水文气象知识简介
水文气象知识简介
黄永革
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多年的防汛实践告诉我们，减免洪水灾害有两类措施，一类称工程措施，也称改造自然的措施，是按照人们的要求以修建工程的手段来达到减免洪灾的目的；另一类是非工程措施，即利用非工程手段改变灾害的影响，达到减少灾害损失的目的，例如天气预报和洪水预报等，这类措施又称之为适应自然的措施。
1998年9月，江泽民主席在全国抗洪抢险总结表彰大会上讲话中指出：“没有水利、气象、水文等方面取得的技术进步，要夺取这样的胜利是难以想象的。”准确的天气和洪水预报是防洪决策的科学依据。下面就与防汛关系密切的水文气象知识作一些介绍。
1、暴雨特性及监视预报
我省地处中纬度地带，是亚热带向暖温带的过渡区域。全省大致以淮河为界，北部为暖温带半湿润季风气候，南部为亚热带湿润季风气候，且距海较近受季风气候影响非常显著，以上特点使安徽四季分明、春温多变、秋高气爽、梅雨显著、夏雨集中。冷暖气团交会频繁，天气多变，旱涝灾害频繁。
1.1 几个气象常用名词解释
季风：随季节而改变的大范围盛行的风向称季风。季风是一种气候现象（如我省冬季偏北风，夏季偏南风），这种盛行风向的变换是由于两种下垫面（海洋和陆地）的热力性质的季节变化所造成。
气候带：根据地面气候纬向分布的相似性，划分与纬圈大致平行的带状气候区（有极地气候、温带气候、副热带气候、热带气候、赤道气候），我国幅员辽阔，南北跨纬度50度包括热带、亚热带、温带三个气候带，自东向西又可分为湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区。
副热带（亚热带）：一般指北纬25°~ 40°纬圈之间的地区，为热带和温带间的过渡带，副热带高压基本控制着这一带的天气和气候。我省旱、涝与它的强弱和位置移动有直接关系。
1.2 暴雨天气系统
降雨强度与等级：单位时间内的降雨量称降雨强度，按降雨强度分小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨六个等级。
降雨强度与等级 单位：mm
雨强
12小时降雨量
24小时降雨量
等级
小雨
R12＜5
R24＜10
中雨
5≤R12＜10
10≤R24＜25
大雨
10≤R12＜30
25≤R24＜50
暴雨
30≤R12＜70
50≤R24＜100
大暴雨
70≤R12＜140
100≤R24＜200
特大暴雨
140≤R12
200≤R24
降水是复杂天气过程的产物，暴雨更有其特殊性。降暴雨时，必须有充沛的水汽，对流层下部气温要高，并有源源不断的水汽供
给。而后重要的要有
强烈的上升运动，使气层不断上升，使水汽凝结成云和降水；连续不断将平流输送来的水汽，向高空输送，形成降水的过程能持续循环地进行，这一过程还要有较长的持续时间。形成降水的天气系统移动要缓慢或具有重复出现的特点。我省的特大暴雨基本上由梅雨锋、气旋、低涡和台风等天气系统所引起。
低涡是指高空中心气压比四周低的气旋性涡旋，在北半球涡旋周围的风呈逆时针方向旋转。低涡内有较强的上升运动，为降水提供有利条件，如果水汽充沛也常有暴雨产生。
气旋（低气压）是指大气压流场中，在北（南）半球呈逆（顺）时针旋转的大型涡旋，在同一高度上，气旋中心气压比四周低。生成于低纬度海洋上的称之为“热带气旋”（或称“热带风暴”，我国又称“台风”）。温带气旋中心有冷暖两种不同属性的大气构成，由冷空气推动暖空气，它们之间的界面称“”冷锋；反之称“暖锋”。高空具有气旋性切变的风场不连续线称切变线。在气旋中心和锋面附近天气变化激烈，气旋中心和锋面经过的地区常常有大雨和暴雨出现。
台风生成于热带海洋上，是一个直径约为几百公里的暖性涡旋。世界气象组织规定涡旋中心附近最大风力小于8级时，称热带低压，风力达8~9级时称热带风暴，10~11级称强热带风暴。当中心风力≥12级时称台风。台风登陆不仅风强雨急，常常造成暴雨洪水灾害。台风暴雨通常发生在8~9月。例如7503号台风伸入内陆，8月5~7日淮河上游洪汝河、沙颖河降特大暴雨，暴雨中心林庄24小时降雨1060mm，5-7日三天降水1605mm，导致板桥、石漫滩两座大型水库垮坝，引起下游毁灭性灾害，这就是历史上著名的“75.8”洪水。据统计，对我省影响较大的台风，绝大多数都从浙江和福建沿海登陆。
