基于降雨分布不均匀性的空间插值方法适用性研究

为定量评估降雨空间分布不均匀程度,以史灌河流域为研究区选取48个雨量站1998年到1999年92场日降雨观测资料,首次提出降雨空间集中度概念,分析降雨空间集中度与面平均雨量、插值误差的关系。采用反距离权重法、局部多项式法、径向基函数法、普通克里金法以及协同克里金法对拟定的站点进行空间插值,并用相对平均误差评判插值结果的好坏,分析不同降雨空间分布下各种插值方法的优劣。     

基于泰森多边形法的流域面平均雨量计算

以西南山区代表性较强的重庆市蔡家水文站控制断面以上笋溪河流域为研究流域,基于Arc GIS和数字高程模型(DEM)数据为基础,构建研究流域16个雨量站的泰森多边形,并利用16个雨量站2015年6月降雨量资料,采用不同方法对该控制断面以上流域面平均降雨量进行了计算。结果表明,基于Arc GIS和DEM构建泰森多边形计算面雨量较传统方法更简单。在雨量站分布较均匀且降水空间分布均匀的情况下,采用泰森多边形法和算术平均法计算的面雨量结果相差不大;当降雨空间分布极不均匀,个别站点出现了强降水情况时,由于泰森多边形法以权重来考虑分布不均匀的情况,采用该种方法计算结果精度更高更可靠;研究成果对西南山区流域(区域)面雨量计算具有一定的参考价值。     

基于雨量计的城区降雨插值不确定性分析

以北京市西城区2013年6月23日自动雨量计实测数据为研究样本,采用反距离权重法、普通克里金法、径向基函数法等空间插值方法及交叉验证检验方法,以最小均方根误差为插值精度评价指标,分析了站点数量、站点密度、站点分布差异以及不同插值方法对城区降雨插值精度的影响。结果表明:1在城区插值分析中,站点数量及站网密度对插值精度影响较大,而站点分布影响较小,当雨量站点采样率不低于50%、站点密度选择中度分布时可得到较稳健的插值结果;2普通克里金法更适用于城区降雨空间插值。     

雨量站网布设对水文模型不确定性影响的比较

<正>雨量站网布设会影响径流模拟精度,研究不同雨量站密度和空间分布的径流响应规律对提高径流模拟精度和减小不确定性具有重要意义。应用新安江模型和HBV(Hydrologiska Fyrans Vattenbalans)模型,以湘江流域为研究对象,采用贝叶斯方法比较分析在不同雨量站密度及空间分布下径流模拟的不确定性。结果表明:增加雨     

面雨量的不确定性对洪水期间径流模拟的影响

降雨是洪水过程模拟的重要输入,研究降雨输入的不确定性对洪水期间径流模拟的影响是优化洪水预报的重要手段。为研究不同降雨数据密度下面降雨量的特征以及其对径流模拟结果的精度影响,以曹娥江流域上浦闸以上为研究区域,2021年“烟花”洪水为研究案例,选取不同数量的实测降雨站点数量,使用泰森多边形插值法对研究区域内实测点降雨数据进行空间插值得到面降雨量。在高密度降雨数据情况下,使用自研发的率定软件对NAM水文模型和HD水动力的耦合模型进行模型参数的联合率定。确定模型参数后,模拟不同密度的面降雨输入下的径流结果,计算实测径流过程与模拟径流过程的误差,量化面雨量计算的不确定性对模拟精度的影响。结果显示：降雨数据密度由低至高,各站的模拟径流确定性系数分别为,嵊州新市站0.84、0.83、0.83、0.76;嵊州站0.97、0.96、0.95、0.92;黄泽站0.83、0.91、0.89、0.90;东山站0.97、0.97、0.98、0.98。结果表明：在降雨数据较少的情况下,面降雨数据易受到单个站点的数据影响,径流模拟结果的不确定性较大。整体而言,降雨数据的密度越大,面降雨量的不确定性越小,径流模拟结果...     

