1、2.5 降 水,P6674,2.5 降 水(precipitation),大气中的水汽以液态或固态的形式到达地面，称为降水。其主要形式有降雨和降雪，以及雹、露、霜等。 降水是水循环过程的最基本环节，又是水量平衡方程中的基本参数。从 闭合流域多年平均水量平衡方程PRE可知，降水是地表径流的本源，亦是地下水的主要补给来源。降水在空间分布上的不均匀与时间变化上的不稳定性又是引起洪、涝、旱灾的直接原因。所以在水文学水资源的研究与实际工作中，十分重视降水的分析与计算。,降水成因,大气中的水分是从海洋河流、湖泊、河流等各种水体及土壤、植物蒸发而来的。在一定温度条件下，大气中水汽含量有一最大值，空气中最大的
2、水汽含量称为饱和湿度。饱和湿度与气温成正比，气温越低，饱和湿度即空气中可容纳的水汽量越少。当空气中的水汽含量超过饱和湿度时，空气中的水汽开始凝结成水，如果这种凝结现象发生在地面，则形成霜和露；如果发生在高空则形成云，随着云层中的水珠、冰晶含量不断增加，当上升的气流的悬浮力不能再抵消水珠、冰晶的重量时，云层中的水珠、冰晶在重力作用下降到地面形成降水。,一、降水要素,（一）降水（总）量 降水量是指在一定时间内降落在某一面积上的水量，一般用mm表示。常用的降水量有次降水量、日降水量、月降水量、年降水量、最大降水量、最小降水量等。次降水量是指一次降水开始到结束时所降的水量。日降水量是指一日中的降水量，
3、月降水量是指一月中的降水总量、年降水量是一年中的降水总量。最大降水量是指一次、一日、或一月、或一年中降水的最大量。 在各种水文资料中，降水量除特别注明外，均指降水深度。 （二）降水历时与降水时间 降水历时是指从降水开始到降水结束所经历的时间。一般以小时、分表示。 降水时间是对应于某一降水量的时间长。一般为天、月等，如1日最大降水量，此时的一日即为降水时间，降水历时与降水时间最大的区别在于降水时间内，降水并不一定连续。,（三）降水强度 简称雨强，指单位时间内的降水量，以毫米/分或毫米/时计。在实际工作中常根据雨强进行分级，常用分级标准如表2-8所示。,（四）降水面积：即降水所笼罩的面积，以平方公
4、里计。,二、降水的类型,从不同的角度，降水有多种类型。 （一）按降水性质分：连续性降水、阵性性降水、毛毛状降水 、连续性降水（绵雨）指从雨层云或高层云中的降水，具有持续时间较长、强度变化小、降水面积较大 特点。 、阵性降水（阵雨）从积雨云和浓积云中的降水，具有持续时间短、强度变化大、降水范围小、分布不均 特点，有明显的阵性。中低纬地区夏季最为常见。 、毛毛状降水（毛毛雨）从层云或层积云中降下的雨、雪。具有降水强度很小、落在水面无波纹、落在地面无湿斑 。,（二）按降水强度分：小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨；小雪、中雪、大雪（如下表，单位：mm）,（三）按降水成因分：气旋雨、对流雨、地形雨、台风
5、雨,1、气旋雨： 气旋就是低气压，低气压过境形成的降雨为气旋雨。 气旋雨分为非锋面雨和锋面雨两种，非锋面雨是由于低气压中心气流上升形成的降水。锋面雨有冷锋雨、暖锋雨和静止锋雨三种。,冷锋雨是冷气团向暖气团推进时，暖气团迅速爬升，爬升过程中暖空气冷却后在冷暖空气团的交界面锋面上形成巨大的积雨云。冷锋雨的降雨强度大，历时较短，降雨笼罩面积较小。冷锋雨在锋面的后面。 暖锋雨是当暖气团向冷气团移动时，暖气团缓慢在锋面上爬升，逐渐冷却后形成降雨，暖锋雨出现在地面锋线的前面，降水强度小，历时长，降雨笼罩面积大。我国大部分地区锋面雨占全年降水的60以上，是降水的主要形式之一。,2、对流雨,对流雨：是由于冷暖
