CN113592142A - 水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统 - Google Patents

水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统，该方法包括：在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；通过中尺度数值预报模型，预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，通过迎风坡微地形的暴雨强度预测模型预测迎风坡微地形的暴雨强度。本发明可自动判识出水库流域迎风坡微地形关键位置，为暴雨准确计算提供了针对性的依据。

Description

水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统
技术领域
本发明涉及水文预报技术领域，尤其涉及一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统。
背景技术
近年来极端气候高发，暴雨发生频率增加。暴雨的突发性、难预测性为流域水库的发电调度、防洪调度带来巨大挑战，常出现暴雨前电站水位过高，发生暴雨时电站的防洪压力大，不得不开闸泄洪，产生大量弃水，甚至影响水库上下游的防洪安全。暴雨洪水成为当前导致水库弃水和影响防洪安全的最突出问题。
准确的暴雨预报是支撑水库防洪和发电优化调度重要基础。水库流域多处高山、峡谷等微地形区域，微地形对暴雨强度的影响显著，造成局地发生暴雨增强，其中迎风坡地形导致的暴雨增强效应最为显著，据统计迎风坡地区的暴雨强度平均增强幅度达到45％-50％，但是，目前国际上最先进的暴雨数值预报系统也仅为3km*3km，由于平均了地形的作用，无法预报出迎风坡微地形区域的暴雨强度。
为此，本发明根据水库流域暴雨长系列大数据统计分析，分析了迎风坡型微地形对暴雨强度的影响规律，建立了迎风坡型暴雨微地形预报模型，可准确预测迎风坡型微地形区域暴雨强度，为水库调度运行提供重要的暴雨预测结果。
发明内容
本发明提供了一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统，用以解决现有大尺度数值预报无法考虑微地形对暴雨强度的影响的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，包括以下步骤：
在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；
通过中尺度数值预报模型，预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，通过迎风坡微地形的暴雨强度预测模型预测迎风坡微地形的暴雨强度。
作为本发明的方法的进一步改进：
迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，为：
R＝α·u0·ρw (1)
其中，R为降水强度；α为迎风坡坡度；u0为迎风坡地面风速；ρw为水汽密度。
水汽密度可由下式计算得到：
Figure BDA0003135774910000021
其中，e0为水在0℃时的饱和水汽压，T和Td分别为气温和露点温度，a、b分别为水汽压参数。
将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，分析找出迎风坡型微地形。
本发明还提供一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报系统，包括：
暴雨分布图分析单元，用于在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
暴雨微地形分析单元，用于结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；
中尺度数值预报模型，用于预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度；
迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，用于根据降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，预测迎风坡微地形的暴雨强度。
作为本发明的系统的进一步改进：
迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，为：
R＝α·u0·ρw (1)
其中，R为降水强度；α为迎风坡坡度；u0为迎风坡地面风速；ρw为水汽密度。
水汽密度可由下式计算得到：
Figure BDA0003135774910000022
其中，e0为水在0℃时的饱和水汽压，T和Td分别为气温和露点温度，a、b分别为水汽压参数。
将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，分析找出迎风坡型微地形。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统，结合大尺度级的暴雨长系列观测数据和中尺度级的DEM数据，提出了迎风坡暴雨微地形区域识别方法，自动判识出水库流域迎风坡微地形关键位置，为暴雨准确计算提供了针对性的依据。
2、在优选方案中，本发明水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法及系统，建立了中尺度的迎风坡暴雨微地形计算模型，可考虑微地形对暴雨强度的增强作用，准确预测迎风坡微地形区域的暴雨强度，为水库防洪和发电优化调度提供重要暴雨预报基础数据。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的迎风坡微地形概化及识别示意图；
图3是本发明优选实施例的柘溪水库流域暴雨分布图；
图4是本发明优选实施例的柘溪2016年7月4日柘溪建库以来最大暴雨过程微地形预报的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1，本发明实施例的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，包括以下步骤：
S1、在大尺度条件(例如3km*3km网格)下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值(可按照通用的暴雨量级阈值)的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
S2、结合中尺度(例如30m*30m网格)的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；本实施例中，分析地形对暴雨形成的影响物理机制，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，分析找出迎风坡型微地形；