流域面雨量的计算方法

降水的空间分布特征是影响径流模拟及一系列其他水文问题的主要控制因素,因此求得区域(流域)平均降水量就显的尤为重要。针对几种常见的区域(流域)面雨量的计算方法进行了总结,并指出雷达测雨跟传统测雨相比可以直接测出面降雨量,因此雷达测雨必然是测雨技术未来的发展方向之一。基于我国目前雨量站的资料密度远不能满足分布流域水文模型的需求,因此需要采用合适的空间插值方法。同时列举了几种插值方法,并对比了其优缺点。     

湿润地区水资源评价方法浅论

通过对水文站网的降雨～径流关系计算,并与流域植被及下垫面水文地质条件结合分析,可综合归纳出该时段降雨～径流关系在空间上的变化规律,借此可利用高密度的雨量站网资料充分地分析评价径流深的空间分布,从而使水文站控制区内、外的微观评价和详细评价均有据可依.     

基于水汽输送与IDW法耦合的降雨插值方法研究

在普通反距离权重法(IDW)的基础上,构建基于水汽输送与反距离权重法耦合的降雨插值方法(IDWWVT)。以三峡库区为例,利用库区及周边22个气象站点资料,分别采用IDW-WVT方法和IDW方法对22个站点2009~2013年的日降雨量进行空间插值模拟,以典型流域澎溪河的14个雨量站观测降雨资料对插值效果进行评价。结合SWAT模型,进一步分析插值降雨对澎溪河径流过程以及面源负荷过程的影响。结果表明:IDW-WVT方法对降雨量空间插值的精度明显优于IDW方法,在日尺度和月尺度中插值精度分别提高了23.1%,16.9%;同时使用IDW-WVT对径流过程和面源负荷过程的模拟效果也提升显著。     

考虑降雨空间异质性的动态临界雨量预警指标推求

降雨空间分布的不均匀性对中小河流洪水预警的临界雨量有较大影响,而降雨的空间分布难以准确量化,成为制约洪水预警精度的重要难题。结合泰森多边形和等流时面,提出一种既能反映降雨空间分布不均匀程度,又能反映降雨中心位置的降雨空间异质性指数SHIP,进一步基于支持向量机的分类原理,将SHIP用于中小河流洪水动态临界雨量预警指标的推求。以汉江旬河上游为例,分析了降雨空间异质性对临界雨量及预警精度的影响。结果表明,降雨中心越靠近下游,临界雨量越小,若不考虑降雨空间分布的差异性,则可能会出现漏报的风险。由于间接考虑了流域的调蓄作用,引入SHIP推求的临界雨量指标可以显著提高洪水预警的精度。     

北京市城区雨量站网最优布设模式研究

雨量监测的准确性对城市防洪减灾和保障城市运行产生重大影响,雨量站网布设模式直接影响区域雨量监测的准确性.选取北京市中心城区为研究对象,采用数理统计相结合的方法,在现有雨量站网布设的基础上,设置11个雨量站密度梯度(T1～T11),对北京市中心城区雨量站网布设合理性进行评价,提出最优雨量站布设方式.通过2年21场降雨实测数据分析结果表明,T10雨量站网布设密度实测面雨量值与目标值相差0～3.3％;最大雨量控制率和最大雨强控制率达100％;均方根误差(RMSE)、相对误差(Rd)、绝对误差(MRE)分别为0.3、0.007 7和0.22,NSE系数为0.999 9接近于1.综合考虑面雨量值、最大雨量及最大雨强等3个参数,同时考虑雨量站的后期维护管理.认为T10(8 km2/站)梯度雨量站数量和布设较为合理,8 km2/单站雨量站的布设模式为城区雨量监测最优站网布设模式.本研究旨在解决如何科学、经济、合理布设雨量站网这一基本问题.     

