1、水文氣象學水文氣象學Hydrometeorology主講：高玉芳2Contact E-mail: TelQQ: 316572999 3參考書參考書n水文學原理水文學原理，中國水利水電出版社；芮孝芳著，中國水利水電出版社；芮孝芳著，20042004年年. .n氣象學氣象學, ,氣象出版社氣象出版社; ; 徐祝齡徐祝齡 主編主編 19941994年年. . n氣象學引論氣象學引論, ,高等教育出版社高等教育出版社; ; 謝義炳謝義炳 等編等編 19591959年年. . n氣象學與氣候學氣象學與氣候學, ,高等教育出版社高等教育出版社; ; 周淑貞周淑貞 主編主編, 19

2、97, 1997年第三年第三版版n水文氣象與航海水文氣象與航海海洋出版社海洋出版社, (, (蘇蘇) )沙帕耶夫沙帕耶夫 著著 19901990年年. .n水文氣象學水文氣象學, ,臺北臺北- -徐氏基金會徐氏基金會; ; 羅樹孝羅樹孝 譯譯, 1976, 1976年年. .n水文氣象統計通用模型水文氣象統計通用模型, ,中國水利水電出版社中國水利水電出版社; ; 孫濟良孫濟良 編著編著, , 20012001年年. .n工程水文學工程水文學，中國水利水電出版社；詹道江，葉守澤合編，中國水利水電出版社；詹道江，葉守澤合編，20002000年年. .n水利計算及水資源規劃水利計算及水資源規劃，高

3、等學校教材；葉秉如主編，高等學校教材；葉秉如主編，19951995年年第一版第一版. .n湖泊水庫水文學湖泊水庫水文學，河海大學出版社；崔廣柏編，河海大學出版社；崔廣柏編，20062006年年. .n第一章第一章 緒論緒論n第二章第二章 水循環水循環n第三章第三章 水文氣象的地表組分測量水文氣象的地表組分測量 n第四章第四章 河川徑流河川徑流n第五章第五章 產匯流分析產匯流分析n第六章第六章 水文氣象預報水文氣象預報451.21.311.1第一章第一章 緒論緒論1.4主要內容主要內容67n 1.1.1 水文學的定義水文學的定義n廣義的現代水文學研究地表和地下水的產生和運移、廣義的現代水文學研究

4、地表和地下水的產生和運移、水的理化性質、水與生物和非生物環境的關系以及人水的理化性質、水與生物和非生物環境的關系以及人類對水的影響類對水的影響n主要研究內容：水循環所涉及的地表過程。它利用生主要研究內容：水循環所涉及的地表過程。它利用生物學、化學、生態學、數學和物理學的原理與方法解物學、化學、生態學、數學和物理學的原理與方法解決水資源和水管理中存在的水量、水質問題。決水資源和水管理中存在的水量、水質問題。 n水文學可認為是一門回答水文學可認為是一門回答“降雨后發生了什么事降雨后發生了什么事？”的科學。的科學。1.1 水文氣象學水文氣象學 hydrometeorology891.1 水文氣象學水

5、文氣象學 hydrometeorologyn 1.1.2 氣象學的定義氣象學的定義n 氣象學是論述大氣及水在空氣中按氣態和液氣象學是論述大氣及水在空氣中按氣態和液態運動的科學。態運動的科學。n氣象學同相關的學科相結合，產生一些邊緣性氣象學同相關的學科相結合，產生一些邊緣性學科，水文氣象學是其中之一。學科，水文氣象學是其中之一。n這兩門科學均涉及水文循環這兩門科學均涉及水文循環-水從海洋經大水從海洋經大氣回到海洋或陸地，通過地表和地下的通道重氣回到海洋或陸地，通過地表和地下的通道重新回到海洋。新回到海洋。10n 蒸發大氣輸送降水徑流構成水循環的蒸發大氣輸送降水徑流構成水循環的4個階個階段，徑流是

