上海市台风降雨和潮位遭遇组合概率研究

针对台风期间上海市城市防洪涝安全风险问题,基于1970～2011年徐家汇气象站日降雨资料和黄浦江吴淞潮位站日潮位资料,采用P-Ⅲ型分布拟合了台风降雨和潮位的概率分布,利用Copula函数建立了上海市台风降雨与黄浦江潮位的联合分布模型,并定义和分析了台风降雨与潮位的组合风险概率及两变量重现期。结果表明,上海市台风降雨达到50mm,与年最高潮位达到警戒水位的联合重现期约为2年;10年一遇台风降雨与5年一遇或20年一遇的年高潮位的同现重现期分别为111、303年;20年一遇的台风降雨与20年一遇的年高潮位的同现重现期为625年;上海市10年一遇以上台风降雨遭遇到5年一遇以上的年高潮位的机率很小。     

山东省小清河流域暴雨——潮位遭遇组合规律研究

鉴于洪潮遭遇组合分析可为沿海地区洪涝防治规划与设计提供参考,采用Copula函数建立山东省小清河流域面雨量年极值和羊角沟站潮位年极值的联合分布函数,通过优选,最终选用Gumbel Copula函数分析两者组合概率,揭示其遭遇组合规律。结果表明,重现期越小的设计面雨量(潮位)遭遇同量级潮位(面雨量)的概率越大;面雨量和潮位同为10年一遇时,联合重现期约36年;两者同为200年一遇,联合重现期约为947年,小清河流域平均面雨量和羊角沟潮位同频率遭遇是两者概率的1/4左右。     

基于Copula函数的甬江流域雨潮遭遇组合分析

雨潮遭遇组合分析和组合方式的选取是沿海地区防洪治涝规划的重要内容之一。以甬江流域为例,在考虑尾部相关性的基础上,采用Gumbel Copula函数构建流域暴雨和河口潮位的联合概率分布,分析不同暴雨潮位组合下的同现风险率、条件风险率和组合风险率,并基于条件最可能组合原理,计算给定设计暴雨条件下潮位的条件最可能值和置信区间。结果表明,当甬江流域发生10、20、50、100年一遇暴雨时,相应镇海站最可能发生4、8、21、43年一遇潮位。     

长江感潮河段洪潮遭遇组合概率分析

由于感潮河段的水情既受上游河川径流的影响,又受河口潮流的影响,因此对感潮河段的涉水工程来说,在进行感潮河段的涉水工程的水流数学模型计算或物理模型试验时,首先必须确定上边界的洪水过程和下边界的潮位过程及其组合概率。以长江感潮河段为例,基于"以洪为主"和"以潮为主"两种情况,利用Clayton Copula函数构建了其上边界洪水流量与下边界潮位的联合分布,将超过某一量级的洪水(潮位)遭遇一定潮位(洪水)区间的概率作为洪潮遭遇组合概率,基于联合分布计算得到了各种洪潮遭遇组合的概率。结果表明,Clayton Copula函数能够合理地构建长江感潮河段的洪潮联合分布;在"以洪为主"的情况下,百年一遇、五十年一遇、二十年一遇、十年一遇设计洪水基本上都是遭遇落在(7.62,7.82)区间的潮位的组合概率最大,其组合概率分别为0.19%、0.37%、0.93%、1.83%;在"以潮为主"的情况下,百年一遇、五十年一遇、二十年一遇、十年一遇设计潮位均是遭遇落在(59 364,64 364)区间的洪水的组合概率最大,其组合概率分别为0.21%、0.42%、1.06%、2.15%。     

近30年太湖流域极端降水特征分析

基于太湖流域98个代表雨量站1981~2010年逐日降水资料,利用百分位阈值法定义各测站极端降水阈值,分析了不同极端降水事件的频次及其平均强度的空间分布特征,并对极端降水进行趋势分析。结果表明,浙西区极端降水事件频次出现较高,湖西区的中部和东南部降水强度较大;从季节分布来看,汛期5~10月出现极端雨日频次高,且强度相对较大;全太湖流域各区年平均极端雨日普遍呈微弱下降趋势,武澄锡虞区、阳澄淀泖区、浦东浦西区极端降水平均强度呈上升趋势,其他区变化趋势不显著。     