分布式水文模型结合雷达测雨用于三峡区间的洪水预报

长江三峡区间因暴雨形成的洪水峰高量大, 对三峡水库防洪安全和运行调度的影响不容忽视。依据三峡地区的地形地貌特征,采用基于 GIS的分布式水文模型来模拟区间洪水过程,以尽量减小洪水预报中的不确定性。研究表明 ,降雨信息缺失是洪水预报不确定性的主要来源,尤其是在雨量站稀疏的山区,雨量站观测 的降雨信息难以充分表征降雨空间变化。为此,进一步尝试利用雷达测雨数据作为分布式水 文模型的输入,通过对2个小流域的示例研究,结果表明雷达测雨能捕获降雨的空间分布, 它与分布式水文模型相结合,是提高洪水预报精度的有效途径之一。     

Spatial Distribution and Seasonal Variability of Rainfall in a Mountainous Basin in the Himalayan Region

The average distribution of precipitation provides essential input for understanding the hydrological process. The role of complex topography in mountainous basins makes the spatial distribution of precipitation different than the plain areas. Besides the rugged topography, the Himalayan basins also face the problem of limited physical accessibility and data availability. In this study, seasonal and annual distribution of rainfall with elevation and distance from the lower most station (Akhnoor) has been studied for the Chenab basin (western Himalayas). The study basin covers all the three ranges i.e. outer, middle and greater Himalayas. The rainfall stations are grouped into windward and leeward categories. The trends of spatial distribution of rainfall are discussed in detail. Attempts are also made to investigate the impact of reduced network on the mean annual rainfall of the Chenab basin. A reduction in rain gauges from 42 to 19 has resulted in an increase in the estimate of mean annual rainfall by 14% with respect to the estimate obtained using 42 stations network.     

优化Z—R关系及其在北京地区面雨量估测中的应用

运用最优化方法,选取北京市新一代天气雷达2007年5场降雨的基数据资料与对应的地面雨量计资料进行Z—R关系研究,对比由雨量计观测值和雷达估测值插值得到的面雨量分布情况。结果表明：采用缺省的Z—R关系估算出的区域面雨量普遍偏小很多,优化后雷达估测的雨强分布与雨量站点测量的雨强分布更接近,且雷达定量估测区域面雨量的精度有了...     

泰森多边形法在小流域面雨量计算中的应用

为探究泰森多边形法在小流域面雨量计算中的适用性,以地处江淮丘陵区适宜进行产汇流机制等水文基础理论研究的典型闭合小流域花山流域为例,结合流域现状站点分布和地形特点,选取流域多年面雨量、典型场次与典型日面雨量三种不同降雨量级实例,分别采用算术平均法、泰森多边形法和等值线法计算面雨量进行对比。年面雨量和场次面雨量计算中泰森多边法对比等值线法计算值相对误差小于 1.00%,日面雨量计算值相对误差小于 2.00%;算术平均法在典型场次面雨量样本中有 40.0%的计算值相对误差大于 1.00%,最大相对误差为 -2.47%,在典型日面雨量样本中有36.8%的计算值相对误差大于 2.00%,最大相对误差为 9.38%。结果表明：不同降雨量级使用泰森多边形法计算面雨量比算术平均法更接近于等值线法计算值;算术平均法在降雨量较小时受局部降雨影响计算误差较大,在年面雨量计算时可以和泰森多边形法互换使用。     

粒子群算法优化BP在降雨空间插值中的应用

为更好地表达降雨量的空间分布,将粒子群算法(PSO)优化后的反向传输(BP)神经网络分别运用于三峡区间流域日、月和年降雨量的空间插值中,并与单纯BP神经网络和克里金的插值效果作对比。研究结果表明:在日和年的时间尺度上,PSO-BP插值性能较BP有明显改善,且优于克里金的插值效果;在月时间尺度上,PSO-BP插值效果与BP接近且优于克里金。因此,PSO-BP能较好地揭示降雨量在空间的分布规律,也具备在不同时间尺度上对降雨量进行空间插值的能力,是一种较优的降雨空间插值方法。     

TRMM雨量在汉江上游大尺度水文模型中的应用

将TRMM（Tropic Rainfall Measurement Mission）卫星收集分析的降雨资料，利用大尺度水文模型对汉江白河以上流域进行流量模拟与预测，研究TRMM降雨资料应用于大尺度水文模型（LSHM）进行流量预测的可行性。对比分析了TRMM年、月、日系列降雨资料与气象站网降水观测资料，以及将其作为输入数据源的大尺度模型降雨径流模拟预测结果，分析表明：大尺度水文模型概念基本适合汉江上游的流量预测，水库对模拟预测结果影响显著，TRMM日降雨资料尚不满足利用该模型进行洪峰流量预报精度的要求。     