6、水文學的核心問題，而段，徑流是水文學的核心問題，而降水和蒸發降水和蒸發屬屬于水文學和氣象學共同關注的問題。于水文學和氣象學共同關注的問題。11121.1 水文氣象學水文氣象學 hydrometeorologyn 1.1.3 水文氣象學水文氣象學n辭海定義：辭海定義： 研究大氣中水分與降雨、地下水和徑流等方研究大氣中水分與降雨、地下水和徑流等方面關系的學科。面關系的學科。13n在實踐中，水文氣象學關注降水的觀測與分析，在實踐中，水文氣象學關注降水的觀測與分析，包括由點位觀測到一定空間尺度的外推，以及包括由點位觀測到一定空間尺度的外推，以及確定降水概率、計算強風暴頻率、評估洪水災確定降水概率、計算

7、強風暴頻率、評估洪水災害、設計地方水工建筑等。害、設計地方水工建筑等。 n其研究成果主要用于其研究成果主要用于-河道、水庫的防洪興河道、水庫的防洪興利，以及水資源的開發利用和水利水電工程的利，以及水資源的開發利用和水利水電工程的規劃設計。規劃設計。141.2 水文氣象學研究簡史水文氣象學研究簡史n1.2.1 國內（1 1）林一山）林一山19541954年倡導水文與氣象相結合的洪水預報方法年倡導水文與氣象相結合的洪水預報方法（2 2）長委于）長委于2020世紀世紀6060年代初在全國首創水文氣象預報業務，年代初在全國首創水文氣象預報業務，并并由短期水文氣象預報擴展到中長期水文氣象預報由短期水文氣

8、象預報擴展到中長期水文氣象預報，逐漸，逐漸形成形成短、中、長期水文氣象預報短、中、長期水文氣象預報相結合的業務體系。相結合的業務體系。（3 3）7070年代后，全國其他各大流域水利機構和一些省市水年代后，全國其他各大流域水利機構和一些省市水利部門也利部門也相繼開展了長期水文氣象預報業務，相繼開展了長期水文氣象預報業務，長江流域的長江流域的長期水文氣象預報發展尤為迅速。長期水文氣象預報發展尤為迅速。 滿足防汛抗旱和水資源管理、水庫運行調度的需要滿足防汛抗旱和水資源管理、水庫運行調度的需要。 151.2 水文氣象學研究簡史水文氣象學研究簡史n1.2.2 國外 1884 1884 年年A.N. A.

9、N. 沃葉意柯夫首次提出了沃葉意柯夫首次提出了 “ “ 河川河川是氣候的產物是氣候的產物 ” ” 這一科學論斷，他指出，河道這一科學論斷，他指出，河道是水流沖出來的，而水流是降水所供給的，所以是水流沖出來的，而水流是降水所供給的，所以研究水文學，必須首先研究作為水文要素且是氣研究水文學，必須首先研究作為水文要素且是氣象要素之一的降水現象。象要素之一的降水現象。 n 1911 1911 年年前蘇聯水文學家前蘇聯水文學家 .M. .M. 奧里杰柯普進一奧里杰柯普進一步發展和改進了步發展和改進了 A.N. A.N. 沃葉意柯夫關于沃葉意柯夫關于河川含水河川含水量與氣候之間的關系的原理量與氣候之間的關

10、系的原理，他在研究了西歐地，他在研究了西歐地區區 50 50 處河川流域的年平均雨量與年平均蒸發量處河川流域的年平均雨量與年平均蒸發量的資料之后指出，不使用徑流的直接觀測資料，的資料之后指出，不使用徑流的直接觀測資料，而只根據降水量及其它氣象要素資料，計算各種而只根據降水量及其它氣象要素資料，計算各種不同流域的蒸發量和徑流量是有可能的。不同流域的蒸發量和徑流量是有可能的。16171.2 水文氣象學研究簡史水文氣象學研究簡史n1.2.2 國外 2020世紀世紀3030年代，年代，美國天氣局成立水文氣象處，美國天氣局成立水文氣象處，從氣象資料推算可能最大降水和可能最大洪水，從氣象資料推算可能最大降

