CN109829027A - 区域泥石流前期有效降水量测算方法 - Google Patents

Abstract

针对现有技术难以与具有较长时段的实况前期降水实际分布情况很好吻合的缺陷，本发明公开了一种区域泥石流前期有效降水量测算方法。本方法利用泥石流预报区及其周围雨量站点观测的历史降水数据，结合影响该地区降水时空分布的主要下垫面因素和需求时段内各站点前期降水的实况数据，建立起的更加准确的泥石流预报中的前期有效降水量确定方法。本发明方法突破现有技术基于一般统计的降水内插方法思路，建立了综合考虑预报区历史降水因素与影响预报区降水时空分布的主要下垫面因素两大部分因素对前期有效降水量的影响的新构思。方法原理更科学，更符合泥石流形成机理，因而具有更加准确的测算结果。本发明还提供了一种准确性更高的泥石流预报方法。

Description

区域泥石流前期有效降水量测算方法

技术领域

本发明涉及一种区域泥石流前期有效降水量测算，属于地质地貌测绘勘察技术、地质灾害防治领域。

背景技术

降水是泥石流形成的三大基本条件(物质、能量、降水条件)中最具动态性的因素，在一定程度上决定和影响着泥石流的时空分布。泥石流形成中的降水按发生时间可分为前期降水和当次降水，其中，前期降水是到泥石流形成前一天为止已经发生的降水。现有研究证实，诸降水指标中，真正对泥石流形成起作用的前期降水，是到泥石流形成前仍保留在土壤中的那一部分降水，即实况前期有效降水量。该指标反映了泥石流发生前土壤的饱和程度、土体的抗剪强度和坡面松散储备物质的稳定性等，在“影响泥石流形成的降雨指标中贡献最大”。因而，区域泥石流前期有效降水量除在泥石流形成发生研究中具有重要独立意义外，在泥石流预报预警中也是重要的监测对象，是影响和制约泥石流预报准确度的关键因子之一。在实际环境中，泥石流流域降水时空分布受复杂地形等下垫面因素的影响，呈现分布很不均匀的状况，在不同环境背景条件下降水的衰减差异极大；再加上雨量观测站密度相对偏小且多分布于沟谷地带，这些均使得准确确定区域泥石流前期有效降水量非常困难。该问题也成为提高泥石流预报准确性所亟待解决的一个难题。

现有技术对泥石流预报中实况前期有效降水量的确定方法通常分为两个步骤：①选用降水衰减公式分别计算各雨量站的实况降水，得到泥石流预报区及其周围一定范围内每个雨量站点的前期有效降水量；②采用基于一般统计的降水内插方法(如最近邻法、反距离加权法、样条函数法和克里金插值法等)将前期有效降水量从点(雨量站)扩展到面(泥石流预报区)。现有方法采用一般统计模型的内插方法确定泥石流预报单元上的实况前期有效降水量，不考虑下垫面因素对山区降水时空分布的影响，只是采用处理受偶发性因素影响极大的天气事件的方式，难以与具有较长时段的实况前期降水实际分布情况很好吻合。这种方法同时受限于泥石流流域雨量观测站密度相对偏小的现实条件，更难为泥石流预报提供准确可靠的前期降水支持。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种具备更高准确性的基于气候特征的区域泥石流前期有效降水量测算方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种区域泥石流前期有效降水量测算方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、划定泥石流预报区域，确定影响预报区降水时空分布的主要下垫面因子，构成下垫面因子集A；划分预报区的预报单元格；