Comparison of IDW and Physically Based IDEW Method in Hydrological Modelling for a Large Mountainous Watershed,Northwest China

Topography and spatial patterns of landscape significantly affect spatial distribution of precipitation and, in turn, hydrological modelling, especially in high elevation, mountainous watersheds of arid regions. This study incorporates a physically based inverse distance and elevation weighted (PBIDEW) method into a distributed conceptual hydrological model, distributed large basin runoff model, and compared with an inverse distance weighted (IDW) method to assess the performances of both methods in precipitation estimation for hydrological modelling at watershed scale. The PBIDEW method considers the impacts of topography using month‐dependent parameters in its interpolation of meteorological variables while the IDW method does not. Both the IDW and the PBIDEW methods are evaluated and compared in hydrological modelling at different spatial resolutions in the upper reach of the Heihe River Watershed, Northwest China. Results show that the IDW method underestimated the areal precipitation, and the PBIDEW method produced more realistic precipitation estimations in the study area. Both methods have some limitations, the performance of the IDW method was mainly influenced by the availability of observation data, while that of the PBIDEW method was mainly influenced by the representation of topographical information. Considering more detailed information for precipitation estimates, the PBIDEW method performed better at finer spatial resolution. Overall, the PBIDEW method, using month‐dependent physical interpolation parameters, seems more suitable for precipitation estimation in hydrological simulations in data‐scarce, high elevation and topographically complex mountainous watersheds in arid area. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

Spatial Interpolation of Annual Precipitation in South Africa-Comparison and Evaluation of Methods

Abstract

Data from 545 rainfall gauges were used to interpolate the spatial distribution of annual rainfall in South Africa. Several spatial interpolation methods (inverse distance weighting (IWD), ordinary kriging, universal kriging, cokriging) were tested by variation analyses and cross-validation to determine the most suitable one. The best results were achieved by ordinary kriging, whereby the setting of the parameters was determined through sensitivity analyses. The median of the errors turned out to be 61 mm (11%). The interpolation errors were generally small for the interior of the country and high for coastal and mountainous regions.     

降雨信息空间插值研究评述与展望

降雨空间分布对于区域水文模拟、水资源规划与管理、旱涝灾害评估以及生态环境治理等均具有基础性的科学研究意义,是水文水资源学科中的热点研究课题之一。本文主要从方法论的角度评述了微观层面的降雨信息空间插值研究进展,首先探讨了确定性方法与空间统计学方法各自的优势与局限性,最后着重论述了利用信息熵的理论与方法研究降雨信息插值的科学基础,以及对其可行性、合理性和技术特征予以了展望。     

A rationale for using local and regional point rainfall data for design and analysis of urban storm drainage systems

The Danish measuring network for high-resolution rainfall data consists of approximately 70 tipping bucket rain gauges of which 41 have been operated for more than 10 years. The gauges are separated by one to 300 km and cover an area of 43,000 km2. Significant geographical variations of extreme rainfall characteristics have been observed. Part of these variations can be explained by correlation with the mean annual rainfall and the existence of a metropolitan effect in the Greater Copenhagen area. The remaining variation may be attributed to sampling errors and small-scale spatial variations close to the gauges. Engineering methodologies all require rain data of some kind, ranging from design storms based on idf-curves for use in simple calculations to high-resolution time series for use in detailed simulation studies. A comprehensive regional analysis was carried out to account for the geographical variation and to improve estimation for large return periods exceeding the actual length of the measured time series. Ideally, rainfall data used as input to urban drainage calculations should always be based on regional rain information. Regional design storms can be made readily available based on theory developed in this study. However, a satisfactory framework for generating synthetic rain series from regional rain information is not yet available. Thus, there will still be a need for using historical rain series in the near future. To improve the basis for choosing representative historical rain series all the Danish gauges have been classified according to their deviations from the regional distribution.