11、水和可能最大洪水，以滿足防洪建筑設計的需要，這是水文和氣象相以滿足防洪建筑設計的需要，這是水文和氣象相結合的開始。結合的開始。 從從6060年代以來，年代以來，隨著氣象雷達、氣象衛星等隨著氣象雷達、氣象衛星等探測技術的發展，降水監測的水平有了很大提高，探測技術的發展，降水監測的水平有了很大提高，為降水短時預報與洪水預報的結合創造了條件，為降水短時預報與洪水預報的結合創造了條件，使水文氣象學得到了新的發展。使水文氣象學得到了新的發展。 181.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容 從水文氣象學的角度研究降水與蒸發，主要從水文氣象學的角度研究降水與蒸發，主要有以下有以下3 3方面的內容：與洪水

12、預報相關的降水監測方面的內容：與洪水預報相關的降水監測和預報，可能最大降水量的估算，蒸發量的估算和預報，可能最大降水量的估算，蒸發量的估算。191.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.1 1.3.1 降水的監測降水的監測 指在時間和空間上監測降雨量、降雨強度指在時間和空間上監測降雨量、降雨強度 測定降雨量和降雨強度的方法，有測定降雨量和降雨強度的方法，有直接直接測定測定( (降雨用雨量器、雪深用量雪尺測量降雨用雨量器、雪深用量雪尺測量) )和和間接間接測定測定（雷達、衛星云圖估算）兩種。（雷達、衛星云圖估算）兩種。n 雨量器測量雨量器測量 根據降雨類型以及降雨資料的預期用途，用根據

13、降雨類型以及降雨資料的預期用途，用雨量器測量降水，雨量站網必需有一定的空間密雨量器測量降水，雨量站網必需有一定的空間密度、觀測頻次和傳遞資料的時間。度、觀測頻次和傳遞資料的時間。 201.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.1 降水的監測降水的監測 n 天氣雷達估算降雨天氣雷達估算降雨 覆蓋面積大、分辨率高覆蓋面積大、分辨率高，有效半徑一般為，有效半徑一般為 200多公里，多公里，可提供一定區域上降雨量和降雨時空分布的資料。可提供一定區域上降雨量和降雨時空分布的資料。 一個帶有計算機的雷達可提供一定面積上的降雨強度和一個帶有計算機的雷達可提供一定面積上的降雨強度和降雨總量降雨總量

14、衛星云圖估算降雨衛星云圖估算降雨 瞬時觀測范圍大，資料傳遞迅速瞬時觀測范圍大，資料傳遞迅速 211.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容n 1.3.2 降水預報降水預報 就降水預報方法而言，水文氣象學與氣象學沒就降水預報方法而言，水文氣象學與氣象學沒有什么不同。有什么不同。 水文氣象學的降雨（或融雪）預報是水文氣象學的降雨（或融雪）預報是針對河道針對河道防汛、水庫防洪、興利調度防汛、水庫防洪、興利調度以及以及工程施工工程施工的實際需要而進的實際需要而進行的專業化預報。行的專業化預報。 水文氣象預報力圖將水文氣象預報力圖將大氣環流等氣象條件與水文大氣環流等氣象條件與水文特征緊密聯系起來，把降

15、雨的天氣模型與洪水模型結合起特征緊密聯系起來，把降雨的天氣模型與洪水模型結合起來來。 n 一般在進行降雨預報的同時，還根據河流流域地一般在進行降雨預報的同時，還根據河流流域地貌、流域水分狀況、水利工程質量和標準以及降貌、流域水分狀況、水利工程質量和標準以及降雨和徑流的關系等因素，雨和徑流的關系等因素，針對防洪要求針對防洪要求作出未來作出未來暴雨、洪水可能發生地區的預報暴雨、洪水可能發生地區的預報；鑒別和判斷流；鑒別和判斷流域域發生非常洪水的可能性發生非常洪水的可能性；洪水發生后，；洪水發生后，預測洪預測洪水發展趨勢水發展趨勢，以及庫區來水預報以及庫區來水預報等。等。22231.3 水文氣象學研

