水文学原理 第4章
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99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点湿度变化
0.2
0.2
0.15
0.15 0.1 0.1 233 233
6.0
土壤含水量变化
天 天
235 235 237 237 239 239 241 241 243 243 245 245 247 247 249 249 251 251 253 253
20cm土湿 40cm土湿 80cm土湿 120cm土湿
内 容
第四章 降水 与 降水截留
下垫面
大气层的下界与地球表面的接触面，严格来说是一个接 触带 大气层的下界垫在地球的一个表面上：因之，称为下垫 面 森林、草地、农田、湿地、冰川积雪、荒漠
为何先讲降雨
是水循环各个环节的开始 灌溉发电—水资源—河床中有持续不断的流水—降水
洪水—— 降雨
成都与重庆市1950～2000年的年降水量
成都年均降水量912mm,重庆1092mm
1600 1400 1200
年降水量/mm
1000 800 600 400 200 0 1950 1955 成都年降水量 重庆年降水量 年 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
若时段长取得比较小
成为光滑曲线 瞬时降水强度过程线 （教材中图4.3 左图）
降水累积曲线
以时间为横轴、
以降水开始至各个时刻的累积降水量为纵轴、
绘制而成的圆滑曲线。
200
160
累计降水 (mm)
120 78.0 mm 80 30 分钟 141.2 mm 40 1 小时 0 0 30 60 90 2 hr 120 150
降水的表示方法
怎么表示降水的时间与空间分布？
1. 降水过程线、降水强度过程线、瞬时雨强过程线
2. 降水累计曲线
3. 降水特性综合曲线
4. 等雨量线是一种特殊的降水特性综合曲线
时段降水量 (每 5小时
10 15 20 25 0 5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
5. 降水数据完整性及代表性，降水数据是否经得起检验，
水循环过程
P = R + ET + ST 蒸散发 蒸发 蒸散发 R = 径流(地表径流.地下径流、融雪径流等)
ET = 蒸散发（降水截留蒸发、土壤、蒸腾等） 截留 ST = 储存（土内储存，下渗等）
洼蓄 降水
壤中流 R 输入 P、输出
水文模型
下渗 地表径流
降水过程中土壤含水量、温度的变化
20.0 18.0 16.0 14.0 20.0
18.0 12.0 16.0
度
度
22.0
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点温度变化
22.0
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点温度变化
天 233 235 237 20cm土温
233 235 237 239
大气中水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 而由汽态转为复杂固态冰晶体的凝结与下落过程。
水平降水
大气中的水汽以露、霜的形式凝结到地表附近
降水类型（气象）
降水类型 露 雾滴 细雨，毛毛雨 降雨 雨夹雪，霰 雪花 雪粒，粒状雪 冰雹 主要特征 dew 一般夜间发生，主要发生在植物表面 fog drip 水滴直径在0.001-0.2mm之间。 drizzle 水滴直径在0.02mm-0.5mm之间 rainfall 水滴直径大于0.5mm，一般1.0-2.0mm sleet 湿雪、雨滴、雪的混合物 snowflake 长度几厘米左右 snow grain 一般在小雪事件产生 hail 不规则球状冰晶，直径一般5.0-50.0mm
干旱——持久无降雨
次生地质灾害泥石流、滑坡——降雨诱因
水文模型的运转————降雨是驱动变量之一
降水问题
1. 驱动水文模型运行，区域水资源状况、评价的基础
2. 降水形态 ？
3. 研究区降水特征 、降水的时空分布 ?
