CN107977505A - 一种前期降水衰退系数k确定的新方法 - Google Patents

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Abstract

一种前期降水衰退系数k确定的新方法，包括：步骤一：在0.8‑0.98区间，设置不同情景的衰退系数k。步骤二：计算所有k情景的前期降水指数API值，获得不同k情景的前期降水指数API序列。步骤三：计算研究对象如枯水与前期降水指数API的相关系数。步骤四：分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的研究对象如枯水已不再产生影响，前期降水与当前天的枯水呈零相关，此时对应的衰退系数k即为前期降水的最佳衰退系数。该方法从机理上保证了所确定的衰退系数k的合理性与科学性，克服了凭主观经验选取衰退系数k的不足，计算成果更准确、更科学，有重要的理论意义和实用价值，应用前景广阔。

Description

一种前期降水衰退系数k确定的新方法
技术领域
本发明涉及与流域下垫面有关的前期降水影响领域，尤其涉及一种前期降水衰退系数k确定的新方法。
背景技术
降水是水循环过程的重要环节。在降水完成海陆循环的过程中，由于下垫面对降水的截留作用减缓了降水的海陆循环过程，将前期吸收的降水储存一段时间，然后以蒸发、潜水、地下水等形式完成水循环。一方面前期降水对后期的土壤湿度、径流等产生重要影响，另一方面下垫面每次吸收的水量差别各异，导致不同区域的相同降水、或者相同区域的相同降水在不同时期结果不相同。因此，在研究降水对土壤湿度和径流尤其是枯水径流的影响时，必须考虑前期降水的影响。为量化前期降水的影响，M.A.Kohler于20世纪40年代提出前期降水指数(Antecedent precipitation index，API)，1951年M.A.Kohler和R.K.Linsley给出如下具体计算公式：
式中，Pt是前期第t天的降水量，T为前期天数，k为衰退系数。
前期降水指数API的值用前期降水量与衰退系数k的乘积的累积和表示，由于前期降水是已知的，API的值取决于衰退系数k，k值越大，表示前期降水衰退越慢、在下垫面中储存量的比例越大，前期降水对后期的影响越大。因此，确定合适的k值对准确计算API和量化前期降水的影响意义重大。
目前国内外的学者多沿用M.A.Kohler和R.K.Linsley给出的k经验取值范围0.85-0.98，以及W.Viessman和G.L.Lewis给出的k取值范围0.8-0.98，之后国内外的学者均采用此经验值，并广泛应用于前期降水对后期的径流、土壤湿度、滑坡、泥石流、极端干旱和洪涝灾害等的影响研究中，但均没有准确计算衰退系数k的可靠方法。
不同的研究区下垫面差异很大，对前期降水的储存和衰退能力差异较大，k值差异较大；相同研究区的不同时期，下垫面的初始状态也受到前期降水的影响，k值差异也很大。而前期降水的影响程度取决于衰退系数k，依照传统方法取经验值具有很大的人为主观性，得到的前期降水指数API值也难以准确量化前期降水对后期水文要素如径流、土壤湿度等的影响，对后期山洪暴发临界雨量、极端干旱或洪涝灾害预报等也会出现极大误差。因此，准确量化k值具有重要的科学意义和实用价值，应用前景广阔。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种前期降水衰退系数k确定的新方法。它的核心思想在于当前期降水足够远时，其对当前的水文要素如径流、土壤湿度等不再产生影响，两者呈现零相关。本发明首先设定不同情景的衰退系数k方案；根据公式(1)算出所有k情景的前期降水指数API值；然后计算不同k情景的研究对象如枯水序列与API序列的相关系数；最后分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的研究对象如枯水已不再产生影响，进而确定前期降水的最佳衰退系数k值。
为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：
一种前期降水衰退系数k确定的新方法，它适用于不同研究领域、不同时间尺度的前期降水衰退系数k的准确计算。该方法具体步骤如下：
步骤一：在0.8-0.98区间，设置不同情景的衰退系数k。
步骤二：根据前期降水指数API计算公式(1)，计算所有k情景的前期降水指数API值，获得不同k情景的前期降水指数API序列。
步骤三：计算研究对象如枯水序列与前期降水指数API序列的相关系数。
步骤四：分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的研究对象如枯水已不再产生影响，前期降水与当前天的枯水呈零相关，此时对应的衰退系数k即为前期降水的最佳衰退系数。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.基于前期降水与当前天研究对象如枯水的零相关性来确定最佳的衰退系数k，从机理上保证了所确定的衰退系数k的合理性与科学性，克服了凭主观经验选取衰退系数k的不足。