16、究內容水文氣象學研究內容n1.3.2 降水預報降水預報 為了提高暴雨為了提高暴雨落區、落點、落時預報的精度落區、落點、落時預報的精度，已發展一種以已發展一種以氣象衛星、氣象雷達、常規氣象觀測氣象衛星、氣象雷達、常規氣象觀測資料相結合的暴雨監視和短時預報資料相結合的暴雨監視和短時預報，預報時效為，預報時效為幾幾小時到十幾小時小時到十幾小時，預報精度較高。，預報精度較高。241.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.3 可能最大降水可能最大降水(PMP) PMP PMP指特定流域范圍內一定歷時可能的最大指特定流域范圍內一定歷時可能的最大降水量。降水量。 一般一般大型水利大型水利工程要采用

17、可能最大洪水工程要采用可能最大洪水 (PMF)(PMF)作為保壩標準。推求可能最大洪水的方法作為保壩標準。推求可能最大洪水的方法之一，是先確定可能最大降水。之一，是先確定可能最大降水。確定可能最大降水的方法很多，大致有確定可能最大降水的方法很多，大致有3 3種：種： （1 1）暴雨頻率分析暴雨頻率分析（也稱統計學方法）：根（也稱統計學方法）：根據實測的和調查的暴雨資料，推算出極為稀遇頻據實測的和調查的暴雨資料，推算出極為稀遇頻率的降水量。率的降水量。25261.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.3 可能最大降水可能最大降水(PMP) （2 2）氣象成因法氣象成因法：根據形成暴雨的

18、基本因素：根據形成暴雨的基本因素水汽和動力條件，擬訂合理的模式，使這些水汽和動力條件，擬訂合理的模式，使這些影響因素的指標極大化，取其在氣象上所能接受影響因素的指標極大化，取其在氣象上所能接受的物理上限值，然后將這些指標組合在一起，構的物理上限值，然后將這些指標組合在一起，構成更嚴重的、但在氣象上和水文上可接受的時序，成更嚴重的、但在氣象上和水文上可接受的時序，一般稱為氣象成因法。一般稱為氣象成因法。271.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.3 可能最大降水可能最大降水(PMP) （3 3）暴雨移置法暴雨移置法：將臨近地區的實測特大暴：將臨近地區的實測特大暴雨經修正后移置到設計流

19、域的過程。雨經修正后移置到設計流域的過程。 移置時要進行移置的可能性分析和移置修正。移置時要進行移置的可能性分析和移置修正。 可能性分析可能性分析 -降雨條件是否相似降雨條件是否相似 移置修正移置修正-下墊面差異下墊面差異 281.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.4 水體的水面蒸發和流域總蒸發水體的水面蒸發和流域總蒸發 （1 1）水面蒸發）水面蒸發 指某一地區大水體的水面蒸發量，一般用蒸發指某一地區大水體的水面蒸發量，一般用蒸發器測定水面蒸發。器測定水面蒸發。 一般通過實驗，求出蒸發器的折算系數，以此一般通過實驗，求出蒸發器的折算系數，以此估算實際蒸發量。估算實際蒸發量。 另外

20、，也可根據蒸發控制因素的觀測資料，即另外，也可根據蒸發控制因素的觀測資料，即通過水體熱量平衡、水量平衡等一些氣象、水文因通過水體熱量平衡、水量平衡等一些氣象、水文因素間接計算出水面蒸發量。素間接計算出水面蒸發量。 291.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.4 水體的水面蒸發和流域總蒸發水體的水面蒸發和流域總蒸發 （2 2）流域總蒸發（陸面蒸發，一般以）流域總蒸發（陸面蒸發，一般以 E E 表示）表示） 指流域或區域內水體蒸發、土壤蒸發、指流域或區域內水體蒸發、土壤蒸發、 植物植物散發、散發、 冰雪蒸發和潛水蒸發的總和。通常由流域冰雪蒸發和潛水蒸發的總和。通常由流域多年平均的降水量

