一种基于不同降雨监测预报条件的山洪预警指标分析方法与流程

本发明涉及一种基于不同降雨监测预报条件的山洪预警指标分析方法，属于山洪灾害防治，主要用于山洪灾害监测预报预警工作。

背景技术：

1、预警指标分析确定方法主要有暴雨临界曲线法、水位/流量倒推法、统计归纳法，但上述方法未考虑暴雨特征及其分布规律、降雨预报的不确定性，水位预警指标未按照临近降雨预报进行分级。提出一种适用于不同降雨监测预报条件的山洪灾害预警指标分析方法，延长预见期，提高预警精准度，提高预警科学性、合理性迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明涉及一种基于不同降雨监测预报条件的山洪预警指标分析方法，其解决的技术问题是通过综合考虑历史暴雨特征及其分布规律、降雨预报不确定性，以及雷达临近预报数据，雨量站点监测雨量数据，等场景，使得山洪预警指标预警更加科学合理减少空报误报漏报，最大限度减少因山洪灾害造成的人员伤亡。

2、为了解决上述存在的技术问题，本发明采用三个场景情况下技术方案：

3、一种基于不同降雨监测预报条件的山洪预警指标分析方法，由基于气象数值降雨预报数据确定山洪灾害预警指标的方法、基于雷达临近预报数据确定山洪灾害预警指标的方法和基于雨量站点监测雨量数据确定山洪灾害预警指标的方法其中之一或任意2个组合或三个组合共同判断。以上三个场景下山洪灾害预警指标方法如下：

4、基于气象数值降雨预报数据确定山洪灾害预警指标的方法

5、步骤1、基于全国暴雨区划的预报雨量折算并设计暴雨；

6、步骤2、采用api模型调整山洪灾害气象预警指标；

7、步骤3、考虑历史暴雨集中度的山洪灾害气象预警指标优化。

8、进一步地，所述步骤1基于全国暴雨区划的预报雨量折算主要是按照历史暴雨分布特征对全国进行区域划分，对于不同分区，将24h、12h、6h数值预报雨量作为相应分区一般暴雨历时的累积雨量。

9、首先，我国降雨量分布特点为自东南沿海向西北内陆逐渐减少，根据历年来全国暴雨分布特征，以西藏-青海-甘肃-宁夏-内蒙古区域i；云南-贵州-重庆-陕西-河南-山东为分界线区域ii；其余为区域iii。

10、对于区域i，将24h、12h、6h数值预报降雨作为6h、3h、3h累计雨量，即认为24h数值预报雨量会集中在6h降完，12h数值预报雨量会集中在3h降完，6h数值预报雨量会集中再3h降完；对于区域ii，将24h、12h、6h数值预报降雨作为12h、6h、3h累计雨量；对于区域iii，将24h、12h、6h数值预报降雨作为24h、12h、6h累计雨量。

11、进一步地，所述步骤2、采用api模型调整山洪灾害气象预警指标

12、采用api模型计算流域前期影响降雨(pa)，将pa与最大影响降雨(im)的比值作为土壤含水量饱和度。用四分位数法将土壤含水量饱和度从最小值到饱和分为4个等级(q1、q2、q3、q4)，作为表征前期土壤含水量饱和度的指标。api模型中前期影响降雨pa经验公式计算为：

13、pa,t+1＝k×(pt+pa,t)

14、式中：pa,t为t日的前期降雨指数；k为折算系数。

15、对于无雨日，计算公式为：

16、pa,t+1＝k×pa,t

17、最大影响降雨(im)直接采用水文部门洪水经验方案中的参考值。

18、根据历史暴雨资料，计算预警区域不同时段的设计暴雨：小于5年一遇、5-20年一遇、20-50年一遇、超过50年一遇。

19、将设计暴雨作为初步的山洪灾害气象预警指标，以设计暴雨的4个等级分别表征山洪灾害气象风险预警4个等级，即ⅳ级(关注)、ⅲ级(警戒)、ⅱ级(危险)、ⅰ级(极危险)，依次用蓝色、黄色、橙色、红色表示，并按照不同前期土壤含水量饱和度，对预警指标进行调整，具体调整方法如下：