4. 观测的降水数据是否有误差 ? 是否可用? 6. 降水数据序列长短？ 7. 水文模型中如何处理降水截留？
208.2 mm
时间 (hr)
降水特性综合曲线
1. 雨强－历时曲线 2. 降水平均深度—面积—历时关系曲线
3. 降雨强度—历时—频率曲线 IDF 等雨量线（也可表述降水的时空分布特性）
雨强－历时曲线
对同一场暴雨，选定不同的历时， 分别统计各选定历时内的最大平均雨强， 然后以雨强位纵坐标，历时位横坐标， 点汇得到不同历时的雨强分布曲线。 得到：同一场降雨，雨强随历时的增加而减小。 不同场 的降雨 ，雨强—历时曲线不同。
参数化
边界条件与初始条件
深层地下水
t
流量历时曲线
地下水流
河道汇流
降水是水文模型的驱动与输入
P = Pn = I = ET = Si = So = Gi = Go = T = V = t = 降水 净降水 降水截留损失 蒸散发 表面径流流入量 表面径流流出量 地下径流流入量 地下径流流出量 潮水涌入涌出量 流域储水量的变化 时间
降水概念2
降水面积 指降水所笼罩的水平面积，以km2表示。 暴雨 在短时期出现的大量降水， 暴雨往往造成洪涝灾害、水土流失,
工程 失事、堤防溃决、农作物被淹等灾害。 暴雨中心 指暴雨所集中的较小局部区域
24小时降水量大于50mm 或 1小时降水量大于16mm，
国家气象局颁布的降水强度等级划分标准（教材中是新标准）
霰xiàn sleet
雹
hail
降雨（ Rainfall） 降水（ Precipitation ） 降雪（snowfall）
水平降水 （horizontal precipitation）
降雨、降雪、水平降水 降雨
大气中的水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 由汽态转为液态的凝结、下落过程。
降雪
降水 强度 等级 划分
降水概念3
净雨（或称为有效降雨）降雨到达地表后，总降雨量扣除 地表植被截留、添洼、下渗和蒸发损失后，用于形成径 流的那部分降水。 有效降雨在农业中指蓄存于土壤里并供给作物生长 的那部分降水（effective rainfall） 降雨损失 总降雨量因植物截留、入渗、洼蓄、 蒸发及蒸散作用而减少的雨量。 初期降雨 洼地全部填满之前的降雨量
典型数量 0.1-1.0毫米 <4.0mm/hr 0.2-0.5mm/h
降水三种形态（寒区）
液态的降雨、固态降雪、固液混合三种类型
露 霜 雾
露 露点温度高于 0 ℃，水汽凝结为液态。 霜 露点温度低于 0 ℃，水汽凝结为固态。 雾 漂浮在近地面层、由水汽凝结（凝华）而成的 小水滴或小冰晶构成的可见集合体。
暴雨的历时
任一历时：即降雨持续的时间t 可以取任何数值 针对暴雨公式可计算任一历时 特定历时：依据行业经验及方便计算的要求
城市排水：5、10、15、20、30、45、60、90、120 min
水利部门： 1、3、6、12、24h 针对利用已经制作好特定历时暴雨等值线及统计参数
（补充）用暴雨公式计算任一历时的设计雨量
10.0
14.0 12.0 10.0 241 243 245 247 249 251 253
cm3/cm3 cm3/cm3
土壤温度变化
239
241 40cm土温
243
245 80cm土温
247
249
251
253
天
120cm土温
0.3
0.3 0.25 0.25
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点湿度变化 20cm土温 40cm土温 80cm土温 120cm土温
大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用 指数方程来表达，它反映一定频率某历时的平均降雨强 度 it , p 与该历时 t 的关系，称为短历时暴雨公式
it，P 历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h SP 频率为P，历时为1h的平均暴雨强度(又称雨力) mm/h n 暴雨递减指数或暴雨衰减指数
20cm土湿 6.0 4.0
2.0 4.0 0.0
233 234 235 236 237 238 239 239 240 241 mm mm
40cm土湿
80cm土湿
120cm土湿
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
天
242 243 244 245 246 247 248 249 250 250 251 252
2.0 0.0
降水过程
天
233
234
235
236
237
238
239
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
250
251
252
降水截留
第四章 降水
降水定义 降水定义、类型、降水在水循环与水量平衡中的作用 降水成因 对流型、锋面型、地形雨、气旋雨 降水要素 历时、强度、面积、次降水，有效降雨、初期雨量、降雨损失 降水图示 过程曲线、累积曲线、强度－历时曲线、深度－面积－历时曲线 降水观测 记录式与非记录式 影响因素 纬度、海拔高程、风、地形、离水源远近 时空分布 等雨量线（绘制水文特征的等值线---地理综合法） 降水误差 误差修正，降水随海拔的变化规律，降水形态的判别 降水计算 算术平均法，加权平均法，泰森多边形法，客观运行法 降水变化 降水区域变化趋势 降水截留 植被对降水的截留过程的描述及计算
项 目 小雨、阵雨 小雨—中雨 中雨 中雨—大雨 大雨 大雨—暴雨 暴雨 暴雨—大暴雨 大暴雨 大暴雨—特大暴雨 特大暴雨 24小时降水总量 (mm) 0.1-9.9 5.0-16.9 10.0-24.9 17.0-37.9 25.0-49.9 33.0-74.9 50.0-99.9 75.0-174.9 100.0-249.9 175.0-299.9 ≥250.0 12小时降水总量 (mm) ≤4.9 3.0-9.9 5.0-14.9 10.0-22.9 15.0-29.9 23.0-49.9 30.0-69.9 50.0-104.9 70.0-139.9 105.0-169.9 ≥140.0
降水概念1