21、多年平均的降水量( (P P) )與徑流量與徑流量 ( (R R) )的差值的差值E EP P R R 間接求得。間接求得。 301.3 水文氣象學研究內容水文氣象學研究內容1.3.4 水體的水面蒸發和流域總蒸發水體的水面蒸發和流域總蒸發 流域總蒸發的大小受可能蒸發和供水條件流域總蒸發的大小受可能蒸發和供水條件（即蒸發面上可以獲得水分補充的程度）的制約。（即蒸發面上可以獲得水分補充的程度）的制約。 在干旱和半干旱地區，由于降水稀少，可能在干旱和半干旱地區，由于降水稀少，可能蒸發率蒸發率大大超過供水能力大大超過供水能力，流域的，流域的年總蒸發接近或等于年年總蒸發接近或等于年降水量降水量。n 濕潤

22、地區，流域總蒸發和本區的水面蒸發接近或濕潤地區，流域總蒸發和本區的水面蒸發接近或相等。相等。n 半濕潤地區的陸面蒸發介于上述兩種情況之間。半濕潤地區的陸面蒸發介于上述兩種情況之間。n 就海洋和大陸而言，就海洋和大陸而言，海洋上的蒸發量大于降水量海洋上的蒸發量大于降水量，大陸上的蒸發量小于降水量大陸上的蒸發量小于降水量，因此必須有海洋，因此必須有海洋向大陸的水分凈輸送。向大陸的水分凈輸送。31321.4 水文氣象學面臨的機遇與挑戰水文氣象學面臨的機遇與挑戰n 水旱災害非常嚴重水旱災害非常嚴重（1 1）災害種類多災害種類多 洪澇、干旱、臺風、山洪、泥石流等災害洪澇、干旱、臺風、山洪、泥石流等災害多

23、發。多發。（2 2）發生頻率高發生頻率高 1949 1949年以來已發生較大洪水年以來已發生較大洪水5050多次，發生多次，發生較大范圍的嚴重干旱較大范圍的嚴重干旱1717次。次。331.4 水文氣象學面臨的機遇與挑戰水文氣象學面臨的機遇與挑戰n 水旱災害非常嚴重水旱災害非常嚴重（3 3）分布范圍廣分布范圍廣 2/3 2/3的國土面積可能產生各種類型、不同程度的國土面積可能產生各種類型、不同程度的洪水，大部分地區面臨不同程度的干旱威脅。的洪水，大部分地區面臨不同程度的干旱威脅。特別是聚集著全國特別是聚集著全國50%50%以上人口、以上人口、35%35%耕地、耕地、2/32/3工農業總產值的東部

24、和南部經濟較發達地區，是工農業總產值的東部和南部經濟較發達地區，是遭受洪水威脅最為嚴重的地區。遭受洪水威脅最為嚴重的地區。（4 4）造成損失重造成損失重 1990 1990年以來，年均洪澇災害損失占同期年以來，年均洪澇災害損失占同期GDPGDP的的1.5%1.5%左右，年均干旱災害損失超過同期左右，年均干旱災害損失超過同期GDPGDP的的1%1%。近幾年這一比例雖然大幅降低，但仍高。近幾年這一比例雖然大幅降低，但仍高于發達國家平均水平。于發達國家平均水平。3435Chalmette, Louisiana after Hurricane Katrina洪湖遭遇70年一遇的特大干旱，降水量與往年相比減少七成，53萬畝洪湖水面減少了1/4，湖水最深處只有30多厘米。361.4 水文氣象學面臨的機遇與挑戰水文氣象學面臨的機遇與挑戰n防洪抗旱減災形勢嚴峻。防洪抗旱減災形勢嚴峻。 在加強防洪工程建設在加強防洪工程建設的同時，的同時， 不斷不斷完善非工程措施完善非工程措施，對，對天氣和氣候極端事件天氣和氣候極端事件做到做到早預測、早警報、早反應早預測、早警報、早反應, ,進一步提高進一步提高預