6、空气上下对流形成的降雨。在夏季暖湿空气笼罩在一个地区时，由于地面局部地区受热，下层热空气膨胀上升，上层冷空气下降，形成对流。上升的空气冷却后形成降雨，这种降雨常出现在酷热的夏季午后。 特点是降雨强度大、历时短、降水笼罩面积小，常伴有雷电。,3、地形雨,地形雨：指暖湿气流受地形抬升而形成的降雨。地形雨多在迎风坡的山坡上，背风坡则雨量很少。,4、台风雨 ：当台风（热带风暴）登陆后，将大量的湿热空气带到大陆，造成狂风暴雨。台风雨的特点是强度大、雨量大，很容易造成大的洪水灾害。,（四）按降雨量和降雨过程特征分类：暴雨、暴雨型霪雨、霪雨三种,1、暴雨：主要是对流作用形成，其特征是：历时短、强度大、笼罩面
7、积不大。 按气象方面有关规定：24小时降水量超过50mm或12小时降水量超过30mm或1小时降水量超过16mm的降雨称为暴雨。其中24小时降水超过100mm为大暴雨，超过200mm为特大暴雨。,2、暴雨型霪雨 由冷暖气团间的锋面交绥或暖湿气团的上升所致。 其特点是历时较长，往往长达几个昼夜，降雨强度变化剧烈，平均强度较大，个别时段降雨强度可能很大。 这种类型降雨常造成灾害性的洪水。,3、霪雨,通常也是由锋面产生的。 其特点是：历时很长，但强度很小，降雨期间可能断断续续，空气中湿度较大，此种雨型笼罩面积常常很大。 对研究雨洪径流形成过程而言，最重要的是暴雨型霪雨。而历时短、强度大的暴雨因笼罩面积
8、小，主要对小流域有意义。霪雨因历时长、强度小、面积大，主要对大流域有意义。,三、降水特征的表示方法P6668,为了充分反映降水的空间分布与时间变化规律，常用降水过程线、降水累积曲线、等降水量线以及降水特性综合曲线表示降水的特性。,（一）降水过程线,降水过程线：指以时间为横坐标，降水量为纵坐标绘制成的降水量随时间的变化曲线。可用降水量柱状图或曲线图表示。 根据每日降水量可绘制逐日降水量过程线，根据每月降水量可绘制逐月降水量过程线，根据历年降水量可绘制逐年降水量过程线。逐日降水量过程线大都不连续，因为在一月内或一年中不是每日都有降水。 常用逐时降水量过程线（雨强过程线）反映暴雨过程。,（二）降水累
9、积曲线,以时间为横坐标，纵坐标表示自降水开始到各时刻降水量的累积值，如图213所示。 自记雨量计记录纸上的曲线，即是降水量累积曲线。 降水量累积曲线上每个时段的平均坡度是各时段内的平均降水强度，即 i=P/t （2-51） 如果所取时段很短，即t0，则可得出瞬时雨强i，即i=dP/dt。即累积曲线上任一点的斜率就是该时刻的降水强度。 如果将相邻雨量站的同一次降水的累积曲线绘在一起，可用来分析降水的空间分布与时程的变化特征。,（三）等降水量线又称等雨量线,在一个较大的区域内，常用等降水量线表现区域内降水的分布情况。 所谓等降水量线是区域内降水量相等地各点连成的曲线，它反映区域内降水的分布变化规律
10、，在等降水量线图上可以查出各地的降水量和降水面积，但无法确定降水历时和降水强度。,（四）降水特性综合曲线,降水特性综合曲线是反映降水特性的一些曲线，常用的有降水强度历时曲线、平均雨深面积曲线、雨深面积历时曲线三种。,1、降水强度-历时关系曲线,雨强历时：指一场降水过程中，降雨强度大于或等于某一强度值的时段长。 曲线绘制方法是根据一场降水的记录，统计其不同历时内最大的平均雨强，而后以雨强为纵坐标，历时为横坐标点绘而成，如图2-14所示。由图可知，同一场降雨过程中雨强与历时之间成反比关系，即历时愈短，雨强愈高。此曲线可用下面经验公式表示， it=s/tn （2-52） 式中， t为降水历时（小时）