2.该方法简单易操作，条理清楚，计算成果更准确、更科学。
3.该方法具有更好的适用性，既适用于前期降水对当前径流影响的情况，也适用于前期降水对当前土壤湿度影响等的情况，有重要的理论意义和实用价值，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
图2为泾河流域张家山水文站1956-2010年日枯水与流域前期降水指数之间不同衰退系数k情景下的相关系数。
图3为确定的泾河张家山水文站以上流域前期降水的最佳衰退系数k＝0.9675。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种前期降水衰退系数k确定的新方法，包括设置0.8-0.98区间不同情景的衰退系数k值、确定不同衰退系数k的前期降水指数API值、计算研究对象与前期降水指数API的相关系数以及获得最佳的衰退系数k四部分。
以水文系统的日枯水和前期1-365天的日降水为例，本发明的具体实施按照以下步骤进行：
步骤一：在0.8-0.98区间，取计算步长为0.0001，设置不同情景的衰退系数k值。
步骤二：根据前期降水指数API计算公式(1)，计算所有k情景的前期降水指数API值，获得不同k情景的前期降水指数API序列。
步骤三：计算枯水序列与前期降水指数API序列的相关系数。
步骤四：分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的枯水已不再产生影响，前期降水与当前天的枯水呈零相关，此时对应的衰退系数k即为前期降水的最佳衰退系数。
实施案例
本发明以泾河流域张家山水文站1956-2010年的日枯水和张家山水文站以上流域的日降水为研究对象，在0.8-0.98区间，取计算步长为0.0001，设置不同情景的衰退系数k值，根据式(1)计算不同衰减系数k情景的前期1-365天的前期降水指数API，确定枯水与前期降水指数API的相关系数，从而根据前期某一天之前的相关系数均为零的特点确定前期降水的最佳衰退系数k值。
其结果，分别见图2、图3。
图2为泾河流域张家山水文站1956-2010年日枯水与流域前期降水指数之间不同衰退系数k情景下的相关系数。
图3为确定的泾河张家山水文站以上流域前期降水的最佳衰退系数k＝0.9675。
从上述实例可以看出，本发明提供的一种前期降水衰退系数k确定的新方法，基于前期日降水与当前日枯水相关性为零的特点，从机理上保证了所确定的衰退系数k的合理性与科学性，克服了凭主观经验选取衰退系数k的不足，有重要的理论意义和实用价值，应用前景广阔。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种前期降水衰退系数k确定的新方法，包括以下步骤：
步骤一：在0.8-0.98区间，设置不同情景的衰退系数k；
步骤二：计算所有k情景的前期降水指数API值，获得不同k情景的前期降水指数API序列；
步骤三：计算研究对象如枯水序列与前期降水指数API序列的相关系数；以及
步骤四：分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的研究对象如枯水已不再产生影响，前期降水与当前天的枯水呈零相关，此时对应的衰退系数k即为前期降水的最佳衰退系数。
2.根据权利要求1所述的一种前期降水衰退系数k确定的新方法，其特征在于步骤一中：在0.8-0.98区间，设置不同情景的衰退系数k。由于衰退系数k对前期降水指数API有很大的影响，因此把衰退系数k的计算步长设置得小一些，设置计算步长为0.0001。
3.根据权利要求2所述的一种前期降水衰退系数k确定的新方法，其特征在于步骤二中：计算所有k情景的前期降水指数API值，获得不同k情景的前期降水指数API序列。前期降水指数API的计算公式为式中，Pt是前期第t天的降水量，T为前期天数，k为衰退系数。比如研究前期日降水对当前日枯水的影响，可以计算出不同k情景下的前期1-365天的前期降水指数序列。
4.根据权利要求3所述的一种前期降水衰退系数k确定的新方法，其特征在于步骤三中：计算研究对象如枯水序列与前期降水指数API序列的相关系数。比如研究前期日降水对当前日枯水的影响，可以计算出不同k情景下的前期1-365天的前期降水指数序列与当前日枯水序列的相关系数。
5.根据权利要求4所述的一种前期降水衰退系数k确定的新方法，其特征在于步骤四中：分析不同k情景的相关系数，如果前期某一天之前的所有相关系数均为零，表明该天之前的前期降水对当前天的研究对象如枯水已不再产生影响，前期降水与当前天的枯水呈零相关，此时对应的衰退系数k即为前期降水的最佳衰退系数。比如研究前期日降水对当前日枯水的影响，可以分析不同衰退系数k情景下的1-365天前期降水指数序列与当前日枯水序列之间的相关系数，当前期某天之前所有的相关系数均为零时，前期降水与当前天的枯水呈零相关，则此时对应的k值即为前期降水的最佳衰退系数。
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