CN115271506A - 一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法 - Google Patents

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CN115271506A CN202210951849.1A CN202210951849A CN115271506A CN 115271506 A CN115271506 A CN 115271506A CN 202210951849 A CN202210951849 A CN 202210951849A CN 115271506 A CN115271506 A CN 115271506A
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王鹏
常恩浩
胡笑妍
吴奕
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Abstract

本发明涉及降雨数据分析技术领域，公开了一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，本发明包括：获取降雨站点、选取降雨站点、选取代表雨量站、构建待测区域降雨表征长系列、降雨表征长系列代表性分析；本发明整体方法设计合理，通过旱涝分布图集能够有效获取所需降雨站点；利用IDW等方法，综合实现降雨量的数据插补；逐年计算待测区域面均旱涝等级，有效构建1470年至今待测区域降雨表征长系列；利用1470年至今待测区域降雨表征长系列，有效实现对待测区域实测降雨系列的代表性分析；本发明整体系统便于实施，适用于多种待测区域实施分析。

Description

一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法
技术领域
本发明涉及降雨分析技术领域，具体涉及一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法。
背景技术
基于实测降雨资料分析某一区域降雨特点时，需要考虑选用哪一时期的实测降雨系列能代 表区域降雨的变化特点，既要包含降雨偏枯的年份，也要包含降雨偏丰的年份，要能代表区域 降雨的多年变化的总体特性，较好地代表总体分布。由于总体是未知的，一般来说，系列越长， 样本包含总体的各种可能组合信息越多，其代表性越好，抽样误差越小。目前自有实测降雨资 料以来，降雨系列一般只有50年～70年的时间长度，该实测降雨资料系列长度能否完全代表 区域降雨的多年变化的总体特性，需要通过与降雨密切相关的更长资料系列数据的佐证。
另一方面，水利工程设计中需要提出工程所在位置设计径流、设计泥沙的成果，该成果直 接决定水利工程的规模和投资。若需提出较科学合理的设计径流、设计泥沙成果，同样需要对 径流、泥沙系列的代表性进行分析，径流、泥沙的丰枯变化与降雨密切相关，通过论证相关区 域降雨系列的代表性，能够支撑径流、泥沙系列的代表性分析，从而为水利工程的规划设计提 供帮助。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法。
本发明的技术方案是：一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，包括：
S1、获取降雨站点
收集待测区域内实测降雨数据，并获取旱涝分布图集中的降雨站点；
S2、选取降雨站点
基于降雨站点对待测区域边界图进行泰森多边形划分进而选取降雨站点；
S3、选取代表雨量站
从选取的降雨站点中进一步选取具有连续降雨数据且空间代表性较好的降雨站作为代表 雨量站；
S4、构建待测区域降雨表征长系列
对于1470年～1959年代表雨量站的旱涝等级数据，采用旱涝分布图集站点数据，利用IDW 法进行插补；
对于1960年至今代表雨量站的旱涝等级数据，根据旱涝分布图集给出的降水量分级表达 式，对实测降雨量进行转换，采用泰森多边形法逐年计算待测区域面均旱涝等级，然后构建的 1470年至今待测区域降雨表征长系列；
S5、降雨系列代表性分析
基于步骤S4构建的1470年至今待测区域降雨表征长系列，采用多种方法分析待测区域实 测降雨系列的代表性；
进一步地，所述步骤S2具体为：基于降雨站点对待测区域边界图进行泰森多边形划分， 且将权重系数为0的待测降雨站点删除，其余即为选取的降雨站点；通过泰森多边形划分得到 待测区域内的泰森多边形分块，有效排除权重系数为0的降雨站点。
进一步地，所述步骤S3具体为从选取的降雨站点中以面平均旱涝等级为选用指标进一步 选取具有连续降雨数据且空间代表性较好的降雨站作为代表雨量站；选取代表性好的降雨站， 能够有效提高分析待测区域面雨量的丰枯变化情况的效率。
进一步地，步骤S4利用IDW法进行插补具体为：寻找距离代表雨量站最近的10个降雨 站作为参证站，根据式
Figure BDA0003789508340000031
以代表雨量站与参证站距离平方的倒数作为权重来计算 代表雨量站的雨量值，代表雨量站与参证站距离越近，权重系数越大；其中，p表示待插补站 的雨量值，d表示测站间距离，Pi表示第i个参证站旱涝等级；利用距离平方倒数法，能够进 行空间插值，逐年计算待测区域面均旱涝等级，有效构建1470年至今年待测区域降雨表征长 系列。
进一步地，步骤S4所述IDW法可用克里金法或距离平方倒数法或多元回归法或薄板样条 函数法替换；依据待测区域的实际情况，从多种方法中选用适当的计算方法，使方法更具备实 用性，适用于多种区域环境。
进一步地，步骤S4所述降水量分级表达式具体为：
Figure BDA0003789508340000032
其中，降水量分级表达式中
Figure BDA0003789508340000033
表示5～9月多年平均雨量，Ri表示逐年5～9月雨量，σ为标准差；利用降水量资料，将原先用比例关系表示的分级办法换算成用多年平均降水量和标 准差σ表达的公式，使得这5个等级可以分别与降水量相对应，使定量的含义更清楚。