步骤S2、根据预报区及周围各雨量站点历史观测降水数据建立各雨量站点的历史前期有效降水量集R；

步骤S3、利用降水量气候学模型，建立泥石流前期有效降水量与下垫面因子集A间的回归方程，解算回归方程，得到各预报单元前期有效降水量推算值集P；

步骤S4、根据预报区各雨量站点当前的实况观测降水数据，建立各雨量站点当前的实况前期有效降水量集Q；

步骤S5、统计每一预报单元格周围的雨量站点，依式1、式2计算每一预报单元格前期有效降水量Y_x，建立预报区区域泥石流前期有效降水量集Y，

式中，Y_x－各预报单元格前期有效降水量，单位mm，

M－各预报单元格周围的雨量站点数，

ω_i－各预报单元格周围的第i个雨量站点的权重，

Q_i－各雨量站点当前的实况前期有效降水量，单位mm，步骤S4确定，

P_x－各预报单元格前期有效降水量推算值，单位mm，步骤S3确定，

d_i－各预报单元格与周围第i个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定，

d_j－各预报单元格与周围第j个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定。

上述区域泥石流前期有效降水量测算方法是利用预报区及其周围雨量站点观测的历史降水数据，结合影响该地区降水时空分布的主要下垫面因素和需求时段内各站点前期降水的实况数据，建立起的更加准确的泥石流预报中的前期有效降水量确定方法，能够为泥石流预报提供更加准确可靠的前期降水支持。

上述区域泥石流前期有效降水量测算方法中，步骤S2与步骤S4中涉及利用降水量观测值建立前期有效降水量值集。该过程可以利用现有降水量衰减规律计算实现。

步骤S3中，各预报单元前期有效降水量推算值的计算原理在于：根据泥石流预报区(通常为山区)降水气候学模型R’＝R(A)+Δ(式3)，其中，R’为降水量推算值，R(A)为实况降水值关于A的函数，A为步骤S1中确定的影响降水分布的下垫面因子集，Δ为误差(很小，可忽略)。因而，通过确定R(A)可以确定降水量推算值R’。以步骤S2中预报区雨量站点的历史前期有效降水量集R为基础，将同一天各站点的历史前期有效降水量代入中，建立方程组，利用最小二乘原理回归分析，解算得到各下垫面因子A_i的回归系数λ_i与常数ε，再利用各泥石流预报单元每个下垫面因子A_i的值，可以得到R(A)，进而得到当天前期有效降水量的推算值R’，从而建立各预报单元前期有效降水量的推算值集P。

步骤S5中，确定预报单元x周围的雨量站点的第一步是确定“周围”的范围。一般情况下，可以以预报单元x为中心搜索半径为r的周围圆形区域作为预报单元x周围。搜索半径r的确定根据雨量站分布的密度确定，保证每个预报单元在搜索半径r内找到至少1个雨量站点。

本发明还提供上述区域泥石流前期有效降水量测算方法在泥石流预报中的应用。

由于区域泥石流前期有效降水量是泥石流预报中的关键性指标之一，其测算准确性的提高与泥石流预报准确性提高显著相关，因而，本发明进一步提供一种利用上述区域泥石流前期有效降水量测算方法实现的泥石流预报方法，该方法也具有更高的预报准确性。

一种泥石流预报方法，其特征在于：采用上述区域泥石流前期有效降水量测算方法测算区域泥石流前期有效降水量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种较现有技术具有更高准确度的区域泥石流前期有效降水量测算方法。该方法突破现有技术基于一般统计的降水内插方法，将前期有效降水量从点(雨量站)扩展到面(泥石流预报区)的传统构思，建立了综合考虑预报区历史降水因素与影响预报区降水时空分布的主要下垫面因素两大部分因素对前期有效降水量的影响的新构思。方法原理更科学，更符合泥石流形成机理，因而具有更加准确的测算结果。本发明同时提供了一种准确性更高的泥石流预报方法。

附图说明

图1是技术方案流程示意图。

图2是预报区及周围地区经度图。

图3是预报区及周围地区纬度图。

图4是预报区及周围地区坡度图。

图5是预报区及周围地区DEM。

图6是预报区及周围地区3km范围遮蔽度。

图7是预报区及周围地区6km范围遮蔽度。

图8是预报区及周围气象站分布图。

图9是泥石流预报单元前期降水量推算值。

图10是预报单元格x与周围雨量站点关系示意图。

图11是前期有效降水量。

图12是对照例前期有效降水量(反距离加权内插)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图11所示，用本发明方法测算四川省凉山彝族自治州境内区域泥石流前期有效降水量集Y。

