第三章 降雨和截留

第三章降雨和截留一、降水及其分類定義：是指液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物，從天空下降至地面而成的液態(tài)水或固態(tài)水的現(xiàn)象。降水是氣象要素之一，也是水循環(huán)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。是各種氣象因素相互作用的結(jié)果，人類無法控制降水過程，但是可以影響。有雨、雪、露、霜、雹等形式。1、降水的成因（1）大氣中存在水分，即水汽；（2）降溫，降至露點(diǎn)溫度以下，或空氣冷卻；（3）大氣中存在吸水性的微粒（凝結(jié)核）。露點(diǎn)：空氣中非飽和氣體達(dá)到飽和氣壓時(shí)的溫度。大氣凝結(jié)核：飄浮在大氣中的塵粒，直徑約0.001-10μm?；瘜W(xué)成分復(fù)雜，最常見的是氯、氮、碳、鎂、鈉、鈣等化合物。飽和氣壓和氣體溫度之間的關(guān)系當(dāng)滿足以下三個(gè)條件時(shí)，就會(huì)發(fā)生降雨：（1）大氣變得飽和；（2）在大氣中存在小顆粒（如塵埃、海鹽），冷凝核升華作用下可在這些小顆粒上發(fā)生；（3）水珠或冰珠相互結(jié)合，這些水珠或冰珠變得比較大時(shí)就能克服向上的力量到達(dá)地面上。2、降雨的分類及其特性對(duì)流雨地形雨鋒面雨臺(tái)風(fēng)雨對(duì)流雨發(fā)生的條件：地面受輻射溫度升高，下層暖濕空氣膨脹上升，上層溫度較低的空氣則下沉補(bǔ)充。下層較暖的空氣在上升到溫度較低的高空后發(fā)生冷卻，所含的水汽凝結(jié)成云，形成降雨。發(fā)生的特點(diǎn)：對(duì)流雨是在大氣不穩(wěn)定的條件下產(chǎn)生的，多發(fā)生在夏季酷熱的午后；其水平尺度很小(0.1～50公里)，降雨歷時(shí)較短（幾十分鐘），形成陣性降水，常稱陣雨。降水強(qiáng)度的變化很大。對(duì)流性降水常伴有閃電和雷聲，稱為雷陣雨。地形雨發(fā)生條件：暖濕空氣在運(yùn)移過程中，因受地形（如山脈等）影響而被抬升，發(fā)生冷卻，所含的水汽凝結(jié)形成降雨。特點(diǎn)：地形作用一般使山的迎風(fēng)面的降水量大，而背風(fēng)面降水量減少，其特征因空氣本身的溫濕特性、運(yùn)行速度以及地形特點(diǎn)而異，差別較大。鋒面雨由于不同性質(zhì)的氣團(tuán)相遇所形成的雨稱為鋒面雨。氣團(tuán)：物理屬性在水平方向差異很小的空氣質(zhì)點(diǎn)群體。鋒面：溫度或密度差異很大的兩個(gè)氣團(tuán)相遇，接觸區(qū)形成的過渡帶稱為鋒面。鋒面是傾斜的，坡度很??；冷氣團(tuán)在下，暖氣團(tuán)在上；鋒面的厚度約1公里，水平寬度在近地面約數(shù)十公里，其高度可達(dá)400公里以上（延伸到對(duì)流層頂）。鋒面雨的類型暖鋒雨——冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，暖氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。暖空氣沿鋒面徐徐爬升，逐漸冷凝，形成降水。降雨強(qiáng)度較小，雨區(qū)面積較大。冷鋒雨——冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，冷氣團(tuán)起主導(dǎo)作用，冷空氣前緣插入暖空氣的下面，暖空氣被迫沿鋒面徐徐爬升，逐漸冷凝，形成降水。準(zhǔn)靜止鋒雨——當(dāng)冷暖氣團(tuán)勢(shì)均力敵，則鋒面在一定地區(qū)來回?cái)[動(dòng)，或移動(dòng)很緩慢呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。降雨持續(xù)時(shí)間較長，強(qiáng)度較小，雨區(qū)較廣。氣旋雨當(dāng)某一地區(qū)氣壓低于四周氣壓而形成低壓區(qū)時(shí)，四周氣流即要向低壓區(qū)輻合匯集。由于地轉(zhuǎn)力的影響，北半球輻合氣流是沿逆時(shí)針方向流入的。氣流匯入后受熱再轉(zhuǎn)而上升，上升氣流中的水汽因而冷卻凝結(jié)，形成降雨?？沙霈F(xiàn)大范圍降雨和大風(fēng)的天氣現(xiàn)象，稱為氣旋雨。降雨持續(xù)時(shí)間長范圍大，除臺(tái)風(fēng)雨之外，強(qiáng)度相對(duì)較小。葫蘆峪—諸葛亮沒學(xué)好氣象知識(shí)六出祁山失敗3、降水的影響因素地理位置緯度、距離海洋的遠(yuǎn)近氣旋、臺(tái)風(fēng)路徑等氣象因素地形坡度、高程、山脈缺口和海峽其他因素森林、水體、人類活動(dòng)二、降水要素及測(cè)量1、降水要素：降雨量（深）（mm）：點(diǎn)、面降雨歷時(shí)（min、h、d）降雨強(qiáng)度（mm/min、mm/h）：平均、瞬時(shí)降雨面積（k㎡）2、降雨的測(cè)量降水可以用以下參數(shù)來表示：降雨總量（或降水深度）降雨強(qiáng)度（降水深度/降水時(shí)間）降水的時(shí)空分布2.1測(cè)量方法測(cè)量降雨最通用的方法是使用一系列的雨量器。一般使用3種類型的雨量器：標(biāo)準(zhǔn)雨量器儲(chǔ)存式雨量器記錄式雨量器圖3.3測(cè)量降雨的雨量器降雨的測(cè)量精度受到雨量器所在位置的周圍環(huán)境的影響，也受到流域上測(cè)量位置之間關(guān)系的影響。通常應(yīng)將雨量器裝在比較平坦的地方，使漏斗的開口處于水平位置，漏斗口邊緣應(yīng)距地面約1m高。雨量器應(yīng)距周圍物體足夠遠(yuǎn)。圖3.4雨量器與周圍物體之間的適當(dāng)距離同時(shí)，風(fēng)速會(huì)影響雨量器儲(chǔ)雨的有效性，應(yīng)該使用擋風(fēng)裝置減少風(fēng)的渦流影響。