进一步地，S5所述的分析方法采用均值和Cv比较、模比系数差积曲线法、滑动平均法、 模比系数累计平均曲线法的一种或多种。多种方法能够使分析结果更全面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明整体方法设计合理，通过旱涝分布图集能 够有效获取所需降雨站点；利用对待测区域边界图进行泰森多边形划分，实现对降雨站点的针 对性选取；利用代表雨量站选取标准，能够从降雨站中进一步选出代表性较好的代表雨量站； 利用IDW法，实现降雨量的数据插补；逐年计算待测区域面均旱涝等级，有效构建1470年至 今年待测区域降雨表征长系列；利用1470年至今年待测区域降雨表征长系列，有效实现对待 测区域实测降雨系列的代表性分析；本发明整体系统便于实施，适用于多种待测区域实施分析。
附图说明
图1是本发明的系统模块框架图；
图2是应用例黄河流域降雨站点的泰森多边形分块图；
图3是应用例河龙区间代表雨量站与筛选的降雨站点空间分布情况图；
图4是应用例河龙区间1470年～2022年的降雨表征长系列图；
图5是应用例河龙区间1470年～2022年的旱涝等级系列模比系数差积曲线图；
图6是应用例河龙区间1470年～2022年的旱涝等级系列10滑动平均曲线图；
图7是应用例河龙区间1470年～2022年的旱涝等级系列模比系数累计平均曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例：
如图1所示的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，具体包括：
S1、获取降雨站点
收集待测区域内实测降雨数据，并获取旱涝分布图集中的降雨站点；
S2、选取降雨站点
基于降雨站点对待测区域边界图进行泰森多边形划分进而选取降雨站点；基于降雨站点对 待测区域边界图进行泰森多边形划分，且将权重系数为0的待测降雨站点删除，其余即为选取 的降雨站点；
S3、选取代表雨量站
从选取的降雨站点中以面平均旱涝等级为选用指标进一步选取具有连续降雨数据且空间 代表性较好的降雨站作为代表雨量站；
S4、构建待测区域降雨表征长系列
对于1470年～1959年代表雨量站的旱涝等级数据，采用旱涝分布图集站点数据，利用IDW 法进行插补；IDW法进行插补具体为：寻找距离代表雨量站最近的10个降雨站作为参证站， 根据式
Figure BDA0003789508340000051
以代表雨量站与参证站距离平方的倒数作为权重来计算代表雨量站的雨 量值，代表雨量站与参证站距离越近，权重系数越大；其中，p表示待插补站的雨量值，d表 示测站间距离，Pi表示第i个参证站旱涝等级；对于1960年至今代表雨量站的旱涝等级数据， 根据旱涝分布图集给出的降水量分级表达式，对实测降雨量进行转换，采用泰森多边形法逐年 计算待测区域面均旱涝等级，然后构建的1470年至今待测区域降雨表征长系列；旱涝分布图 集给出的降水量分级表达式具体为：
Figure BDA0003789508340000052
其中，降水量分级表达式中
Figure BDA0003789508340000053
表示5～9月多年平均雨量，Ri表示逐年5～9月雨量，σ为标准差；
其中，旱涝分布图集具体为中国气象科学研究院主编的《中国近500年旱涝分布图集》；
S5、降雨系列代表性分析
基于步骤S4构建的1470年至今待测区域降雨表征长系列，采用多种方法分析待测区域实 测降雨系列的代表性；分析方法具体采用均值和比较、模比系数差积曲线法、滑动平均法、模 比系数累计平均曲线法。
应用例：
利用上述实施例方法以河龙区间作为研究对象，建立基于区域表征长系列的分析方法，其 中，河龙区间指黄河中游河口镇至龙门区间区域。本次在《中国近500年旱涝分布图集》中筛 选河龙区间的所涉及到的站点，作为本次使用的降雨站点。如图2所示，将《中国近500年旱 涝分布图集》中的120个站点对黄河流域边界图进行泰森多边形划分，选取站点共计30个；
选取河龙区间1960年～2016年有连续降雨数据且空间代表性较好的雨量站作为代表站， 共计23个；如图3所示，代表雨量站与筛选的《中国近500年旱涝分布图集》站点分布情况；
对于1470年～1959年代表雨量站的旱涝等级数据，采用《中国近500年旱涝分布图集》 站点数据，利用IDW法进行数据插补；采用距离平方倒数法进行空间插值；
对于1960年～2022年代表雨量站的旱涝等级数据，按照《中国近500年旱涝分布图集》 给出的降水量分级表达式，由实测降雨量进行转换。采用泰森多边形法逐年计算河龙区间面均 旱涝等级，如图4所示，构建1470年～2022年河龙区间降雨表征长系列；
利用均值和Cv比较、模比系数差积曲线法、滑动平均法、模比系数累计平均曲线法方法 对1966年～2022年河龙区间降雨系列的代表性进行了分析；
结合以往成果，将水沙变化研究中常见代表时段河龙区间旱涝等级系列的均值和Cv进行 了统计分析，如表1所示；
表1：不同时期河龙区间旱涝等级系列的均值和CV比较
时期 均值 Cv
1470年～2022年 3.17 0.26
1956年～1970年 2.83 0.36
2000年～2022年 2.66 0.29
2007年～2022年 2.47 0.31
1966年～2022年 2.99 0.28
结论：从表1可以看出1966年～2022年系列旱涝等级均值和Cv与1470年～2022年系列 最为接近，相差不超过9％，说明1966年～2022年系列旱涝等级代表性较好；
1470年～2022年河龙区间旱涝等级系列的模比系数差积曲线、10滑动平均曲线、模比系 数累计平均曲线分别如图5、6、7所示；从图5、6可以看出，1966年～2022年系列旱涝等级 系列丰、平、枯时段齐全；从图7可以看出，1979年前后模比系数累计平均值已基本趋于稳 定，说明代表河龙区间的降雨系列至少需要40年系列的支撑，1966年～2022年系列旱涝等级 代表性较好。