图1是技术方案流程示意图。

步骤S1、划定泥石流预报区(以下简称预报区)，确定影响预报区降水时空分布的主要下垫面因子集A，划分预报区的预报单元格。

划定四川省凉山彝族自治州为泥石流预报区域。根据现有技术(林之光，《地形降水气候学》，科学出版社，1995)确定影响预报区降水时空分布的主要下垫面因子共6个(A_i,i＝1,2,…6)：地理位置因素(经度A₁、纬度A₂)、宏观(大)地形因素(坡度正弦A₃)、局地海拔高度A₄、微观地形因素(3km遮蔽度A₅、6km遮蔽度A₆)，利用DEM提取各DEM栅格各下垫面因子值(图2～图7)，共同构成下垫面因子集A。

结合现有技术(现有泥石流统计结果表明，80％以上的泥石流沟流域面积在10km²以下(李泳，2002))以及预报区面积，确定泥石流预报单元格的大小为3kM×3kM。

步骤S2、获取预报区及周围各雨量站点历史观测降水数据，建立雨量站点的历史前期有效降水量集R。

选取预报区及周围(相邻县市)的雨量站点记录作为研究用雨量数据来源。共计39个雨量站(如图8所示)。收集39个雨量站点30年(时间期限根据气象界国际惯例，以及雨量站保存数据确定)每天的历史实况降水数据，记为数据集B。预报区周围雨量站点的选取主要根据预报区附近雨量站点与预报区的(物理)距离确定。本实施方式中，预报区为一行政区域范围，与其相邻的别的行政区域的县市的雨量站尽管不属于泥石流预报区，但实际物理距离较小，其观测数据对预报区有价值，因而也选择为雨量数据来源站点。一般而言，也可将确定此处“周围”的条件与步骤S5中确定预报单元格“周围”雨量站的条件相统一，以所设定的搜索半径r覆盖为限。

根据数据集B计算得到各雨量站点每天的历史平均降水，依照降水量衰减计算方法计算各雨量站点每天的历史平均前期有效降水量P_i，建立各雨量站点每天的历史前期有效降水量集R。本实施方式中选用陈景武《蒋家沟暴雨泥石流预报研究》中公开的降水量衰减计算方法：

其中，P_i－第i个雨量站某天(如a天)的历史平均前期有效降水量，单位mm，

n－有影响的天数，根据现有技术取值20，

P_ij－第i个雨量站该天(即a天)的前j天的多年降水平均值，单位mm，依数据集B确定，

K－衰减系数，根据现有技术取值0.8，

j－有影响的天数n中的第j天。

降水量衰减计算及n、K取值参照陈景武，《蒋家沟暴雨泥石流预报研究》，科学出版社，1984。

步骤S3、利用降水量气候学模型，建立泥石流前期有效降水量与下垫面因子集A的回归方程，得到各预报单元格前期有效降水量推算值集P。

以步骤S2所得各雨量站每天的历史前期有效降水量集R与步骤S1所得各下垫面值为基础，将同一天各雨量站点的历史前期有效降水量P_i代入式4建立方程，利用最小二乘原理回归分析，解算得到6个下垫面因子A_i的回归系数λ_i及常数项ε；

式中，R(A)－实况降水值关于A的函数，单位mm，

N－步骤S1中确定的影响降水分布的下垫面因子数，N＝6，

A_i－第i个下垫面因子值，

λ_i－第i个下垫面因子的回归系数，

ε－常数项。

以预报区某一天a为例，选取33个雨量站数据参与模型计算，距离预报区较近的6个雨量站点留作结果检验。最小二乘方法计算得到式2中该天各下垫面因子的回归系数λ_i为：经度A₁(λ₁＝8.58)、纬度A₂(λ₂＝0.04)、坡度正弦A₃(λ₃＝-27.27)、高程A₄(λ₄＝0.005)、3km遮蔽度A₅(λ₅＝52.3)、6km遮蔽度A₆(λ₆＝-78.8)，常数项ε＝-826.5。