11、；s为暴雨参数又称雨力，相当于历时t=1小时的雨强；n为暴雨衰减指数，一般为0.50.7；it为相应历时t的降水平均强度（毫米/小时）。,2、平均深度-面积曲线,这是反映同一场降水过程中，雨深与面积之间对应关系的曲线，一般规律是面积越大，平均雨深越小。曲线的绘制方法是，从等雨量线中心起，分别量取不同等雨量线所包围的面积及此面积内的平均雨深，点绘而成。如图2-15。,3、雨深-面积-历时曲线,曲线绘制方法是，对一场降水，分别选取不同历时（例如，1日，2日，）的等雨量线，以雨深、面积为参数作出平均雨深-面积曲线并综合点绘于同一图上，如图2-16所示。 其一般规律是，面积一定时，历时越长，平均雨深越
12、大；历时一定时，则面积越大，平均雨深越小。,四、区域平均降水量的计算,通常，雨量站所观测的降水记录，只代表该地小范围的降水情况，称点降水量。实际工作中常需要大面积以至全区域的降水量值，即面降水量值（区域平均降水量）。 常用的区域平均降水量的计算方法主要有：算术平均法、加权平均法、泰森多边形法、等雨量线法等。在面积较大的流域，最好用泰森多边形法，计算流域的平均降水量；小流域常用加权平均法；在平地上可用算术平均法和等雨量线法。,1.算术平均法 （均值法）,此法是以所研究的区域内各雨量站同时期的降水量相加，再除以站数（n）后得出的算术平均值作为该区域的平均降水量（P），即： P（p1p2pn）/n
13、式中 p1,p2,，pn 为各测站点同期降水量（mm） P 流域平均降水量（mm） n 测站数 对于地形起伏不大，降水分布均匀，测站布设合理或较多的情况下，算术平均法计算简单、而且也能获得满意的结果。,2.加权平均法,在对流域基本情况如面积、地类、坡度、坡向、海拔等进行勘察基础上，选择有代表性的地点作为降水观测点，每个测点都代表一定面积的区域，把每个测点控制的面积作为各测点降水量的权重，按下列公式计算区域平均降水量： Pa1p1/A+ a2p2/A .+anpn/A 式中 P区域平均降水量（mm） A区域面积（hm2或km2） a1 ,a2， ，an每个测点控制的面积（ hm2或km2 ） ，
14、且Aa1+a2+an。 p1 ,p2 pn每个测点观测的降水量,3、泰森多边形法（又叫垂直平分法 ）,其步骤如下： 连结各测站，构成三角网。在雨量站分布图上，将区域内及其区域附近的雨量站用直线两两相连，构成许多三角形（包括邻近流域的测站），形成三角形网。 然后对每个三角形各边作垂直平分线，这些垂直平分线将区域分成以各测站为核心的若干个多边形。 以各个测站对应的多边形在研究区域内的面积作权数，乘以雨量站的降雨量，然后取其平均值即为区域平均降水量。假定每个雨量站的控制面积即为此多边形面积（区域边界内）。,则区域平均降水量可按面积加权法求得：,式中，f1，f2，fn为各测站控制面积，即区域边界内各多
15、边形面积（km2） ；f为研究区域面积；P为区域平均降水量； p1 ,p2 pn为各观测站同期降水量（mm）。 将上式改为：P=w1p1+w2p2+wnpn式中 wfi/f，是各观测站控制面积与区域总面积的比值，又称各观测站的权重系数。,如果流域内的观测点分布不均匀，且有的站偏于一角，站网稳定不变，该方法使用方便，精度较高，并能用计算机迅速运算。 不足：此法假设测站间的降水是线性变化，因此没有考虑地形对降水的影响，把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程中都视作固定不变，这与实际降水情况不符。如果某一测站出现漏测时，则必须重新计算各测站的权重系数，才能计算出全流域的平均降水量。,4、等雨量线法,