表3.1風(fēng)速對(duì)標(biāo)準(zhǔn)雨量器儲(chǔ)水的影響風(fēng)速雨量器的儲(chǔ)水有效性/(km/hr)雨雪010010089480247453405940805027

2.2計(jì)算平均降雨量的方法（1）算數(shù)平均法：最簡單的方法。

在每個(gè)雨量站的日降雨量的測(cè)量值如下

泰斯多邊形：站降雨多邊形面積所占比例體積/cmA4×0.28=1.12B8×0.09=0.72C10×0.49=4.90

D6×0.14=0.84和7.58（2）泰斯多邊形：當(dāng)測(cè)點(diǎn)在某一區(qū)域上不是均勻分布時(shí)，此法可提高區(qū)域上平均降雨量的估計(jì)精度。

例3.1用泰斯多邊形法計(jì)算如圖3.6所示的區(qū)域的平均降雨深度。解：表示研究區(qū)域測(cè)量點(diǎn)的空間分布和測(cè)量值；連接各測(cè)點(diǎn)形成三角形，原則是竟可能使各三角形中的每個(gè)角度小90°；畫出三角形各邊的垂直平分線，垂直平分線一端和垂心相連，將另一端延伸直到與區(qū)域的邊界相連，這些垂直平分線和邊界就形成泰斯多邊形計(jì)算每一個(gè)多邊形的面積，最簡單的方法是利用具有大小不同網(wǎng)格的坐標(biāo)紙，用數(shù)網(wǎng)格法來確定。圖3.6用泰斯多邊形法計(jì)算平均降雨深度步驟根據(jù)處于每個(gè)多邊形中的降雨深度測(cè)量值和對(duì)應(yīng)多邊形面積，就可以計(jì)算區(qū)域上的平均將與深度（p*）：p*=（65×1.81+150×2.15+269×2.26+216×2.18+56×1.62+136×1.80）/（65+150+169+216+56+136）=2.08（in）（3）等雨量線法：根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的位置和測(cè)量值，繪出降雨等值線圖。區(qū)域內(nèi)外的測(cè)量值都可以用來估計(jì)降雨的分布，根據(jù)等值線及其劃分的小區(qū)域就可以計(jì)算平均降雨量。（4）地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法：為了充分考慮降雨分布的空間變異性，可使用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法來獲得等雨量線，從而提高平均降雨量的估計(jì)精度。3、降雨的分析方法3.1估計(jì)迷失的測(cè)量點(diǎn)和降雨量如果鄰近雨量站的資料與迷失站資料的差別在±10%內(nèi)可用插值法。如，有以下資料：