Claims (7)

1.一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，包括：
S1、获取降雨站点
收集待测区域内实测降雨数据，并获取旱涝分布图集中的降雨站点；
S2、选取降雨站点
基于降雨站点对待测区域边界图进行泰森多边形划分进而选取降雨站点；
S3、选取代表雨量站
从选取的降雨站点中进一步选取具有连续降雨数据且空间代表性较好的降雨站作为代表雨量站；
S4、构建待测区域降雨表征长系列
对于1470年～1959年代表雨量站的旱涝等级数据，采用旱涝分布图集站点数据，利用IDW等方法进行综合插补；
对于1960年至今代表雨量站的旱涝等级数据，根据旱涝分布图集给出的降水量分级表达式，对实测降雨量进行转换，采用泰森多边形法逐年计算待测区域面均旱涝等级，然后构建的1470年至今待测区域降雨表征长系列；
S5、降雨系列代表性分析
基于步骤S4构建的1470年至今待测区域降雨表征长系列，采用多种方法分析实测降雨系列的代表性。
2.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：基于降雨站点对待测区域边界图进行泰森多边形划分，且将权重系数为0的待测降雨站点删除，其余即为选取的降雨站点。
3.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为从选取的降雨站点中以面平均旱涝等级为选用指标进一步选取具有连续降雨数据且空间代表性较好的降雨站作为代表雨量站。
4.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，步骤S4利用IDW等方法进行综合插补具体为：寻找距离代表雨量站最近的10个降雨站作为参证站，根据式
Figure FDA0003789508330000021
以代表雨量站与参证站距离平方的倒数作为权重来计算代表雨量站的雨量值，代表雨量站与参证站距离越近，权重系数越大；
其中，p表示待插补站的雨量值，d表示测站间距离，Pi表示第i个参证站旱涝等级。
5.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，步骤S4所述IDW法可用克里金法或距离平方倒数法或多元回归法或薄板样条函数法替换。
6.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，步骤S4所述降水量分级表达式具体为：
降雨量等级 降水量分级表达式
涝
Figure FDA0003789508330000022
偏涝
Figure FDA0003789508330000023
正常
Figure FDA0003789508330000024
偏旱
Figure FDA0003789508330000025
旱
Figure FDA0003789508330000026
其中，降水量分级表达式中
Figure FDA0003789508330000027
表示5～9月多年平均雨量，Ri表示逐年5～9月雨量，σ为标准差。
7.根据权利要求1所述的一种区域降雨表征长系列构建分析一体化方法，其特征在于，S5所述的分析方法采用均值和比较、模比系数差积曲线法、滑动平均法、模比系数累计平均曲线法的一种或多种。
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