16、一般说来，等雨量线是计算区域平均雨量最完善的方法。它的优点是考虑了地形变化对降水的影响，因此对于地形变化较大（一般是大流域）、流域内又有足够数量的降水观测站，能够根据降水资料结合地形变化绘制出等雨量线图，则应采用本方法。 其步骤是：（1）绘制降雨量等值线图；（2）用求积仪或其他方法测算出相邻等雨量线间的面积fi，用fi除以区域总面积得出各相邻等雨量线间面积的权重；（3）以各相邻等雨量线间的雨深平均值乘以相应的面积权重即得权雨量； （4）将各相邻等雨量间面积上权雨量相加即为区域平均雨量。,计算公式如下： P=f1p1/F + f2p2/F .+fnpn/F 式中 f1,f2.fn各相邻等雨量线间
17、的面积（hm2） p1 ,p2pn为各相邻等雨量间的雨深平均值（mm） F区域总面积（hm2或km2） P区域平均降水量(mm) 等雨量线法考虑了降水在空间上的分布情况，理论上较充分，计算精确度较高，并有利于分析流域产流、汇流过程。缺点是对雨量站的数量和代表性有较高的要求，在实际应用上受到一定限制。,五、影响降水的因素P7073,影响降水的因素主要有：地理位置、气旋台风的途径、地形、森林和水体等。,（一）地理位置的影响,1、纬度位置 一般说来，低纬地区气温高，蒸发量大，空气中水汽含量大，故降水多。地球上有2/3的雨量降落在南北纬30度之间，以赤道带最多，逐渐向两极递减。 2、海陆位置 海洋是水
18、汽的主要源地，因而距海远近直接影响空中水汽含量，进而影响陆地上的降水量。我国降水量大致从东南沿海向西北内陆递减。,（二）气旋、台风途径及其它气象因素,我国的降水大部分由气旋和台风形成，因此气旋和台风的路径是影响降水的主要因子之一。如，在春夏之际气旋主要在我国长江流域和淮河流域一带常形成持续的连绵的阴雨天气，即梅雨季节。而进入7、8月后锋面北移进入华北、西北地区，从而使广大的华北和西北地区进入雨季。台风对东南沿海地区的降水影响很大，是这一地区雨季的主要降水形式，有些台风还能深入内地，减弱后变成低气压，国给内地带来较大的降水。 夏季地面空气的对流作用常导致热雷雨。热雷雨在南方气温高的地方发生较多，
19、平地气温比山地高，故易发生热雷雨。,（三）地形的影响P70,地形主要是通过气流的屏障作用与抬升作用对降水的强度与时空分布发生影响的。这在我国表现得十分强烈。许多丘陵山区的迎风坡。常成为降水日数多、降水量大的地区，而背向的一侧则成为雨影区。 地形对降水的影响程度决定于地面坡向、气流方向以及地表高程的变化。,1、坡向与降水,当暖湿气流与山地走向（坡向）垂直或交角较大，则迎风坡多形成“雨坡”，背风坡则成为“雨影”区域。从世界降水量分布图可以看出，在中纬西风带的大陆西岸山地的西坡降水量很多，例如挪威的斯堪的纳维亚山地的西坡，年雨量在10002000mm，但背风坡年雨量只有300-500mm。 我国华夏
20、系山地（北东向）受东南季风影响，东南坡雨量多，西北坡雨量少。 凡是山脉走向与盛行气流平行的山地，则山地两侧的降水量差异较小。如欧洲阿尔卑斯山脉与盛行风向平行，山脉南北坡降水量差别很小。,2、高度与降水,由于山地对气流的屏障和抬升作用，对降水有促成作用，则一般地，降水随地势增高而增多。 注意两点： （1）地形的抬升增雨并非是无限制的 若山体足够高大，则从山脚向山顶，降水量起初受地形抬升作用而随高度增加而增多，但到一定高度降水量达到最大值，即最大降水高度（H）。超过最大降水高度以后，由于空气柱缩短，空气中水汽含量减少，气流通畅，则又随高度地势增高，降水量反而减少。 最大降水高度H因气候条件和地区而