雨量站

A

B

C

D11個(gè)月的累計(jì)降雨（cm）2124232212個(gè)月的累計(jì)降雨（cm）232525？如果雨量站間測(cè)量值的差別超過±10%的范圍，就應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)比例的方法，其表達(dá)式：

式中：px：x站的估計(jì)降雨量；

N1，···，Nn，Nx：某一時(shí)段內(nèi)（如一年、一季度或一個(gè)月）在第1至第n個(gè)雨量站以及雨量站x用作計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)比例的降雨量；

p1，···，pn：在估計(jì)時(shí)段第1至第n個(gè)雨量站的降雨量。

雨量站

A

B

C

D11各月的累計(jì)降雨（cm）3436263012各月的累計(jì)降雨（cm）364032？用11個(gè)月各站的累積降雨量來作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)比例，從而估計(jì)D站12月份累積的降雨量：3.2數(shù)據(jù)系列的修正在與鄰近雨量站的資料進(jìn)行比較時(shí)，如出現(xiàn)資料的不連貫性時(shí)，就應(yīng)該需要對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行修正。如圖所示，雨量站E與雨量站H和I的測(cè)量值多年來都具有很好的線性相關(guān)，但1970年后，這種關(guān)系改變了。3.3頻率分析我們依賴于某一時(shí)段降雨量的統(tǒng)計(jì)分析，通過這些分析，來確定過去降雨事件的頻率分布，然后根據(jù)這些頻率分布來估計(jì)未來某一時(shí)段內(nèi)某些事情發(fā)生的概率和可能性。頻率分析的目的是建立頻率（概率）曲線，它是降雨事件與其發(fā)生的頻率（p）或回復(fù)期（Tr）之間的關(guān)系。式中：n是所使用的分析資料的總年數(shù)；m是降雨事件的排列位置（或排序）。圖3.8日最大降雨量與其發(fā)生的頻率和回復(fù)期之間的關(guān)系年份降雨量（cm）197132.73197231.16197334.43197439.04197532.26197631.53197738.72197839.45197932.54198021.55198123.61198226.25198328.01198427.31198535.08198627.21198726.33198827.97198928.09199034.63年份降雨量（cm）排序頻率197839.4510.05197439.0420.10197738.7230.14198535.0840.19199034.6350.24197334.4360.29197132.7370.33197932.5480.38197532.2690.43197631.53100.48197231.16110.52198928.09120.57198328.01130.62198827.97140.67198427.31150.71198627.21160.76198726.33170.81198226.25180.86198123.61190.90198021.55200.95頻率降雨量（cm）0.0539.450.1039.040.1438.720.1935.080.2434.630.2934.430.3332.730.3832.540.4332.260.4831.530.5231.160.5728.090.6228.010.6727.970.7127.310.7627.210.8126.330.8626.250.9023.610.9521.55思考題：回復(fù)期p期望值期望值220.530.8930.65200.0538.8439.251000.0139.5440.08一旦有了降雨頻率曲線，就可以確定某一時(shí)間超過某一降雨量的概率。概率為p的降雨事件在N年內(nèi)發(fā)生x次或超過x次的概率為：那么概率為p的降雨事件在N年內(nèi)至少發(fā)生一次的概率為：3.4降雨深度與面積和時(shí)段的關(guān)系由于降雨在空間上是非均勻分布的，所以隨著流域面積的增大，對(duì)應(yīng)于給定概率的降雨深度就會(huì)減少（圖3.9）。另外，在給定面積上，某一給定時(shí)段的降雨強(qiáng)度越大，等于或超過這一降雨量的概率就越小。圖3.9日最大降雨量與流域面積和降雨時(shí)段之間的關(guān)系4、截留和凈降水一旦發(fā)生降雨或降雪，植被的類型、植被覆蓋程度和條件就會(huì)影響到達(dá)地表的降水量和分配方式。森林具有最大的截留損失。灌草和枯落物也截留部分降水。部分滲入土壤。不同地面（裸露地、林地）承接降水情況示意圖（1）裸露地（2）林地4.1林冠截留