降水量：在一定时段内，从大气降落到地面的降水在地平 面上所积聚的水层厚度。 一般是指某一时段（小时或日）内的总降水量。 每天定时观测，单位mm。 日降水量以8时为日分界，每日8时至次日8时降水量总和
降水历时 降水过程中某两个时刻间，降雨持续的时间
次降水历时：从降水开始到降水结束，经历的时段。 降水强度 单位时间内的降水量，一般用mm/h 表示
时间 (小时 )
表示降水量随时间变化过程。
降水过程线
以一定时段为计算单位，以时间为横坐标，
以时段内的降水量为纵坐标，绘制成的柱状直方图。
降水强度过程曲线（时段平均降水量过程线）
取某个固定时长的时段，例如10min、0.5h 、1h、 3h
将时段内降水量除以时段长，得到时段内平均降水强度，
然后，以时间为横轴，以时段平均降水强度为纵轴， 绘制而成的柱状直方图。 表示降雨强度与相应时间之间的关系。
Fra Baidu bibliotek习要求
了解 降水成因、类型
掌握
了解
降水基本要素特征值及其概念
降水观测方法、误差修正
了解
了解
降水形态判别方法
影响流域降水分布的因素
掌握
计算面降水量的方法
降水
降水
Precipitation
高空的水汽因气温降低凝结后，
由汽态转为液态或固态，
从云中降落（或从空气中沉降）到 地面的现象。
降水形态 雨rain 雪snow
降水平均深度—面积—历时关系曲线
对不同历时的降雨， 以降水面积为横坐标，
以降雨平均深度为纵坐标，点绘曲线，
此组曲线即为降雨平均深度与面积和历时关系曲线。
IDF曲线：降雨强度—历时—频率曲线
IDF曲线平率分析
1. 2. Get annual maximum series of precipitation depth for a given duration Use EV1/Gumbel distribution to find precipitation depth for different return periods
辐射雾 平流雾 (主动) ——地面辐射冷却 (被动)——暖湿气流移到冷的下垫
降水量
降水的多少以降水量来衡量，
是一定时段内，落在某一个面上，
未经截留、蒸发、渗漏损失
所形成的等量液态水的深度来表示。
公制单位用毫米 mm ，英制单位用英寸inch 1英寸 = 2.54厘米
1码 = 3英尺 = 36英寸 ≈ 0.914米
0.2
0.2
0.15
0.15 0.1 0.1 233 233
6.0
土壤含水量变化
天 天
235 235 237 237 239 239 241 241 243 243 245 245 247 247 249 249 251 251 253 253
20cm土湿 40cm土湿 80cm土湿 120cm土湿
内 容
第四章 降水 与 降水截留
下垫面
大气层的下界与地球表面的接触面，严格来说是一个接 触带 大气层的下界垫在地球的一个表面上：因之，称为下垫 面 森林、草地、农田、湿地、冰川积雪、荒漠
为何先讲降雨
是水循环各个环节的开始 灌溉发电—水资源—河床中有持续不断的流水—降水
洪水—— 降雨
成都与重庆市1950～2000年的年降水量
成都年均降水量912mm,重庆1092mm
1600 1400 1200
年降水量/mm
1000 800 600 400 200 0 1950 1955 成都年降水量 重庆年降水量 年 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
若时段长取得比较小
成为光滑曲线 瞬时降水强度过程线 （教材中图4.3 左图）
降水累积曲线
以时间为横轴、
以降水开始至各个时刻的累积降水量为纵轴、
绘制而成的圆滑曲线。
200
160
累计降水 (mm)
120 78.0 mm 80 30 分钟 141.2 mm 40 1 小时 0 0 30 60 90 2 hr 120 150
降水的表示方法
怎么表示降水的时间与空间分布？
1. 降水过程线、降水强度过程线、瞬时雨强过程线
2. 降水累计曲线
3. 降水特性综合曲线
4. 等雨量线是一种特殊的降水特性综合曲线
时段降水量 (每 5小时
10 15 20 25 0 5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
5. 降水数据完整性及代表性，降水数据是否经得起检验，
水循环过程
P = R + ET + ST 蒸散发 蒸发 蒸散发 R = 径流(地表径流.地下径流、融雪径流等)
ET = 蒸散发（降水截留蒸发、土壤、蒸腾等） 截留 ST = 储存（土内储存，下渗等）
洼蓄 降水
壤中流 R 输入 P、输出
水文模型
下渗 地表径流
降水过程中土壤含水量、温度的变化
20.0 18.0 16.0 14.0 20.0
18.0 12.0 16.0
度
度
22.0
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点温度变化
22.0
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点温度变化
天 233 235 237 20cm土温
233 235 237 239
大气中水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 而由汽态转为复杂固态冰晶体的凝结与下落过程。
水平降水
大气中的水汽以露、霜的形式凝结到地表附近
降水类型（气象）
降水类型 露 雾滴 细雨，毛毛雨 降雨 雨夹雪，霰 雪花 雪粒，粒状雪 冰雹 主要特征 dew 一般夜间发生，主要发生在植物表面 fog drip 水滴直径在0.001-0.2mm之间。 drizzle 水滴直径在0.02mm-0.5mm之间 rainfall 水滴直径大于0.5mm，一般1.0-2.0mm sleet 湿雪、雨滴、雪的混合物 snowflake 长度几厘米左右 snow grain 一般在小雪事件产生 hail 不规则球状冰晶，直径一般5.0-50.0mm
干旱——持久无降雨
次生地质灾害泥石流、滑坡——降雨诱因
水文模型的运转————降雨是驱动变量之一
降水问题
1. 驱动水文模型运行，区域水资源状况、评价的基础
2. 降水形态 ？
3. 研究区降水特征 、降水的时空分布 ?