21、不同。一般地，湿润地区大气不稳定，最大降水高度较干燥地区大。如印度西南沿海山地异常潮湿，其最大降水高度H一般在500-700m之间，我国浙皖山地如黄山、天目山最大降水高度在1000m左右，而气候干燥的新疆山地最大降水高度出现在2000-4000m之间。,（2）降水随高度的递增率有地区差异,一般地，湿润地区和迎风坡降雨随高程的递增率较大（见P71表210）。山脉的缺口和海峡是气流的通道，流速加快，水汽难以停留，降雨机会因此而减少。如台湾海峡、琼州海峡两侧降水量减少较多。,（四）森林对降水的影响P7172,森林对降水的影响极为复杂，至今还存在着各种不同的看法。,1、森林有利于降水观点,1）理由：森
22、林蒸腾给大气增加了水分；森林能给大气提供大量的凝结核；林区反射率小，被林冠吸收并用来产生阵雨的热量比反射率大的旷野多；林区下垫面糙度大，森林上方乱流加强，可促进空气的垂直运动，把林木蒸发蒸腾的大量水汽迅速输送到高空，有利降水；造林后比造林前降水量有所增加，森林能够大幅度增加水平降水（露、霜、雾等水平降水） 。 2）支持者：法国学者F.哥里任斯基根据对美国东北部大流域的研究得出结论，大流域上森林覆盖率增加10，年降水量将增加3。 根据前苏联学者在林区与无林地区的对比观测，森林不仅能保持水土，而且直接增大降水量，例如，在马里波尔平原林区上空所凝聚的水平降水，平均可达年降水量的13。 我国吉林省松江
23、林业局通过对森林区、疏林区及无林区的对比观测，森林区的年降水量分别比疏林区和无林区高出约50毫米和83毫米（表211）。,2、森林对降水的影响不大 观点,1）理由：森林蒸腾给空气中的水汽量是很少的；森林没有产生降水的机能；森林分布与降水分布是一致的。是降水分布决定着能否有森林，而不是森林生长决定降水量的分布。 2）支持者：K.汤普林认为，森林不会影响大尺度的气候，只能通过森林中的树高和林冠对气流的摩阻作用，起到微尺度的气候影响，它最多可使降水增加13； H.L.彭曼收集亚、非、欧和北美洲地区14处森林多年实验资料，经分析也认为森林没有明显的增加降水的作用。,3、森林不仅不能增加降水，还可能减少
24、降水,第三种观点认为，森林不仅不能增加降水，还可能减少降水。例如，我国著名的气象学者赵九章认为，森林能抑制林区日间地面温度升高，削弱对流，从而可能使降水量减少。另据实际观测，茂密的森林全年截留的水量，可占当地降水量的1020，这些截留水，主要供雨后的蒸发。例如，美国西部俄勒冈地区生长美国松的地区，林冠截留的水量可达年降水量的24。这些截留水，从流域水循环、水平衡的角度来看，是水量损失，应从降水总量中扣除。,以上三种观点都有一定的根据，亦各有局限性。而且即使是实测资料，也往往要受到地区的典型性、测试条件、测试精度等的影响。总体来说，森林对降水的影响肯定存在，至于影响的程度，是增加或是减少，还有待
25、进一步研究。并且与森林面积、林冠的厚度、密度、树种、树龄以及地区气象因子、降水本身的强度、历时等特性有关。,（五）水体的影响,水域对降水的影响，主要是由于水面和陆面的热力学和动力学差异引起的。 由于水陆的热力学差异，水的热容量大，通过水体的内部运动又可将表层热量传到较深层次，则水域具有热惰性，增温降温均缓慢，水温变幅小；而陆地具有热敏性，冷热变化急剧，升温降温都快。因此，在降温和寒冷季节，水域相对为热源，有利于空气对流形成降水。但在升温季节和温暖季节，水体又相对为冷源，有利于高压形成，则不利于降水。 总体来看，大水体表面由于空气阻力小，风速大，气流辐散等因素的影响，降水量减少。 洋流对降水有重
