可能最大降水(probable maximum precipitation)是指在现代气候条件下,某一流域或某一地区上,一定历时内的最大降水,含有降水上限的意义,我国习惯上称为可能最大暴雨量。该词是由美国在20世纪50年代后期正式提出。由可能最大降水及其时空分布(见
设计暴雨),通过流域产流和汇流计算,推算出相应的洪水,称为可能最大洪水(probable maximum flood,PMF)。
可能最大降水估算方法
目前,在PMP估算方面是多种方法并存,这些方法大致可概括为两类:
直接式:即针对设计流域特定工程的集水面积直接推求。采用方法主要有:①当地暴雨放大法 ②暴雨移置法③暴雨组合法 ④理论或物理模式法。以上四种方法在山区、平原均可运用。除最后一种方法一般只适用于面积在4000km2以下、历时在24小时以下外,其余三种方法基本上不受面积大小和历时长短的限制。
间接式:即先求出暴雨面积上的PMP,然后则设法转换为设计流域的PMP。采用方法主要是概化估算法,其适用范围是平原地区面积 52000 km2以下,山区面积 13000 km2以下,降雨历时在6小时一72小时。
此外,PMP的估算方法还有统计估算法和经验公式法等。
当地暴雨放大法
当地暴雨放大法的中心思想是以设计流域的实测暴雨为典型,选择有关的影响因子,合理地放大。典型暴雨必须是其量级、时空分布型式等对于指定的设计工程来说,防洪威胁最大。选取典型暴雨时,不能拘泥于设计流域,必须与邻近流域的实测特大暴雨作比较。例如一般流域的实测资料都不足以找出严重的时程分配型式,而历史资料难于做出较准确的时程分配,所以必须参考邻近流域的特大暴雨资料,以选取对工程防洪最不利的暴雨分配型式。
放大典型暴雨应按暴雨特性、稀遇程度及流域特性等不同情况,选取放大方法。暴雨放大方法一般有以下几种:
(1)水汽放大。大气中水汽是降水的根本条件,水汽含量越高,转化为降水的数量和可能性越大。若选取的典型暴雨属于高效暴雨,即效率因子己达到足够大,则可采用水汽放大。水汽放大的基本假定是水汽与效率相互独立,对高效暴雨作水汽调整不影响其效率。
(2)水汽效率放大法。同一水汽量可降水可以与各种不同的效率相组合,同一效率也可以与不同水汽组合,而特大暴雨则是水汽与高效率相遇的结果。因此,设计流域或邻近地区缺乏特大暴雨资料,而有较大的实测暴雨或特大历史暴雨洪水资料时,可采用水汽效率放大。水汽效率放大的假定是水汽与效率相互独立,即放大水汽不改变其效率,放大效率也不改变其水汽系由高效率与高水汽同时遭遇形成。
暴雨移置法
(1)概述
PMP是近似于上限的暴雨,对于任意一个特定流域来说,其暴雨观测资料越长,其中的极值应越接近于暴雨的物理上限。当设计流域缺少足够的时空分布较恶劣的特大暴雨资料,而气象一致区内具有可供移置的实测特大暴雨资料时,可以采用暴雨移置法推求设计流域的。暴雨移置的实质,从资料样本的角度看,就是用空间代替时间。由于特大暴雨发生地区和设计流域在自然地理气候条件上的差异,在进行暴雨移置时,大多需要做必要的改正。
(2)移置可行性分析
暴雨移置法的关键是移置可行性分析。分析方法有:①气象一致区的划分②针对具体暴雨划定移置界线 ③针对设计流域作具体分析。
(3)移置范围
WMO认为若一个地区面积达几十万平方公里,雨量站网比较稠密,资料系列达40年以上,则可以根据气象资料、气候特征和下垫面条件明确划定移置范围;若一个地区雨量站网比较稀疏,资料系列不长,暴雨移置范围不便明确划定,此时暴雨移置范围可适当放宽;在热带地区,海域宽广,实测雨量资料更为稀少,移置范围更可放宽。
(4)移置改正
设计流域和移置区两地由于区域形状、地理位置、地形等条件差异而造成降雨量不同,因此,暴雨移置时需作移置改正,即流域形状改正、地理改正和地形改正。其中①地理改正只考虑水汽改正,即因地理位置上差异而造成水汽条件不同所作的改正。②地形改正包括水汽改正和动力改正两个方面,地形差异不足以引起暴雨机制的较大变化,则可以不考虑动力改正,只考虑水汽改正(平原、浅山区常用的方法)。水汽改正有障碍改正和高程改正两种,前者是指移置前后水汽入流方向障碍高程差异而使入流水汽增减的改正,后者是指移置前后两地区地面高程不同而使水汽增减的改正。两种改正只能取其一种,流域入流边界的高程若接近流域平均高程,则采用高程改正;若高于流域平均高程,则用障碍改正。③流域形状改正是任何暴雨移置必须进行的改正。