S3、通过中尺度数值预报模型，预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度等气象要素，结合迎风坡坡度，通过迎风坡型微地形的暴雨强度预测模型预测迎风坡微地形的暴雨强度。
其中，迎风坡微地形的暴雨强度预测模型的建立步骤如下：
携带暖湿空气的气流翻越山坡，在山顶及迎风坡侧，含有大量水气的气团在风力作用下，沿山坡强制上升而绝热膨胀对外做功，气团温度降低使得空气中水汽饱和，导致降水增加。因此，迎风坡微地形的暴雨强度预测模型是用于分析迎风坡微地形区域风速、水汽等参数变化规律，重点需要考虑风速、水汽的变化。迎风坡微地形的暴雨强度预测模型具体计算如下：
R＝α·u0·ρw (3)
其中，R为降水强度，α为迎风坡坡度，u0为迎风坡地面风速，ρw为水汽密度，水汽密度可由下式计算得到：
Figure BDA0003135774910000041
其中，e0为水在0℃时的饱和水汽压，T和Td分别为气温和露点温度，a、b分别为水汽压参数。
通过上述步骤，结合大尺度级的暴雨长系列观测数据和中尺度级的DEM数据，可自动判识出水库流域迎风坡微地形关键位置，为暴雨准确计算提供了针对性的依据。
本发明实施例还提供一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报系统，包括：
暴雨分布图分析单元，用于在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
暴雨微地形分析单元，用于结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；参见图，通过将已有的30m尺度DEM数据进行1km、500m、100m重采样，采用5×5的窗口提取重采样后的DEM数据，找出与图微地形概化图相似的区域即为迎风坡微地形(颜色越深表示海拔越高)。
中尺度数值预报模型，用于预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度；
迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，用于根据降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，预测迎风坡微地形的暴雨强度。
实施例2：
本实施例以湖南柘溪水库为例，本实施例的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，包括：
S1：收集大尺度条件下(3km*3km网格)柘溪水库流域近10年的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图如图3所示，设置暴雨量级阈值为20000mm，超过阈值的柘溪、沙江、维山、洞口等地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
S2：结合30m*30m网格的DEM地形数据，分析地形对暴雨形成的影响物理机制，找出了迎风坡型(安化县西部上银杏坪至将军山等)微地形区域；
S3：以2016年柘溪建库以来最大暴雨洪水预报为例，根据中尺度数值预报模式，计算得到微地形所在大尺度网格的气温、露点温度、风速等气象要素，结合实施例1的迎风坡型微地形计算模型，即可计算得到迎风坡微地形(安化县西部上银杏坪至将军山)暴雨强度(如图4示)。
实施例3：
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。
综上可知，本发明可考虑微地形对暴雨强度的增强作用，准确预测迎风坡微地形区域的暴雨强度，为水库防洪和发电优化调度提供重要暴雨预报基础数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；
通过中尺度数值预报模型，预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，通过迎风坡微地形的暴雨强度预测模型预测迎风坡微地形的暴雨强度。
2.根据权利要求1所述的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，其特征在于，所述迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，为：
R＝α·u0·ρw (1)
其中，R为降水强度；α为迎风坡坡度；u0为迎风坡地面风速；ρw为水汽密度。
3.根据权利要求2所述的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报方法，其特征在于，水汽密度由下式计算得到：
Figure FDA0003135774900000011
其中，e0为水在0℃时的饱和水汽压，T和Td分别为气温和露点温度，a、b分别为水汽压参数。
4.一种水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报系统，其特征在于，包括：
暴雨分布图分析单元，用于在大尺度条件下，收集水库流域历史长系列的暴雨观测数据，绘制暴雨分布图，设置暴雨量级阈值，将超过暴雨量级阈值的地区为需要重点分析的暴雨微地形区域；
暴雨微地形分析单元，用于结合中尺度的DEM地形数据，将需要重点分析的暴雨微地形区域进行分类，找出了迎风坡型微地形区域；
中尺度数值预报模型，用于预测并计算迎风坡型微地形区域所在大尺度的网格的降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度；
迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，用于根据降水强度、迎风坡地面风速以及气温和露点温度，结合迎风坡坡度，预测迎风坡微地形的暴雨强度。
5.根据权利要求4所述的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报系统，其特征在于，所述迎风坡微地形的暴雨强度预测模型，为：
R＝α·u0·ρw (1)
其中，R为降水强度；α为迎风坡坡度；u0为迎风坡地面风速；ρw为水汽密度。
6.根据权利要求5所述的水库流域的迎风坡微地形的暴雨预报系统，其特征在于，水汽密度由下式计算得到：
Figure FDA0003135774900000021
其中，e0为水在0℃时的饱和水汽压，T和Td分别为气温和露点温度，a、b分别为水汽压参数。
7.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一所述方法的步骤。
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