梅雨锋（或江淮切变线）是形成我省暴雨造成洪涝灾害最多的暴雨天气系统，梅雨锋暴雨强度比台风暴雨要小，但梅雨锋稳定，降水范围广，持续时间长，暴雨频次多。一般我省入梅期在6月中旬（平均在6月16日），出梅在7月上旬末（平均在7月10日），梅雨期近一个月（平均27天）。例如1991年江淮特大洪水，从5月19日入梅，7月13日出梅，梅雨期暴雨频繁，形成了江淮和太湖流域特大洪涝灾害；还有1998年长江洪水， 1931年、1954年、1980年江淮流域洪水等，都是由于梅雨期持续时间长，雨区范围广，而酿成了严重的洪涝灾害。在梅雨期很短或者空梅的年份，如1966、1978、1994、2000和2001年等，会发生严重干旱。
1.3 我省降水的时空分布
我省年平均降水量为
800-1800mm，降水地区分布不均，有明显的南多北少，山区多平
原少的特点，淮北北部年降水800mm，大别山区与江南地区在1200~1400mm，黄山地区1600~2200mm，
降水量还具有季节分配不均的特点，夏季6~8月（主汛期）降水最多，春季次之，秋季较少，冬季最少。降水的年际间变化大，多雨年降水量是少雨年的3倍左右（如1954年1480~2943mm，1978年560~1099mm）。
1.4 暴雨监视与天气预报
我省江河洪水一般由暴雨造成，监视暴雨发生、发展、移动、变化，掌握实时雨情信息，增长洪水预报预见期，为防汛抗洪争取主动权极为重要。
暴雨监视一般有雨量站观测、测雨雷达和卫星云图监视等手段。雨量站定点定量观测，测雨雷达能定性测得半径100km左右区域范围内的降水分布及变化情况，根据卫星云图上云的分布可确定各种天气系统，如锋面、台风等的位置、移动和变化。
天气预报是指预测今后天气变化趋势。天气预报方法多种多样，相互配合。主要包括以天气图——气象卫星——雷达为主要手段的天气学预报方法；以解流体力学——热力学——动力气象学方程为主的数值天气预报方法；以概率论——数理统计为手段的统计预报方法；短期及中期天气预报以天气学方法为主。长期和超长期以统计预报方法为主，数值预报方法正处在初创阶段。
大气中的降水过程，包含有宏观条件和微观条件。到目前为止，还有许多形成降水的复杂物理过程不太清楚，另外，在形成降水的过程中，各种尺度天气系统的相互作用，制约了天气预报的精度。降水预报也就成了天气预报中最困难的问题，虽说天气预报的技术手段发展很快，短期预报降水（1~3天）定性较有把握，但做到三定（定时间、定地点、定量）精度尚难保证，4~10天的中期预报以趋势为主，其精度更难保证。
2、洪水监测和预报
洪水监测和预报是防汛抢险工作的主要组成部分。在防洪斗争中，及时、准确的水情和预报是指导防汛采取防御措施的科学依据。现就洪水监测、影响洪水的主要因素、洪水预报等内容分述如下。
2.1 几个水文常用名词解释
水位是指自由水面相对于某一基面的高程，水面离河底的距离称水深。计算水位所用基面可以是以某处特征海平面高程作为零点水准基面，称为绝对基面，常用的是黄海基面；也可以用特定点高程作为参证计算水位的零点，称测站基面。水位是反映水体水情最直观的因素，它的变化主要由于水体水量的增减变化引起的。水位过程线是某处水位随时间变化的曲线，横座标为时间，纵座标为
水位。
流量是指单位时间内流径某一过水断面的水体体积，常用单位是每秒立方米。流量与水位
相似，也可按时间顺序用流量过程线表示。
径流是指陆地上的降水汇流到河流、湖库的水流。
水系是指河流的干流及其各级支流彼此连接的一个系统，我国习惯上把较大河流及其支流所属范围称为某河水系。
流域是指地表水和地下水的分水线（岭）所包围的集水区域，水系和各级支流都有相应的流域。
2.2 洪水监测系统
洪水监测系统是由采集洪水信息的水情站网以及实时水情信息传递、接收、处理等部分组成。
水情站是指提供河流、湖泊、水库或其他水体的水情、雨情等实测要素的水文和气象站的统称，我省水文局有不同类别的水情站863个（含水文站130个、水位站74个，雨量站659个），其中向中央和省防汛指挥部拍报水情的有354个；邻省向我省拍报水情的有163个站。
雨量和水位的采集方法是人工和自记观测相结合，部分站实行了遥测；流量测验主要使用流速仪法。水情站应按照水情任务书要求准确及时地完成测报任务，遇大洪时要力争做到“测得到、测得准、报得出、报得及时”。
目前水情信息传递方式主要依靠邮电部门的电信线路系统和自建无线报汛网络。为提高传递水情信息可靠性和时效，在洪水威胁较大地区的大型水库报汛站点和阜阳、芜湖水情分中心向中央报汛的站点实现了水情信息自动采集和传输。