基于Kendall重现期的降雨潮位风险分析

短时强降雨和外江潮水位顶托是诱发城市内涝的两个重要因素,分析雨潮风险对于减少内涝灾害,确保居民人身财产安全具有重要意义。重现期与设计值的定义和计算是风险分析中的重难点,通过构造年最大1h降雨量与相应潮位的联合分布,介绍了Kendall重现期的定义和计算方法,指出了Kendall重现期与传统重现期在危险区域识别上的差异性,并通过实例分析,验证了Kendall重现期法的合理性。研究结论可为城市内涝防治提供依据。     

基于Copula函数的不同历时降雨量组合概率研究

为查清越西县不同历时降雨量组合概率情况,根据越西雨量站1954~2012年降水资料,基于三维不对称Gumbel Copula函数构建了年最大1日降水量(R1d)、年最大3日降水量(R3d)、年最大7日降水量(R7d)的三维联合分布函数,计算了不同历时降水量的组合概率、条件概率和相应的重现期。结果表明,R1d、R3d、R7d三变量发生极端降水事件的联合概率最大,同现概率最小,单变量发生的概率介于二者之间;单变量的重现期(T)介于三变量联合重现期(Ta)与同现重现期(T0)之间;通过组合概率分布图和等值线图可得到给定条件下的两个不同组合事件的条件概率;三维不对称Gumbel Copula函数能够很好地描述不同历时降水变量之间的关系;可为城市防洪排涝及县域水资源开发利用提供参考依据。     

中小流域洪峰流量与水位联合分布的设计洪水分析

针对库岸堤坝防洪设计中洪峰流量与相应洪峰水位的联合分布研究的不足,采用Archimedean Gumbel-Hougaard Copula函数和Kendall分布函数分析洪峰流量和洪峰水位联合分布的重现期水平。以罗坝水流域结龙湾水文站1958～2013年的洪峰流量和相应洪峰水位为例,计算了二者联合分布下的"或"重现期、"且"重现期和Kendall重现期及其最可能的设计值。结果表明,洪峰流量和洪峰水位的遭遇条件概率显示存在多种防洪设计标准;对比"或"联合重现期和"且"重现期,Kendall重现期更准确地反映了洪峰流量和洪峰水位组合的风险率;以出现最大概率原理推算的不同洪峰流量和水位遭遇概率组合的Kendall重现期设计值为多种防洪标准选择与风险管理提供了更多的参考依据。     

基于Copula函数的河南省干旱特征分析

基于河南省及周边26个站点降水资料,采用降水距平百分率识别干旱事件,统计了干旱历时和干旱烈度两个干旱特征变量,利用四种Copula函数建立了干旱历时和干旱烈度的联合分布,选取拟合度最优的Copula函数,通过空间插值法得到河南省干旱联合重现期空间分布,分析了干旱重现期的空间分布特征。结果表明,干旱联合重现期低值(干旱风险高)区在河南省南部,如南阳、信阳一带;干旱联合重现期高值(干旱风险低)区分布在河南省西部,如三门峡、栾川等地区。     

安庆市短历时暴雨强度公式推求

为推求受近年极端天气影响下的安庆市短历时暴雨强度公式,首先收集了安庆市1983~2012年的暴雨整编资料,采用年最大值法选取了10个历时下的雨强样本;然后采用P-Ⅲ型、指数和耿贝尔分布曲线进行适线,确定了P-Ⅲ型分布曲线为其理论频率曲线,得到了10个历时下各频率对应的雨强;采用高斯—牛顿法推求了各单一重现期下的暴雨强度分公式和所有重现期下暴雨强度总公式的参数。误差检验发现暴雨强度分公式的精度符合要求;而暴雨强度总公式的精度达不到要求,进而分析了精度达不到要求的原因。除个别历时下的雨强外,单一重现期下的新公式计算的雨强值均大于1981版暴雨强度分公式计算的雨强值,其中2年、5年一遇的雨强值比1981版公式计算的相应雨强值偏大1.4%~20.4%,计算结果与近年来安庆市受极端天气影响下的短历时降雨强度增大的趋势相一致。推荐使用暴雨强度分公式计算相应重现期下各历时的暴雨强度,其他重现期下的暴雨强度公式参数采用已知重现期下的暴雨强度分公式的参数内插获得。     