降落到森林中的雨滴，受到林冠的阻擋即林冠截留，引起降雨的再分配。附加截留量（additionprecipitation）：林冠截留的雨水直接蒸發(fā)返回大氣中的雨量。林冠滴下雨量（drops）：由于表面張力和重力失去平衡或由于風(fēng)吹動(dòng)而從林冠滴下的雨量。樹干截留量（stemflow）：又稱干流量或莖流量，順著樹干流到地面的雨量。林冠通過雨量（throughfall）：直接穿過林冠間隙落到林地上的雨量，亦稱穿透雨量。樹體吸水量（stemabsorption）：或樹干吸水量，樹體本身吸收的比例很小的部分雨量。林冠截留儲(chǔ)量：當(dāng)一次連續(xù)降雨終止時(shí)，林冠攔截儲(chǔ)留在枝葉上的雨量。

林冠截留量（crownprecipitation）：林冠截留量（ri）是林冠截留儲(chǔ)量（Pv）、附加截留量（Pa）和樹干容水量（Pts）之和，即：ri=Pv+Pa+Pts由于Pa和Pts很小，故ri≈Pv，因此林冠截留量（承雨量）就是指林冠截留儲(chǔ)量（林冠截留蒸發(fā)量）。林冠截留量（ri）是林外雨量（P）減去林內(nèi)雨量（Pi）和干流量（Ps），即：

ri=P-Pi-Ps林冠截留率（s）：截留雨量所占林外雨量的百分比，即:

飽和截留量（

）：當(dāng)林冠截留儲(chǔ)量不再增加時(shí)的截留量。此后，降水再增加，截留量也不增加，截留率就相對(duì)減少了。降雪的截留，大致與降雨相同，形成冠雪。冠雪變成融雪水也可形成干流。林冠截留包括降雨、降雪等，但如果不是特指，降水是指降雨。影響林冠截留的因子Ⅰ.內(nèi)因:1.林冠特征：冠幅、冠高、枝葉數(shù)量、葉面積指數(shù)、