将确定的各回归系数λ_i与常数项ε值以及预报单元格各影响因子A_i的值代入式4，再依式3得到各预报单元格当天(a天)前期有效降水量推算值R’。

R’＝R(A)+Δ 式3

R’－预报单元格前期有效降水量推算值，单位mm，

Δ－误差，值很小接近于0，取值0。

建立各预报单元格在a天的前期有效降水量的推算值集P(如图9所示)。

步骤S4、根据预报区各雨量站点当前(预报日前n天)的实况观测降水数据，建立各雨量站点当前(预报日前n天)的实况前期有效降水量集Q。

获取预报区各雨量站点当前的实况观测降水数据，依照降水量衰减计算方法(与步骤S2式5计算过程相似，其中n＝20、K＝0.8)计算各雨量站点当前的实况前期有效降水量，建立各雨量站点当前的实况前期有效降水量集Q。

步骤S5、计算各预报单元格前期有效降水量Y_x，建立预报区区域泥石流前期有效降水量集Y。

设定搜索半径r＝50km，将预报单元格周围范围确定为搜索半径覆盖的圆形范围，统计每一预报单元格搜索范围内的雨量站点数M。如图10所示，预报单元格x的周围(搜索半径r的圆形区域)内有雨量站点1、2、4、i、j、M。为准确得到预报单元格x当前的前期有效降水量Y_x，需同时考虑周围各雨量站当前的前期有效降水量，并依各雨量站与预报单元格x的距离大小分配各雨量站数据的权重值。

对于每一预报单元格，依式1、式2计算当前的前期有效降水量Y_x。

式中，Y_x－各预报单元格当前的前期有效降水量，单位mm，

M－各预报单元格搜索范围内的雨量站点数，

ω_i－各预报单元格搜索范围内的第i个雨量站点的权重，

Q_i－各雨量站点当前的实况前期有效降水量，单位mm，步骤S4确定，

P_x－各预报单元格前期有效降水量推算值，单位mm，步骤S3确定，

d_i－各预报单元格与其搜索范围内第i个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定，

d_j－各预报单元格与其搜索范围内第j个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定。

根据各预报单元格Y_x建立预报区泥石流当前的前期有效降水量集Y，发布预报(如图11所示)，并提交泥石流预报系统。

对照及结果检验

对照例：利用现有技术的反距离加权内插方式得到实施例一中同一天a各泥石流预报单元的前期有效降水量如图12所示。

对照例具体计算过程参见蒲阳等，不同雨量次降雨空间插值对比——以四川省南充市降雨为例，《水文》2018年第04期。

实施例一方法与对照例方法结果对比如表1所示。

表1两种方法结果对比

注：实——实施例(考虑下垫面的方法)结果数据，对——对比例(反距离加权方法)

分析表1，可以看出像现有技术简单反距离加权内插等方法，基于内插模型本身的性质，只是在距离测站较近的地方，可能得到较好的效果。然而，利用这种方法得到的内插值都是不大于指定搜索范围内所搜索到的测站降水数据的最大值，然而一个区域的最大降水量值往往不在测站点上，因为气象站点一般都在地势较平缓高度较低的地方。而本发明方法考虑了影响降水时空分布的下垫面因素的内插方法，可以推算出基于历史降水数据和实况降水数据上的一定时段降水的空间分布状况，从而得到的前期有效降水量更为可靠。

Claims (9)

1.区域泥石流前期有效降水量测算方法，用于预报泥石流发生的前期有效降水量，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、划定泥石流预报区域，确定影响预报区降水时空分布的主要下垫面因子，构成下垫面因子集A；划分预报区的预报单元格；