沿海城市潮、雨遭遇下内涝模型及应用

以海南省海甸岛为例,基于带有地表属性信息的高精度DEM地形网格,依据城市分区精细产流方法计算产流,以分段线性化方式拟合实际雨水管网排水能力曲线,并建立了排水能力与潮位新型函数关系式,将水陆边界条件处理为可双向过水的模型边界,最终将地表产汇流模块、地下管网水动力模块和潮(洪)水漫滩淹没模块三者耦合,建立沿海城市潮、雨遭遇内涝模型,探讨潮、雨遭遇情况下城市水情和涝情特征及差异。结果表明,潮、雨遭遇情景下城市内涝整体情况更加恶化,积水面积剧增;不同区域内涝恶化原因不同,临海区域主要是潮水倒灌引起,城区内部区域恶化主要是高潮位顶托下内水无法外排所致;对比单独降雨下,典型内涝代表点积水深度平均增加0.22 m,积水历时平均增加7.70 h,深度积水持续时间显著延长。     

基于情景模拟与多源数据的城市内涝风险评估

以珠海市香洲城区为例,构建基于InfoWorks ICM的城市雨洪模型,采用HR阈值法量化2、10、50年三种重现期暴雨情景下区域危险性,基于百度人口密度热力图、夜间灯光遥感等多源数据获取脆弱性指标,结合层次分析法和熵权法量化脆弱性,对三种设计暴雨情景下的研究区内涝风险进行评估和区划,并绘制相应的高风险重现期区划图。结果表明,通过百度热力图等非传统数据源能够获取得到空间分辨率分别为4、130m的人口密度和GDP密度等精准合理的指标数据,可改善传统数据的空间分布粗糙性和时间滞后性;危险性和风险高值区主要分布在易涝城市区域,而脆弱性高值区主要分布在人口和经济密集区;随着暴雨重现期增加,区域风险逐渐增大,其中极高风险区面积增长率最高。高风险重现期区划图能够迅速识别不同暴雨情景下的高风险区域,可为防灾减灾工作的高效响应提供理论指导与技术支撑。     

未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化特征

极端气候变化导致水旱灾害频率和强度的改变,为探究未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化规律,以淮河干流小柳巷以上32个雨量站1961～1990年实测日降水数据为基准,集合RCP4.5情景下5种全球海气耦合模式(GCM)在2021～2050、2051～2080年的日降水预测,应用6种极端降水指数量化极端降水变化规律,基于Copula函数构造3组极端降水指数组合的联合分布,并利用Kendall重现期探讨双变量降水事件发生概率的空间变化规律。结果表明,无论在哪个未来时段,6种极端降水指数较基准期均有不同程度的增大;双变量降水事件的发生概率的空间异质性随着重现期水平的增高而增大;未来60年北部山区和研究区下游极端降水事件发生更加频繁,对淮河流域防洪排涝具有指示作用。     

基于SWMM模型的兰州交通大学校园区城市雨洪模拟及LID效果评价

为解决城市内涝问题,从海绵城市视角出发,利用美国暴雨管理模型(SWMM)建立兰州交通大学校园雨洪径流模型,针对研究区水资源短缺和城市内涝的矛盾,选择适合研究区的LID措施,模拟研究区在不同LID措施下不同重现期时的雨洪调控效果。结果表明,LID措施组合布置时对研究区径流的消减作用最好,其中径流总量消减率和径流峰值消减率最高可达58.9%、57.0%;峰现时间最大可推迟12min。在小重现期降雨下,LID措施的雨洪调控效果更佳。     

城镇化背景下太湖流域极端降雨时空演变特征

研究城镇化发展程度对极端降雨的影响对于指导高度城镇化地区防洪排涝工作意义重大。在太湖流域城镇化区域划分基础上,基于1965～2014年70个雨量站的日降雨数据,采用空间分析法、Mann-Kendall趋势检验法、线性回归法、滑动平均法等提取各站极端降雨特征,分析城镇化背景下太湖流域极端降雨时空演变规律。结果表明,太湖流域城镇化发展较快的区域主要集中在武澄锡虞区、阳澄淀泖区、浦东浦西区;浙西区年极端降雨量较大,武澄锡虞区、阳澄淀泖区、浦东浦西区极端降雨量则较其他地区呈显著增加趋势,分别上升34.5、38.2、31.7 mm/10a;全流域极端降雨事件增多、强度增大,其中城镇化发展高速地区由流域极端降雨频次低值区逐渐演变为高值区之一,极端降雨强度亦显著增加,表明其遭受洪涝灾害的风险增大。     