26、要影响，暖流由于温度和湿度均较大，具有增温增湿作用，则暖流流经的海区和沿岸地区有利于降水；反之寒流流经的海区和沿岸地区降水减少。,（六）人类活动的影响,人类对降水的影响一般都是通过改变下垫面条件而间接影响降水，例如，植树造林、或大规模砍伐森林、修建水库、灌溉农田、围湖造田、疏干沼泽等，其影响的后果有的是减少降水量，有的增大降水量，影响机理如前所述。 在人工直接控制降水方面，例如，使用飞机、火箭直接行云播雨，或者反之驱散雷雨云，消除雷雹等，虽然这些方法早已得到了实际的运用，但迄今由于耗资过多，只能对局部地区的降水产生影响。 需要着重指出的是，城市对降水的影响。这种影响主要表现为城市的增雨作用，例
27、如，南京市区年降水量比郊区多22.6毫米，而且增加了大雨的机遇，雷暴和降雪的日子亦较多。其具体影响的程度、增雨量的大小，则视城市的规模、工厂的多少、当地气候湿润的程度等情况而定。,六、可能最大降水P7374,（一）基本概念和研究意义 1、可能最大降水的含义 可能最大降水（probable maximum precipitation,简称PMP）含有降水上限的含义，即只可能达到，不可能超越的极限。 水汽是降水的原料，还得有天气系统使水汽上升冷却才能凝结致雨。根据气象原理，一个地区空气中的水汽含量及上升运动的强度是有限的，同时维持水汽输送的天气系统的生命也是有限的，因而一定历时的降水量也应有其上限
28、。 不同的地质时期有不同的气候和地貌情况，但可能最大降水是指现代条件而言。 PMP的现行定义是：系指在现代的地理环境和气候条件下，特定的区域在特定的时段内，可能发生的最大降水量（或暴雨）。由此可见，可能最大降水，含有降水上限的意义，亦即该地的降水量只可能达到，不可能超越这数值。但它有一个基本约束条件，即规定适用“现代的地理环境及气候条件”。对于未来时代，那要看今后地理环境和气候的变迁程度而定。,2、研究意义,推求可能最大降水的目的是为了推求可能最大洪水（PMF），从而为水利工程设计用。 可能最大洪水（probable maximum flood，PMF）：由可能最大降水及其时空分布，在流域下垫
29、面情况极端情况下，通过流域产流和汇流计算，可推算出相应的洪水，称为可能最大洪水（PMF）。 如何拟定水利工程的设计标准，是一个严峻而必须审慎研究的问题。高坝大水库及河海附近核电站的防洪工程一旦失事，就会造成生命财产的巨大损失。对于这类失事后会造成严重灾害的工程，必须慎重，需要高度安全而提出的洪水计算方法。 我国雨洪大，人口众多，土坝多，垮坝后果特别严重。我国1978年水电部1978年颁布的水利水电工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区）SDJ12-78（试行）第十三条中明确规定“失事后对下游将造成较大灾害的大型水库，重要的中型水库及特别重要的小型水库的大坝，当采用土石坝时，应以可能最大洪水作为非常运用的标准”。 又如海河附近的核电站，其防洪措施需要特别安全，自然也须以可能最大洪水作为防洪设计标准。,（二）可能最大暴雨的估算途径,1、水文气象法 2、数理统计法 实测典型暴雨：指反映设计流域特大暴雨特性并对工程威胁最大的实测特大暴雨。 暴雨模式：把实测暴雨天气系统概化为一个理想模式从而建立一种特定形式的包括主要物理因子的降水量公式。 极大化：是指分析影响降水的主要因子，并探求其可能最大值，然后将实测暴雨的因子放大，以推求可能最大降水。,
