降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统技术方案

本发明专利技术公开了降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统，涉及防灾减灾的水文气象技术领域，可以查看分析研究区内任意点(包括观测雨量站点及无资料地点)在不同设计时段、不同频率(重现期)下的频率估计值；可以根据不同的插值方法查看分析不同时段、不同频率(重现期)的暴雨高风险区划图；还可以进行暴雨量级分析，通过实时雨量数据更新，进行暴雨灾害气象风险预警等。该系统可用于指导地区防洪规划、城市内涝防治规划、工程建设规划设计以及洪涝灾害的预防预警等领域的工作。具体方案包括：降雨频率估计值及暴雨高风险区划图分析单元、暴雨分析单元和实时分析单元。暴雨分析单元和实时分析单元。暴雨分析单元和实时分析单元。

【技术实现步骤摘要】
降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统


[0001]本专利技术涉及防灾减灾的水文气象
，更具体地说，它涉及降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统。

技术介绍

[0002]暴雨及其引发的洪涝灾害是我国最主要的自然灾害之一，严重威胁着我国社会经济可持续发展和人民生命财产安全。如何加强洪涝灾害的预警，如何科学地进行防洪规划设计，是当前防洪减灾工作的重要问题。特别是突发性强的山洪灾害和中小河流洪涝灾害的预报既难又不可靠，预防和预警就成为防灾的重要技术手段。
[0003]根据暴雨资料推算的设计洪水，是我国防洪设计标准的重要依据之一，其理论基础是水文频率计算。我国传统的频率计算方法可概括为“一点一线加双眼”，也就是单点、单时段、P-III型曲线、常规矩法估算的目估适线法。这种方法仅侧重于单站情况下的线型及参数估计问题，而没有考虑利用地区的整体水文气象信息，估算成果的准确性往往受限于站点资料的缺乏。单站分析只能获得单站点的频率估计值，关于暴雨设计值的空间分布往往只谈论点-面关系，尚无法涉及暴雨雨强的空间分布。
[0004]依据我国规范的标准，目前我国绝大多数水文频率曲线的总体线型采用P
-Ⅲ
型分布，虽然用常规矩法估算的P
-Ⅲ
型曲线能够拟合大多数水文资料系列，但是有些地区的应用情况并不理想。应用常规矩法估计的参数偏小，因而所得的频率估计值偏小，而且无法解决参数估计过程的不偏性以及无法解决对特大值的稳健性要求；目估适线法虽然能在一定程度上利用地区水文信息，但其经验性、主观性、任意性较大，估算成果因人而异，不稳定；特别当样本系列含有特大值时，显得无能为力。
[0005]因此，目前我国范围内用作防洪标准的频率估计值普遍准确性较低，在极端水文气象事件频发的今天，已经无法满足工程设计以及地区防洪规划对防洪设计标准的要求。而目前我国仍然没有一套编制时-空全覆盖的基于水文气象地区线性矩法的降雨频率图集和暴雨高风险区划的可视化分析应用系统，这是涉水行业基础研究工作的基础。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统，该系统可以查看分析研究区内任意点(包括观测雨量站点及无资料地点)在不同设计时段、不同频率(重现期)下的频率估计值；可以根据不同的插值方法查看分析不同时段、不同频率(重现期)的暴雨高风险区划图；还可以进行暴雨量级分析，通过实时雨量数据更新，进行暴雨灾害气象风险预警等。该系统可用于指导地区防洪规划、城市内涝防治规划、工程建设规划设计以及洪涝灾害的预防预警等领域的工作。
[0007]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0008]基于水文气象地区线性矩法，进行水文频率分析，计算降雨频率估计值，绘制暴雨高风险区划图，包括以下步骤：
[0009]S1：资料收集、筛选和质量控制；
[0010]S2：“地区线性矩法”适用性和优越性分析；
[0011]S3：水文气象一致区划分；
[0012]S4：一致区最优分布线性选择；
[0013]S5：频率估计值计算和时空一致性调整；
[0014]S6：暴雨高风险区划图绘制。
[0015]作为一种优选方案，S1过程中，收集研究区及周围缓冲区气象和水文部门的雨量站资料，包括站点经纬度、高程、观测的起止年份和搬迁情况，以及站点不同时段的历史年极值降雨系列资料；收集研究区历年来具有代表性的洪涝灾害易发区、多发区的调查资料，以及历年来因暴雨所诱发的重大洪涝灾害的灾情资料，包括暴雨的时间、地点、量级、暴雨天气系统和受灾情况；
[0016]质量控制包括检查所收集到的历史年极值降雨系列资料是否适合地区频率分析所需要满足的代表性、可靠性、随机性和一致性原则，具体为：
