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暴雨是指小时降雨量达到50毫米或以上的强降雨过程。暴雨极端气象事件的发生和预测对于城市防洪、水资源调配、交通运输、农业生产等有着重要的应用价值。而暴雨强度的计算则是暴雨预测的关键之一,因此,对暴雨强度公式的改进成为了研究的热点之一。
一、传统暴雨强度公式
传统的暴雨强度公式主要是基于经验公式建立的,在不同的地区也各有不同的暴雨公式。其中,较为常用的有余俊民公式、三参数公式、黄山公式等。
余俊民公式是目前比较流行的一种暴雨强度公式,由中国气象局余俊民教授于1986年提出。公式为:
I= (1/) [(t/10)^]
其中,I表示暴雨强度,单位为毫米/小时;t表示暴雨历时,单位为分钟。
但是余俊民公式的适用范围比较受限,只适用于典型的季风气候区域,如南方沿海地区。
三参数公式是在余俊民公式的基础上发展而来的,包括三个参数,分别是a、b、m。其公式为:
I = (a/ b) [(t/ m)^(1/ b)]^(a+1)
其中,t为暴雨历时,单位为分钟;a、b、m为经验参数。
但是三参数公式的参数对于不同地区和不同性质的暴雨效果十分不同,难以确定合适的参数值。
黄山公式是建立在中国江南地区因子分析结果的基础之上的,其公式为:
I= / (t+)^
其中,I为暴雨强度,单位为毫米/小时;t为暴雨历时,单位为分钟。
黄山公式相对于其他经验公式来说,具有适用性较高的特点。但由于其仍然是基于经验的公式,未考虑暴雨过程的复杂性,导致最终结果的准确性有所限制。
以上传统暴雨强度公式虽然多数能够适用于某些地区,但在实际应用中仍然存在许多不能合理解释的现象,特别是在城市洪水泛滥、土夏交错地区等存在一定差距,这迫切需要对暴雨公式进行改进。
二、暴雨强度公式的改进
随着现代科技的不断发展,越来越多的学者和研究人员加入到暴雨强度公式的改进中。其中,主要有以下几种方法:
物理模型法是以暴雨过程为基础,建立物理方程,通过对各个参数的计算,得出对应的暴雨强度。将暴雨过程简化成一组参数方程,通过建立物理模型,并给出物理量的量纲和物理意义,把定量因素与定性因素互相联系,并将计算方法归纳成数学模型,从而得到更为合理的暴雨强度公式。
统计分析法是通过大量实测和资料分析的方法求出两个或多个暴雨因素之间的关系,将这些关系数学描述,得出暴雨强度公式。常见的统计分析法有回归分析、神经网络分析、FANN模型分析等。
灰色理论法是指利用少量的数据,利用某种数学模型进行分析和研究的方法。在暴雨强度公式的使用中,对于数据环境不稳定,但仍带有一定规律性的情况,可以采用灰色预测理论进行处理。
试验方法主要是指通过实验室、田间等渠道,利用适量数据进行试验,再利用试验得到的数据,进一步推导计算出暴雨强度公式。
三、新型暴雨强度公式
采用新型的暴雨强度公式,能够更精确地进行暴雨预报。目前,各类新型暴雨强度公式层出不穷,其有效性与可靠性也在不断提高。以下是较为实用得的新型暴雨强度公式:
虚弧谷峰值公式是在对况似两年的历时雨量资料进行分析的基础上得出的。其公式为:
I= (/ t)^()
其中,I表示暴雨强度,单位为毫米/小时;t表示暴雨历时,单位为分钟。
该公式的优点是只有一个参数,且参数的值与目标区域的气候条件无关。
在传统暴雨强度公式的基础上,据梅州市200台站雨量值(1976-2005年)资料,构建出 BP 神经网络模型,梅州市石扇镇的蓄水池暴雨强度计算如下:
I= + * P1 + * P7 + * P15 + * P30
其中,P1、P7、P15、P30分别表示降雨时段为1、7、15和30分钟的雨量。
基于多重空间变差分析的公式采用十分钟为单位的观测数据作为样本进行回归分析预测。其公式为:
I = * R^
其中,I表示暴雨强度,单位为毫米/小时;R表示设定时间内的累积雨量。
四、结论
随着气候环境的日益变化,暴雨强度公式需要不断地进行改进与升级。当前,物理模型法、统计分析法、灰色理论法、试验方法等研究途径具有一定的预测能力,以及适用范围,随着技术的不断发展,这些方法也会得到更加完善的发展。
目前,新型的暴雨强度公式中,虚弧谷峰值公式、基于BP神经网络改进公式以及基于多重空间变差分析的公式,效果较好,可以稍微多加关注,但是必须针对地区的具体情况进行测试和改进,才能得出更加适合该区域的暴雨强度公式。