20、当前期土壤含水量饱和度达到等级q1时：将计算出的设计暴雨作为山洪灾害气象预警指标；

21、当前期土壤含水量饱和度达到等级q2时：将计算出的设计暴雨乘以90％作为山洪灾害气象预警指标；

22、当前期土壤含水量饱和度达到等级q3时：将计算出的设计暴雨乘以80％作为山洪灾害气象预警指标；

23、当前期土壤含水量饱和度达到等级q4时：将计算出的设计暴雨乘以60％作为山洪灾害气象预警指标。

24、进一步地，所述步骤3、考虑历史暴雨集中度的山洪灾害气象预警指标优化具体方法如下：

25、由于预报降雨落区存在不确定性，实际降雨区域与预报降雨落区可能存在较大偏差，为降低预警漏报，需对山洪灾害气象预警指标再做调整。调整时主要考虑历史暴雨集中度的影响，即历史暴雨集中度高的区域，预警指标应降低。

26、数值降雨预报为网格化预报产品，如网格单元为2.5km×2.5km，气象风险预警成果也是网格化预警产品，网格大小与数值降雨预报产品一致。

27、在同一数值预报降雨落区内，当历史暴雨集中度低的网格产生了预警，而历史暴雨集中度高的网格却未产生预警，或预警等级高于历史暴雨集中度高的网格时按照下式对预警指标进行修正：

28、

29、其中：ri修正为网格修正后的预警指标；ri原始为步骤2确定的网格预警指标；pcdi为待修正预警指标网格的降雨集中度，pcdj为周边网格(距离待修正预警指标网格10km以内)的降雨集中度，选择周边网格中预警指标最低的。

30、降雨集中度(pcd)是利用向量原理来定义时间分配特征的参数，降雨集中度的计算公式为:

31、

32、

33、

34、其中：rxi为降水量的垂直分量之和；ryi为降水量的水平分量之和；ri为某测站研究时段内(第i年)的降水总量；i为年份；j为时序；rij为某日降水量；θj为各日对应的方位角。

35、基于雷达临近预报数据确定山洪灾害预警指标的方法

36、步骤1、雷达临近预报降雨驱动下的洪水淹没水位计算；

37、步骤2、雷达临近预报降雨驱动下确定水位预警指标。

38、进一步地，所述步骤1、雷达临近预报降雨驱动下的洪水淹没水位计算，具体方法如下：

39、选用hec-hms/ras水文水动力模型耦合方法计算流域洪水造成的淹没范围与水位，以雷达短临预报降雨数据作为hec-hms模型输入项进行洪水模拟：

40、基于水量平衡方程以及两个基本假设，即比例相等假设、初损量当时可能最大滞留量关系假设。按水量平衡原理有：

41、p＝ia+f+q

42、式中：p为降水量，mm；ia为初损量，mm；f为后损量,mm；q为直接径流量，mm。

43、比例相等假设为:

44、f/s＝q/(p-ia)

45、(p-ia)/s＝q/f

46、假设ia与s具有以下经验关系：

47、ia＝λs

48、可导出产流计算公式：

49、

50、引入变量cn：

51、s＝25400/cn-254

52、cn的实际取值范围为[30,100]，取值由雨强、持续时间总降水量、前期土壤湿度、土地利用等因素决定。

53、通过将hec-hms模型模拟输出的流量作为hec-ras模型河道输入进行洪水淹没模拟:

54、

55、式中:z1、z2为河底高程，m；y1、y2为断面水深，m；v1、v2为断面平均流速，m/s；a1、a2为动能校正系数；g为重力加速度；he为能量水头损失，m。