Copula函数在漳河上游联合干旱特征分析中的应用

为综合描述漳河上游干旱事件，选取月降水数据计算标准化降水指数，应用游程理论识别干旱历时和干旱强度两种干旱特征变量，并采用Copula函数构建两种干旱特征变量间的联合分布，探究干旱特征的时空分布。结果表明，漳河上游2001～2020年发生频率最高干旱事件为3个月历时干旱，干旱强度范围为2.24～4.92;干旱历时和干旱强度间存在强正相关性，Frank Copula函数为二者最优联合分布；干旱特征联合重现期范围为18.56～23.94年，在漳河上游西北和东南流域表现2个干旱高风险区，同现重现期范围为22.25～31.94年，在西北、东北和东南流域表现3个干旱高风险区。联合分布综合分析了干旱事件，可为全面评估旱情提供科学参考。     

米市渡站最低潮位的非一致性频率分析

基于Lee-Heghinian法、有序聚类检验等5种突变检验方法和线性趋势相关系数法、Spearman秩次相关检验和Kendall秩次相关检验3种趋势检验方法对黄浦江上游米市渡站47年(1969~2015年)年最低潮位序列进行变异诊断,运用水文序列分解合成方法对序列进行去趋势处理,在混合分布思想的基础上利用模拟退火法对处理后新序列进行频率分析,并对比修正前后序列不同重现期潮位设计值。结果表明,米市渡站年最低潮位不仅有显著的抬升趋势,还在1999年发生突变。相比于不考虑变异情况的潮位设计值,考虑变异情况的混合分布频率曲线和经验点据的拟合更优,且相同频率下的潮位设计值均小于前者,从而为黄浦江沿岸水利工程设计和运行管理提供了参考。     

不同尺度海绵措施下雨洪控制效果研究

为对比不同尺度海绵措施对雨洪控制效果的差异性,以江西省某市滨江新区为研究区域,根据不同尺度海绵措施的特性和滨江城市防洪排涝需求设计"小海绵"、"大海绵"、"综合海绵"三种改造方案,构建SWMM模型模拟三种方案在不同重现期降雨条件下的雨洪控制效果。结果表明,"综合海绵"方案在遭遇高低重现期降水时均能保持雨洪控制效果最优且效果衰退缓慢。研究成果可为海绵城市建设提供指导。     

中国昼夜降水特征的空间分异规律

降水昼夜分配的时空特征,是干旱半干旱地区降水资源有效性的重要影响因素。我国昼夜降水空间分异复杂,在雨强、高程、季相等方面的规律还有待进一步研究。为此,采用空间分区、高程分带、雨强分级、季相对比等方法,基于全国839个气象站点1951～2019年的降水资料,研究了我国昼夜降水特征的空间分异规律。结果表明,在空间分区上,我国可划分为受夜间冷却和山谷风效应的青藏及周边夜雨典型区、受辐射对流效应的秦-淮以南昼雨典型区、秦-淮以北降水昼夜相对均衡区;在垂直分异方面,青藏高原及周边山地最为明显,年夜间降水量的高程递减率大于昼间,昼夜差异随海拔升高而减弱;降水的雨强特征为中高雨强降水比重大,尤其是青藏东缘中高强度夜雨显著;季相规律为青藏及西南地区月降水均为夜雨大于昼雨,而南方4～10月昼雨典型。我国昼夜降水特征的空间分异规律,可作为农业与生态水资源气候评估的参考,对山洪预警也有重要意义。     

基于特定重现期的电网舞动区域分布图绘制方法

为有效指导特高压密集输电通道等重要输电设备开展差异化防舞设计和舞动治理工作,开展特定重现期的舞动区域划分具有重要意义。基于安徽81个气象台站2010—2020年冬季历史气象资料,利用极值I型分布模型计算了各气象台站30 a、50 a和100 a一遇舞动极值日数,制定了电网舞动区域分级原则,利用克里格插值方法得到了气象台站周边地区特定重现期舞动极值日数,绘制了安徽省30 a、50 a和100 a一遇电网舞动区域分布图,分别适用于110~220 kV、330~750 kV和特高压交直流线路的防舞动工作。电网舞动区域分布图显示,淮北平原地区及江淮沿江地区舞动风险较高,且100 a一遇的2、3级舞动区较30 a一遇舞动区面积更广,为特高压密集输电通道的差异化舞动防治工作提供了技术依据。特定重现期电网舞动区域分布图对提升电网抵御覆冰舞动灾害的能力和水平具有积极作用。