实时水情信息的接收和处理方面，省水文局已研制建立以微机接收、翻译水情电报为基础的处理系统，它由信息接收、信息处理、信息存储、信息检索和信息应用等子系统组成。这个系统在用户终端上可随时检索出各种加工后的统计分析信息；打印出各类需要发送的水情和雨情简报。依靠这个系统，全省实时暴雨洪水数据可在2小时内完成供决策使用的图表。
2.3 影响洪水的主要因素
由降雨到水流汇集至出口断面的整个物理过程，称径流形成过程。其影响的主要因素有降雨、蒸发、下渗、地下水等。
降雨数量、强度、过程及其在空间分布对径流的形成和变化都有着直接的影响。
蒸发是影响径流的重要因素之一，由降雨转变为径流主要损失就是蒸发。其中湿润地区年降水量的30~50%，干旱地区的80~95%都耗于蒸发，其余部分才作为径流量，流域蒸发时刻都在进行，它主要是通过土壤含水量的变化和雨间蒸发来影响降雨径流的形成过程。
降落的雨水透过地面进入土壤的过程称下渗。降雨下渗到土壤中的水一部分成为土壤含水量，以后逐渐蒸发掉；另
一部分则渗入地下补给地下径流。
地下水在汛期对洪峰的作用并不大，但是在枯季，地下水就是河川径流的主要来源。
2.4 洪水预报
（在我省）洪水主要是指由暴雨引起江河水量迅猛增加及水位急剧上涨的自然现象，洪水特征一般用洪峰流量、洪峰水位和洪水过程线来描述。当流域发生暴雨时，在流域各处所形成的地面径流，都依其远近先后汇集于河道的出口断面处，当近处的地面径流到达该出口断面时，河水流量开始增加，水位相应上涨，这就是洪水起涨之时；随着流域远处的地表径流陆续流入河道，使流量和水位继续增涨，大部分高强度的地表径流汇集到出口断面时，河水流量增至最大值称为洪峰流量，其最高水位，称为洪峰水位。洪水流量由起涨到达洪峰流量以后逐渐下降，到暴雨停止以后的一定时间，河网中的水量均已流经出口断面时，河水流量及水位回落到接近于原来状态。即为洪水落尽之时。如在方格纸上以时间为横坐标，以江河的流量或水位为纵坐标，可以绘出洪水从起涨至峰顶到落尽的整个过程曲线，称为洪水过程线。一次降雨产生的径流量，称为一次洪水总量，可由一次洪水流量过程线与横坐标所包围的面积求得。一次洪水过程所经历的时间称为洪水总历时。
根据洪水形成和运动的规律，利用过去和实时水文气象资料，对未来一定时间内的洪水情况的预测，称洪水预报。这是水文预报中最重要的内容。洪水预报包括河道洪水预报、流域洪水预报、水库洪水预报等。主要预报项目有最高洪峰水位（或流量）、洪峰出现时间。洪水涨落过程、洪水总量等。
河道洪水预报，即预报沿防汛河段的各指定断面处的洪水位和洪水流量。天然河道中的洪水，以洪水波形态沿河道自上游向下游运动，各项洪水要素（洪水位、洪水流量等）先在河道上游断面出现，然后依次在下游各断面出现。因此，可利用河道中洪水波运动的规律，由上游断面的洪水位和洪水流量，来预报下游断面的洪水位和洪水流量。根据对洪水波运动的不同研究方法，可得出河道洪水预报的各种方法。常用的有相应水位（或相应流量）法和流量演算法。
流域洪水预报是根据径流形成的基本原理，直接从实时降雨预报流域出口断面的洪水总量和洪水过程。前者称径流量预报（亦称产流预报），后者称径流过程预报（亦称汇流预报）。流域洪水预报的预见期比河段预报要长些。在一些地区，没有发布河段预报的条件（如一条河上没有上、下游水情站）或预见期太短时，为满足防洪要求，宜采
用流域洪水预报的方法。
流域洪水预报方法常用的有实用预报方案和流域水文模型。实用预报方案即用实测的雨洪资料建立起降雨径流经验相关图和由实测洪水过程线分析出来的
经验单位过程线，对降水所形成的径流量及洪水过程进行预报。流域水文模型是从系统的角度来模拟降雨径流关系。以流域为系统，降雨过程作为系统的输入，经过系统的作用，流域出口流量过程作为系统的输出。因此，建立降雨径流模型，首先要建立模型的结构，并以数学方式表达，其次要用实测降雨径流资料来率定及调试模型参数。随着人们对流域上产、汇流过程认识的深入和计算机的发展，产生了大量的流域水文模型，较多的是用于水文预报方面，目前我国有代表性的是新安江模型。
水库洪水预报主要包括入库洪水预报、水库最高水位和最大出库流量及其出现时间的预报。由于水库大小不同、条件各异，运用方式各有特点，因此水库洪水预报方法和要求也不尽相同。这里不一一叙述了。
在防汛中各级水文情报预报单位都应有一套到几套保证一定精度和预见期的作业预报方案。当洪水发生时，洪水作业预报工作大体可分为三个步骤：简易估算、多种方案细算、实时校正。重要预报发布前都要组织会商和根据几种方法推算的预报数据，进行成果的综合分析比较，查找历史上类似的暴雨洪水档案，分析比较将要出现的洪水趋势，然后再发布