濕潤程度等；

2.林分特征：樹種、組成、結(jié)構(gòu)、林齡、郁閉度等。Ⅱ.外因:1.氣候和地形特征：風(fēng)速、風(fēng)向、地形、坡度等；

2.降水特征：降水量、降水特征和空氣濕度等。（1）降水量與截留量降水初期，降水量大，截留量亦大，但不是直線關(guān)系。當(dāng)降水量達(dá)到一定程度時(shí)，截留量達(dá)到飽和，而截留率則相反。據(jù)牡丹江水保站觀測(cè)，17年生的云杉林當(dāng)降水量分別為7.6mm和11.3mm時(shí)，截留率高達(dá)62.3％和51.3％，小雨幾乎被吸收，而當(dāng)降水量為42.6mm時(shí)，截留率只有8.7％。費(fèi)道羅夫：降水<5mm，截留率>50％;降水>5mm，截留率<20％。（2）降水特性與截留量降水強(qiáng)度：降水強(qiáng)度大，雨滴大，截留率低；降水強(qiáng)度小，雨滴小，截留率高。降水歷時(shí)：歷時(shí)短，截留率低；歷時(shí)長，截留率高。（3）樹種與截留率樹種不同，其枝葉密度、樹冠大小和形狀不同，截留率也不同。一般說來，針葉樹枝葉密集，層次多，或水平輪狀重疊分布，枝葉面積大，故截留率大；闊葉樹較針葉樹枝葉稀疏，層次少，枝葉總量少，故截留率小。灌木截留率居兩者之間綜合許多研究：針葉樹的截留率約為25～45％，而闊葉樹則為20～25％。（4）林冠特性與截留量林冠郁閉度大，冠層深厚，枝葉表面積大，因而附著于葉表面的降水也多，反之，截留量就小。據(jù)傅恩輝1975～1978年在祁連山觀測(cè)云杉林，郁閉度為0.3時(shí)，截留率為14.7％～24.7％；而郁閉度為0.6時(shí)，截留率為22.9％～31.2％。林冠枝葉的濕潤狀況（與前次降雨的時(shí)間間隔）（5）氣象條件與截留量風(fēng)速：風(fēng)能吹走枝葉表面的截留降水，使截留量減少，又能使截留降水蒸發(fā)到大氣中。對(duì)于連續(xù)性降水，能增大截留量，即增加附加截留量。前期降水：與前次降水相隔時(shí)段愈長，林冠愈干燥，截留雨水能力增大；反之，相隔時(shí)段短，林冠濕潤，截留能力就小。林冠截留的水文效應(yīng)（1）降雨滯后效應(yīng)由于林冠截留，林內(nèi)降雨的開始時(shí)間與林外降雨并不同步，一般會(huì)出現(xiàn)滯后效應(yīng)。（2）降雨歷時(shí)延長效應(yīng)截留在林冠上的雨水，會(huì)因?yàn)榻涤赀^程而不斷滴落到林下，即使在降雨停止后，林冠上的超飽和雨水還會(huì)滴落下來。（杉木20-30）（3）降水總量減少和降水強(qiáng)度減弱截留在林冠上的降水最終被蒸發(fā)回到大氣中，因而降水總量減少。林內(nèi)降雨強(qiáng)度通常比林外降雨強(qiáng)度約小10％～30％。4.2下層植被截留穿過林冠的雨水，一部分與林下植被（灌木和草本等）接觸，出現(xiàn)下層植被截留過程。山西吉縣純灌木林截留率為20％左右，內(nèi)蒙古檸條灌木叢和沙柳灌木叢截留率分別為53.9％和49.7％。草本植被由于個(gè)體小，不形成冠狀層次，形狀變化大，難以準(zhǔn)確測(cè)定截留量，一般采用間接測(cè)定法。寧夏六盤山林區(qū)林下植被的截留率表4.3枯落物層截留量枯落物持水量：又稱容水量，是指單位干重的枯落物所能吸收的水量。最大持水量（W）：指將枯落物浸入水中24h后，其重量與干重的差，即：W=Wm

-Wa最大持水率（L）：枯落物充分吸水后的重量與干重的百分比，即：L

=W/Wa式中L為最大持水率（％）；W為最大持水量（g）；Wa為干重（g）；Wm為充分吸水后的重量（g）。枯落物截留量：對(duì)于一次降水的截留量，它等于該面積上枯枝落葉物雨前和雨后重量的差值。也可以用最大持水量來推算：il=（W–Ws）·Wl式中，il為截留量（mm）；W為最大持水量（mm/g）；Ws為自然含水量（mm/g）；Wl為干重（g）。影響枯枝落葉層持水量的因素（1）內(nèi)因

a.林分類型：不同林分，枯枝落葉的類型和數(shù)量有很大差異，因而其持水量也有很大差異，見下表。

表

不同森林類型死地被物容水量據(jù)南京林業(yè)大學(xué)對(duì)江蘇沿海集中人工林的測(cè)定：15年生的刺槐林，枯枝落葉厚度及吸水能力分別為2.3cm和15.4t/hm2；7年生的意楊林，枯枝落葉厚度及吸水能力分別為1.5cm和9.2t/hm2；10年生的柳杉、水杉混交林，枯枝落葉厚度及吸水能力分別為2.5cm和18.7t/hm2；12年生的竹林，枯枝落葉厚度及吸水能力分別為3.5cm和26.5t/hm2；b.林齡：隨著林齡的增加，枯枝落葉逐