暴雨组合法
对于大面积长历时的PMP,可用暴雨组合法估算。此时可以将两场或两场以上的暴雨,按天气气候学原理,合理地组合在一起,构成一个新的暴雨序列,以之作为典型暴雨来推求。组合方式一般是从时间上进行组合,必要时也可以从空间上进行组合,或从时间和空间上均进行组合。
(1)时间组合。暴雨时间组合就是将两场或两场以上暴雨的雨量过程,合理地衔接起来。衔接时注意保持一个合理的时距,以便使前一天气过程能演变为后一过程。所用组合单元,均是本流域实测的。时间组合又分为两种:①相似过程替换法,以设计流域实测特大暴雨过程为基础,将典型暴雨中雨量较小的一次或数次降雨过程,用历史上环流形势基本相似、天气系统大致相同而降雨量较大的另一场或数场暴雨过程予以替换,从而构成一新的暴雨序列。②演变
趋势分析法,是从天气形势的发展趋势上来进行组合,即以实测资料中降水量最大的一个或数个天气过程作为组合基点,然后从该基点出发,按天气过程演变趋势的统计规律向前进行组合,以构成一较长历时的新暴雨序列。
(2)空间组合。空间组合一般是将发生在设计流域及其附近的暴雨移置到流域中的一个或多个危险位置,以使流域产生最大洪水。换言之,空间组合就是将暴雨单元在空间上重新排位,来加强造洪效果。当设计流域面积较大,流域上、下游分属两个暴雨区或一为暴雨区,另一为非暴雨区时,需要考虑空间组合。
概化估算法
(1)概述
将暴雨放大、移置、外包来估算的一套方法。这种方法的基本思路是把的估算分为非山岳地区和山岳地区分别进行。非山岳地区的降水假定是由天气系统过境而产生的,山岳地区的降水假定是由天气系统过境和地形影响共同产生。由天气系统引起的降水简称辐合雨或辐合分量,由地形引起的降水简称地形雨或地形分量。概化研究主要针对辐合雨而言,这种方法可用于特定流域,也可用于包括许多大大小小不同流域的大区域,后一种情况被称为概化或区域估算。概化内容包含时面深关系的概化和时空分布的概化。
概化估算法所得成果有:①PMP的雨深一种是的时面深,一种是不同历时、不同面积的等值线图。②PMP的时程分布,概化为单峰型。③PMP的空间分布,概化为一组同心相似的椭圆形图形。④对山岳地区还有若干相关图或某些反映地形影响的参数的等值线图,以便将辐合分量转化为山岳地区的。
(2)概化估算法计算步骤
时面深概化法推求包括四个步骤:①将实测大暴雨加以极大化一般只进行水汽放大;②将极大化后的暴雨移置到设计地区;③将这些极大化了的并可移入设计地区的大暴雨时面深关系加以外包,作为各暴雨面上的可能最大暴雨量;④将暴雨面上的可能最大暴雨量应用于设计流域,求得流域面上的可能最大暴雨。
这套方法在美国适用于平原地区面积 52000 km以下,山区面积 13000 km以下,降雨历时在6小时一72小时的可能最大暴雨估算。
PMP等值线图
为了规划设计的便利,可以制成 PMP等值线图,中国及其各省的可能最大24小时点雨量等值线图已制成。PMP等值线图能够很好地反映PMP在地区上的分布,为小流域PMP、PMF计算提供了便利。
必须说明的是,由PMP等值线图查得的数值,仅仅代表区域内PMP的一般情况。对于特殊流域(如地形特殊等)还应当作补充研究与修正。
PMP估算成果评价
PMP估算的成果是否安全可靠,是水文工作者常遇到的一个问题。E.M.汉森认为,无法知道什么是的真值,仅仅能做到所提出的成果是现有知识及资料基础上的最好估值。其可靠性主要从采用资料的可靠性和计算过程的科学性进行检查,其安全性采用比较法,与本流域及邻近地区实测或历史大暴雨进行比较,还可与世界最大记录进行比较。美国把已完成PMP成果与实测大暴雨记录进行了比较,绝大多数实测暴雨小于同样面积和历时的PMP,只有个别创世界记录的特大暴雨略超过PMP。
现代气象科学关于暴雨物理机制的知识还不足以精确计算大暴雨的极大值,因而,对可能最大降水的估算值必须进行多方面合理性分析。