步骤S2、根据预报区及周围各雨量站点历史观测降水数据建立各雨量站点的历史前期有效降水量集R；

步骤S3、利用降水量气候学模型，建立泥石流前期有效降水量与下垫面因子集A间的回归方程，解算回归方程，得到各预报单元前期有效降水量推算值集P；

步骤S4、根据预报区各雨量站点当前的实况观测降水数据，建立各雨量站点当前的实况前期有效降水量集Q；

步骤S5、统计每一预报单元格周围的雨量站点，依式1、式2计算每一预报单元格前期有效降水量Y_x，建立预报区区域泥石流前期有效降水量集Y，

式中，Y_x－各预报单元格前期有效降水量，单位mm，

M－各预报单元格周围的雨量站点数，

ω_i－各预报单元格周围的第i个雨量站点的权重，

Q_i－各雨量站点当前的实况前期有效降水量，单位mm，步骤S4确定，

P_x－各预报单元格前期有效降水量推算值，单位mm，步骤S3确定，

d_i－各预报单元格与周围第i个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定，

d_j－各预报单元格与周围第j个雨量站点的欧氏距离，单位km，常规方法计算确定。

2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：所述步骤S3中，以步骤S2所得各雨量站每天的历史前期有效降水量集R与步骤S1所得各下垫面值为基础，将同一天各雨量站点的历史前期有效降水量P_i代入式4建立方程，利用最小二乘原理回归分析，解算得到各下垫面因子A_i的回归系数λ_i及常数项ε；

式中，R(A)－实况降水值关于A的函数，单位mm，

N－步骤S1中确定的影响降水分布的下垫面因子数，

A_i－第i个下垫面因子值，

λ_i－第i个下垫面因子的回归系数，

ε－常数项；

将确定的各回归系数λ_i与常数项ε值以及预报单元格各影响因子A_i的值代入式4，再依式3得到各预报单元格当天前期有效降水量推算值R’，建立各预报单元格在当天的前期有效降水量的推算值集P；

R’＝R(A)+Δ 式3

式中，R’－预报单元格前期有效降水量推算值，单位mm，

Δ－误差，值很小接近于0，取值0。

3.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：步骤S2中，所述预报区及周围各雨量站点是以预报单元格为中心，搜索半径r覆盖的圆形范围区域内的雨量站。

4.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：步骤S2中，依式5计算各雨量站点每天的历史平均前期有效降水量P_i，建立各雨量站点每天的历史前期有效降水量集R；

其中，P_i－第i个雨量站某天的历史平均前期有效降水量，单位mm，

n－有影响的天数，取值20，

P_ij－第i个雨量站该天的前j天的多年降水平均值，单位mm，依雨量站点历史观测降水数据确定，

K－衰减系数，取值0.8，

j－有影响的天数n中的第j天。

5.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：步骤S4中，依式5计算各雨量站点当前的实况前期有效降水量P_i，建立各雨量站点当前的实况前期有效降水量集Q；

其中，P_i－第i个雨量站当前的实况前期有效降水量，单位mm，

n－有影响的天数，取值20，

P_ij－第i个雨量站前j天的多年降水平均值，单位mm，依各雨量站点当前的实况观测降水数据确定，

K－衰减系数，取值0.8，

j－有影响的天数n中的第j天。

6.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：步骤S5中，所述每一预报单元格周围的雨量站点是以预报单元格为中心，搜索半径r覆盖的圆形范围区域内的雨量站。

7.根据权利要求3或6所述的测算方法，其特征在于：所述搜索半径r根据雨量站分布的密度确定，保证每个预报单元在搜索半径r内找到至少1个雨量站点。

8.权利要求1～6任一所述的区域泥石流前期有效降水量测算方法在泥石流预报中的应用。

9.泥石流预报方法，其特征在于：采用权利要求1～6任一所述的区域泥石流前期有效降水量测算方法测算区域泥石流前期有效降水量。