4. 观测的降水数据是否有误差 ? 是否可用? 6. 降水数据序列长短？ 7. 水文模型中如何处理降水截留？
208.2 mm
时间 (hr)
降水特性综合曲线
1. 雨强－历时曲线 2. 降水平均深度—面积—历时关系曲线
3. 降雨强度—历时—频率曲线 IDF 等雨量线（也可表述降水的时空分布特性）
雨强－历时曲线
对同一场暴雨，选定不同的历时， 分别统计各选定历时内的最大平均雨强， 然后以雨强位纵坐标，历时位横坐标， 点汇得到不同历时的雨强分布曲线。 得到：同一场降雨，雨强随历时的增加而减小。 不同场 的降雨 ，雨强—历时曲线不同。
参数化
边界条件与初始条件
深层地下水
t
流量历时曲线
地下水流
河道汇流
降水是水文模型的驱动与输入
P = Pn = I = ET = Si = So = Gi = Go = T = V = t = 降水 净降水 降水截留损失 蒸散发 表面径流流入量 表面径流流出量 地下径流流入量 地下径流流出量 潮水涌入涌出量 流域储水量的变化 时间
降水概念2
降水面积 指降水所笼罩的水平面积，以km2表示。 暴雨 在短时期出现的大量降水， 暴雨往往造成洪涝灾害、水土流失,
工程 失事、堤防溃决、农作物被淹等灾害。 暴雨中心 指暴雨所集中的较小局部区域
24小时降水量大于50mm 或 1小时降水量大于16mm，
国家气象局颁布的降水强度等级划分标准（教材中是新标准）
霰xiàn sleet
雹
hail
降雨（ Rainfall） 降水（ Precipitation ） 降雪（snowfall）
水平降水 （horizontal precipitation）
降雨、降雪、水平降水 降雨
大气中的水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 由汽态转为液态的凝结、下落过程。
降雪
降水 强度 等级 划分
降水概念3
净雨（或称为有效降雨）降雨到达地表后，总降雨量扣除 地表植被截留、添洼、下渗和蒸发损失后，用于形成径 流的那部分降水。 有效降雨在农业中指蓄存于土壤里并供给作物生长 的那部分降水（effective rainfall） 降雨损失 总降雨量因植物截留、入渗、洼蓄、 蒸发及蒸散作用而减少的雨量。 初期降雨 洼地全部填满之前的降雨量
典型数量 0.1-1.0毫米 <4.0mm/hr 0.2-0.5mm/h
降水三种形态（寒区）
液态的降雨、固态降雪、固液混合三种类型
露 霜 雾
露 露点温度高于 0 ℃，水汽凝结为液态。 霜 露点温度低于 0 ℃，水汽凝结为固态。 雾 漂浮在近地面层、由水汽凝结（凝华）而成的 小水滴或小冰晶构成的可见集合体。
暴雨的历时
任一历时：即降雨持续的时间t 可以取任何数值 针对暴雨公式可计算任一历时 特定历时：依据行业经验及方便计算的要求
城市排水：5、10、15、20、30、45、60、90、120 min
水利部门： 1、3、6、12、24h 针对利用已经制作好特定历时暴雨等值线及统计参数
（补充）用暴雨公式计算任一历时的设计雨量
10.0
14.0 12.0 10.0 241 243 245 247 249 251 253
cm3/cm3 cm3/cm3
土壤温度变化
239
241 40cm土温
243
245 80cm土温
247
249
251
253
天
120cm土温
0.3
0.3 0.25 0.25
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点湿度变化 20cm土温 40cm土温 80cm土温 120cm土温
大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用 指数方程来表达，它反映一定频率某历时的平均降雨强 度 it , p 与该历时 t 的关系，称为短历时暴雨公式
it，P 历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h SP 频率为P，历时为1h的平均暴雨强度(又称雨力) mm/h n 暴雨递减指数或暴雨衰减指数
20cm土湿 6.0 4.0
2.0 4.0 0.0
233 234 235 236 237 238 239 239 240 241 mm mm
40cm土湿
80cm土湿
120cm土湿