56、

57、式中：q为流量，m3/s；n为河道糙率系数；a为过流面积，m2；r为水力半径，m；s为水面比降。

58、非恒定流水面线计算原理:

59、

60、

61、式中：：t为时间，s；xi、xj为断面i和断面j与下一个最近断面之间的距离，m；f为质量力，m/s2；ui、uj为断面i、断面j的流速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；p为压力，n/m2；λ为流体运动黏滞系数，(n·s)/m2。

62、进一步地，所述步骤5、雷达临近预报降雨驱动下确定水位预警指标，具体方法如下：

63、根据hec-ras模型计算的淹没范围与水位、预警对象(乡镇、村庄危险区)的最低高程和最高高程确定预警指标，具体公式如下：

64、

65、式中：p为淹没程度，％；z为雷达临近预报数据驱动hec-ras模型计算出的淹没水位，mm；zmin为淹没最低高程房屋(乡镇、村庄危险区内)时的水位，mm；zmax为淹没最高高程房屋(乡镇、村庄危险区内)时的水位，mm；

66、当淹没范围已经波及房屋最低高程时，即淹没程度为0时，确定预警指标为关注；

67、当淹没程度达到10％时，确定预警指标为警戒；

68、当淹没程度达到30％时，确定预警指标为危险；

69、当淹没程度达到50％时，确定预警指标为极危险；

70、基于雨量站点监测雨量数据确定山洪灾害预警指标的方法

71、步骤1、整理研究区历年洪水灾害资料；

72、步骤2、计算发生洪灾最大/最小面平均雨量；

73、步骤3、确定立即转移和准备转移指标；

74、步骤4、以半径r划分村庄范围并确定村庄范围的雨量站点；

75、步骤5、实时雨量监测预警的关联关系确定：

76、进一步地，所述步骤5实时雨量监测预警需建立预警村庄(危险区)与地面雨量站之间的关联关系，即地面雨量站监测雨量达到预警指标时，该关联村庄(危险区)产生预警。

77、村庄(危险区)关联的地面雨量站不应少于2个，且要以流域为单元，将村庄(危险区)上游测站与该村庄(危险区)进行关联。关联关系建立半径计算公式如下：

78、

79、其中：n为划定范围内的雨量站点个数；r为以村庄为中心划定范围的半径；m为该地区的站点密度。

80、本发明一种基于不同降雨监测预报条件的山洪预警指标分析方法，具有以下有益效果：

81、(1)本发明中基于气象数值降雨预报数据确定山洪灾害预警指标的方法进行全国区域的暴雨划分以及雨量折算初步确定设计暴雨，在api模型技术上调整山洪灾害气象预警指标，并结合历史暴雨集中度对这边进行优化，建议了初步到修订到优化的山洪灾害天气预警方法体系。

82、(2)本发明中通过雷达临近预报计算洪水淹没水位，并确定水位预警指标，提高了计算效率及准确性。

83、(3)本发明中以半径r划分村庄范围并确定村庄范围的雨量站点；

84、建立实时雨量监测预警的关联关系确定，为暴雨洪水风险提示和预警提供准确、可靠的依据。

85、(4)本发明中采用基于气象降雨数据、雷达临近预报数据，雨量站点监测雨量数据三个方向数据，并结合暴雨特征、分布规律、临近村庄关系，提高了山洪灾害气象预警指标的准确性。

86、(5)本发明考虑到气象降雨预报数据不精准以及降雨落区可能偏移情况，对原预警指标进行偏移调整，或通过水文水动力学模型模拟淹没情况来确定预警指标，提高山洪预警准确性，降低空报误报率，为山丘区人员转移避险提供技术支撑。

87、附图(表)说明

88、图1：本发明基于气象数值降雨预报数据确定山洪预警指标的流程图。

89、图2：基于雷达临近预报数据确定山洪预警指标的流程图。

90、图3：基于雨量站点监测雨量数据确定山洪预警指标的流程图。