原理

泰森多邊形法又叫垂直平分法或加權(quán)平均法.該法首先求得各雨量站的面積權(quán)重系數(shù),然后用各站點(diǎn)雨量與該站所占面積權(quán)重相乘后累加即得.

設(shè)每個(gè)雨量站都以其所在的多邊形為控制面積ΔA,ΔA與全流域的面積A之比為即為該雨量站的權(quán)重?cái)?shù).

式中f1,f2,…,fn分別為各雨量站用多邊形面積計(jì)算的權(quán)重?cái)?shù);P1,P2,…,Pn,ˉP分別為各測(cè)站同時(shí)期降雨量和流域平均雨量.

此種方法計(jì)算面雨量時(shí)考慮了測(cè)站的權(quán)重,精度較高,對(duì)測(cè)站分布不均勻的流域尤為適合.如實(shí)現(xiàn)面雨量計(jì)算的業(yè)務(wù)自動(dòng)化,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)面雨量計(jì)算程序自動(dòng)化,是很有必要的,但其技術(shù)難點(diǎn)在于確定環(huán)繞每一個(gè)站點(diǎn)多邊形的唯一性和確定任意多邊形的面積上.

4 泰森多邊形法的義烏面雨量計(jì)算

義烏區(qū)域內(nèi)降水量屬氣象部門(mén)管理的觀測(cè)站點(diǎn)不多,且時(shí)間的連續(xù)性記錄較差,除義烏市氣象局觀測(cè)站從1959年建站以來(lái)均有連續(xù)降水記錄之外,在2004年以前只有人工觀測(cè)的氣象哨資料,但分布稀少并觀測(cè)記錄有長(zhǎng)時(shí)間中斷情況.2004—2008年陸續(xù)建設(shè)中尺度自動(dòng)氣象站16個(gè),從研究義烏降水氣候變化來(lái)說(shuō)又是不完整的.建國(guó)以來(lái)屬水文部門(mén)管理的觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量較多,且長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)記錄完善,為研究義烏區(qū)域降水氣候變化來(lái)說(shuō)是屬最完整的資料.本文采用省級(jí)水文部門(mén)管理的雨量站觀測(cè)記錄和通用的泰森權(quán)重系數(shù)來(lái)求取面雨量,見(jiàn)表1.其中,選取的11個(gè)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1,“義烏”為氣象觀測(cè)站,見(jiàn)圖1.

表1 各雨量站點(diǎn)權(quán)重表

圖1 雨量點(diǎn)垂直平分多邊形圖

其計(jì)算公式表述為：

義烏面雨量=橫嶺頂雨量×4%+石曹頭雨量×8.9%+嶺北周雨量×1.8%+蘇溪雨量×10.1%+華溪雨量×7.4%+黃宅雨量×3.7%+義烏雨量×16.2%+長(zhǎng)富雨量×13.3%+義烏佛堂雨量×18.2%+柏峰水庫(kù)雨量×7.4%+楓坑水庫(kù)雨量×9.2%

經(jīng)計(jì)算,1982—2008年年度義烏面雨量結(jié)果,見(jiàn)表2.同時(shí)列入義烏市氣象局觀測(cè)站單站年雨量和義烏境內(nèi)8站點(diǎn)的多站點(diǎn)算術(shù)平均法計(jì)算的年面雨量數(shù)據(jù),見(jiàn)表2.

表2 1982—2008年義烏年面雨量mm

5 單點(diǎn)雨量與面雨量的氣候分析應(yīng)用比較

從1982—2008年度降水氣候變化跡線來(lái)看,義烏市氣象局觀測(cè)站單站雨量隨時(shí)間變化和義烏境內(nèi)8站點(diǎn)算術(shù)平均法的面雨量或(與)泰森權(quán)重計(jì)算的數(shù)據(jù)之間差別較大且明顯,其27年的平均結(jié)果是：平均法比單站值多70.7 mm、泰森法比單站值多68.7 mm;平均法計(jì)算的面雨量與泰森權(quán)重計(jì)算的數(shù)據(jù)之間差別相當(dāng)小,其27年的平均結(jié)果是：平均法比泰森法多2 mm,從隨時(shí)間變化跡線上幾乎看不出差別,見(jiàn)圖2.