[0017]代表性：在雨量站网密度较大的区域，时间上优先选择实测年限较长、观测连续并具有代表性的站点，实测年限较短的站点作为补充；空间上选用在研究区内分布基本均匀并具有不同高程的雨量站；
[0018]可靠性：采用观测精度高、观测项目多的站点，对于可靠性差且无法有效修正的降水量资料予以舍弃；
[0019]随机性：对资料系列进行随机性检验，判断检验所用资料是否随机抽取自同一个总体；由于用于分析计算的资料必须是某个时段的年最大值，这就保证了这些资料没有内在的联系，再进行资料系列的随机性检验加以确证；
[0020]一致性：当同一站点的时段年极值降雨系列由于缺测或其它原因被无资料时段分割成两个子系列时，对子系列进行同一分布总体的检验。
[0021]作为一种优选方案，S2过程中，利用研究区资料分析线性矩法在参数估计时的不偏性和对特大值的稳健性；
[0022]线性矩法的不偏性：采用蒙特卡洛模拟方法，假定某种线型，按照各个站点的原始有效记录长度进行1000次的模拟，分别应用线性矩法与常规矩法求出生成数据的平均线性矩偏态系数L-Cs和平均偏态系数Cs，然后将获得的上述系数与由该站原始数据计算得到的线性矩偏态系数L-Cs和常规矩偏态系数Cs，分别绘制X-Y散点图进行对比分析，验证线性矩法在参数估计过程的不偏性；
[0023]线性矩法对特大值的稳健性：选取包含降雨特大值的站点进行分析，在保持样本统计参数不变的情况下，经人工资料生成，将降雨系列延长至500年，然后把这个模拟长系列资料当作实测资料系列，假定某种线型，生成1000组新的资料样本系列，分别应用线性矩法与常规矩法求出生成数据的平均线性矩偏态系数L-Cs和平均偏态系数Cs，然后将获得的上述系数与由该站原始数据计算得到的线性矩偏态系数L-Cs和常规矩偏态系数Cs，分别绘制X-Y散点图进行对比分析，验证线性矩法对特大值的稳健性。
[0024]作为一种优选方案，S3过程包括以下步骤：
[0025]T1，缓冲区划定：基于研究区内站点资料，还需要利用研究区周边缓冲区内的站点资料，缓冲区的范围根据实际一致区子区的范围来定，缓冲区的距离一般取子区长度的一
半，缓冲区的设置将保证一致区内靠近外边界地区频率估计值的可靠性；
[0026]T2，气象相似性的判定：划分水文气象一致区，保证水文气象一致区内的水汽入流和气象成因背景一致；
[0027]T3，水文相似性判定：对所划分的子区内各站点的水文统计参数线性矩离差系数L-Cv和线性矩偏态系数L-Cs分别进行判定，使得L-Cv和L-Cs的统计特性在一定的容忍度内一致；L-Cv采用基于L-Cv计算值的异质性检验指标进行判定：
[0028][0029][0030][0031]式中，N为该子区中雨量站点的个数，n
i
为该子区内第i个雨量站点的历史年极值降雨系列长度，t
(i)
为该子区中第i个雨量站点的历史年极值降雨系列的L-Cv，t
R
为按照各站点的资料系列长度进行加权平均得到的区域平均L-Cv，则V1为样本L-Cv按照各个站点系列长度的加权标准差，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统，其特征在于，分析单元包括：降雨频率估计值及暴雨高风险区划图分析单元、暴雨分析单元和实时分析单元，查看功能选择包括语言、插值方法、设计时段、重现期、站点显示、暴雨高风险区划图显示和网格显示的功能选择；降雨频率图集数字化和暴雨高风险区划可视化分析系统的数据包括基于水文气象地区线性矩法对研究区不同时段历史年极值降雨系列进行水文频率分析所得的降雨频率估计值，频率估计值计算方法为：对研究区进行水文气象一致区划分并选择最优分布线型，一致区内各站点的年极值降雨数据可以分解成共性分量和个性分量，个性分量即各站年极值降雨的平均值，将站点年极值降雨系列去均值化后即得到反映地区共性的降雨分量，计算各一致区共性分量的加权的区域线性矩离差系数t
R
、偏态系数和峰度系数和峰度系数和峰度系数式中，N为一致区内雨量站点个数，n
i
为第i个站点的年极值降雨系列的长度；根据区域线性矩系数和概率分布函数参数之间的关系，推求所选择的最优概率分布函数的参数估计值，确定各一致区配合数据最佳的无量纲的概率分布曲线所对应的不同频率下的估计值，即一致区内反映该地区共有的降雨特性的无量纲的地区频率因子；q
T,j
表示第j一致区的地区频率因子，代表第j一致区内第i站的多年年极值降雨的平均值，则第j一致区内的第i站点的降雨频率估计值：式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林炳章，廖一帆，徐磊，商慧，梁冀雨，丁辉，
申请(专利权)人：艾莫瑞信息技术咨询厦门有限公司，
类型：发明
国别省市：