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
天
242 243 244 245 246 247 248 249 250 250 251 252
2.0 0.0
降水过程
天
233
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246
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249
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252
降水截留
第四章 降水
降水定义 降水定义、类型、降水在水循环与水量平衡中的作用 降水成因 对流型、锋面型、地形雨、气旋雨 降水要素 历时、强度、面积、次降水，有效降雨、初期雨量、降雨损失 降水图示 过程曲线、累积曲线、强度－历时曲线、深度－面积－历时曲线 降水观测 记录式与非记录式 影响因素 纬度、海拔高程、风、地形、离水源远近 时空分布 等雨量线（绘制水文特征的等值线---地理综合法） 降水误差 误差修正，降水随海拔的变化规律，降水形态的判别 降水计算 算术平均法，加权平均法，泰森多边形法，客观运行法 降水变化 降水区域变化趋势 降水截留 植被对降水的截留过程的描述及计算
项 目 小雨、阵雨 小雨—中雨 中雨 中雨—大雨 大雨 大雨—暴雨 暴雨 暴雨—大暴雨 大暴雨 大暴雨—特大暴雨 特大暴雨 24小时降水总量 (mm) 0.1-9.9 5.0-16.9 10.0-24.9 17.0-37.9 25.0-49.9 33.0-74.9 50.0-99.9 75.0-174.9 100.0-249.9 175.0-299.9 ≥250.0 12小时降水总量 (mm) ≤4.9 3.0-9.9 5.0-14.9 10.0-22.9 15.0-29.9 23.0-49.9 30.0-69.9 50.0-104.9 70.0-139.9 105.0-169.9 ≥140.0
降水概念1
降水量：在一定时段内，从大气降落到地面的降水在地平 面上所积聚的水层厚度。 一般是指某一时段（小时或日）内的总降水量。 每天定时观测，单位mm。 日降水量以8时为日分界，每日8时至次日8时降水量总和
降水历时 降水过程中某两个时刻间，降雨持续的时间
次降水历时：从降水开始到降水结束，经历的时段。 降水强度 单位时间内的降水量，一般用mm/h 表示
时间 (小时 )
表示降水量随时间变化过程。
降水过程线
以一定时段为计算单位，以时间为横坐标，
以时段内的降水量为纵坐标，绘制成的柱状直方图。
降水强度过程曲线（时段平均降水量过程线）
取某个固定时长的时段，例如10min、0.5h 、1h、 3h
将时段内降水量除以时段长，得到时段内平均降水强度，
然后，以时间为横轴，以时段平均降水强度为纵轴， 绘制而成的柱状直方图。 表示降雨强度与相应时间之间的关系。
Fra Baidu bibliotek习要求
了解 降水成因、类型
掌握
了解
降水基本要素特征值及其概念
降水观测方法、误差修正
了解
了解
降水形态判别方法
影响流域降水分布的因素
掌握
计算面降水量的方法
降水
降水
Precipitation
高空的水汽因气温降低凝结后，
由汽态转为液态或固态，
从云中降落（或从空气中沉降）到 地面的现象。
降水形态 雨rain 雪snow
降水平均深度—面积—历时关系曲线
对不同历时的降雨， 以降水面积为横坐标，
以降雨平均深度为纵坐标，点绘曲线，
此组曲线即为降雨平均深度与面积和历时关系曲线。
IDF曲线：降雨强度—历时—频率曲线
IDF曲线平率分析
1. 2. Get annual maximum series of precipitation depth for a given duration Use EV1/Gumbel distribution to find precipitation depth for different return periods
辐射雾 平流雾 (主动) ——地面辐射冷却 (被动)——暖湿气流移到冷的下垫
降水量
降水的多少以降水量来衡量，
是一定时段内，落在某一个面上，
未经截留、蒸发、渗漏损失
所形成的等量液态水的深度来表示。
公制单位用毫米 mm ，英制单位用英寸inch 1英寸 = 2.54厘米
1码 = 3英尺 = 36英寸 ≈ 0.914米