因1959—1981年站點(diǎn)數(shù)不一,而用不定站數(shù)算術(shù)平均法計(jì)算的面雨量與單站雨量隨時(shí)間變化比較,見(jiàn)圖3,其差別就更明顯,其24年的平均結(jié)果是：平均法比單站值多84.8mm(最大年份多202 mm、最小年份少17 mm),其中1959—1962年的3站平均多62.0 mm、1963—1970年的5站平均多 74.5 mm、1971—1979年的6站平均多99.2 mm、1980—1981年的7站平均多111.0 mm.

從義烏市氣象局觀測(cè)站單站雨量和義烏境內(nèi)3～7站不定站點(diǎn)(1959—1981年)、8站多站點(diǎn)(1982—2008年)的算術(shù)平均法計(jì)算的面雨量或(與)泰森權(quán)重計(jì)算的面雨量(1982—2008年)數(shù)據(jù)等兩兩之間的相關(guān)圖也可知它們的差別情況,見(jiàn)圖4.從圖4中可以看出,平均法與泰森法的面雨量均在相關(guān)線上,數(shù)據(jù)連線和回歸線、平滑線基本在同一線上,見(jiàn)圖4(a),它們的相關(guān)系數(shù)為最大,達(dá)0.999.其余兩兩之間的相關(guān)性雖然也較好,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.954至0.979之間,但實(shí)際均有明顯差別,見(jiàn)圖4(b)、圖 4(c)、圖 4(d).它們的回歸方程有：

圖2 義烏年面雨量數(shù)據(jù)比較圖1

圖3 義烏年面雨量數(shù)據(jù)比較圖2

圖4 義烏年面雨量數(shù)據(jù)比較圖3

上述式中R泰、R多、R單、R泰不定數(shù)分別表示泰森法面雨量數(shù)值、多站平均法面雨量數(shù)值、義烏單站面雨量數(shù)值和不定數(shù)站平均法面雨量數(shù)值.

從上圖和回歸方程也可知,面雨量值越小,它們之間的差值越大,而其相關(guān)性越差,而雨量值越大,它們之間的差值越小,其相關(guān)性越好.究竟原因,主要是降水系統(tǒng)范圍大小或降水分布不均而引起：面雨量值越小,說(shuō)明降水分布不均,系統(tǒng)范圍偏小,或僅屬局地性降水量大,其它地方降水量偏小;而面雨量值越大,說(shuō)明強(qiáng)降水的系統(tǒng)范圍大,降水分布較均勻,或?qū)偃行源蠼邓諗?shù)多.

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)泰森多邊形法與算術(shù)平均法計(jì)算的面雨量差別較小,而與氣象站單站資料比較,其差異均相當(dāng)明顯.

(2)某單站降水資料不能代表該區(qū)域降水量,特別是在降水氣候分析或某區(qū)域降水量趨勢(shì)預(yù)報(bào)中,應(yīng)用區(qū)域面雨量值較為科學(xué).

(3)應(yīng)用面雨量中,用泰森多邊形法計(jì)算的面雨量比算術(shù)平均法更科學(xué)、簡(jiǎn)便、合理.

(4)面雨量值越小,單站法與泰森法的相關(guān)性越差;雨量值越大,其相關(guān)性越好.

(5)實(shí)現(xiàn)面雨量計(jì)算的程序自動(dòng)化和業(yè)務(wù)化,在實(shí)際工作中很有必要和應(yīng)用價(jià)值.

[1] 方慈安,潘志祥,葉成志,等.幾種流域面雨量計(jì)算方法的比較[J].氣象,2003,29(7)：23-26.

[2] 畢寶貴,徐 晶,林 建,等.面雨量計(jì)算方法及其在海河流域的應(yīng)用[J].氣象,2003,29(8)：39-42.

[3] 徐 晶,姚學(xué)祥.流域面雨量估算技術(shù)綜述[J].氣象,2007,33(7)：15-21.

[4] 董官臣,冶林茂,符長(zhǎng)鋒,等.面雨量在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].氣象,2000,26(1)：9-13.

[5] 蔣金珠,顧鼎仁.工程水文及水利計(jì)算[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,1992：11-12.