水文气象学

水文气象学 - 研究简史

20世纪30年代，美国天气局成立水文气象处，从气象资料推算可能最大降水和可能最大洪水，以满足防洪建筑设计的需要，这是水文和气象相结合的开始。随着气象雷达、气象卫星等探测技术的发展，从60年代以来，降水监测的水平有了很大提高，为降水短时预报与洪水预报的结合创造了条件，使水文气象学得到了新的发展。

在水文循环中，下渗、地下水及地面径流等，纯属水文学的研究范畴；而降水和蒸发，则为水文学和气象学共同关注的问题。从水文气象学的角度研究降水和蒸发主要有以下三个问题：与洪水预报相关的降水监测和预报，可能最大降水量的估算，蒸发量的估算。

在水文循环中，下渗、地下水及地面径流等，纯属水文学的研究范畴；而降水和蒸发，则为水文学和气象学共同关注的问题。从水文气象学的角度研究降水与蒸发，主要有以下3方面的内容：

①降水的监测和预报。除通过水文和气象部门的水文站、气象站和雨量站用雨（雪）量器直接测量雨（雪）量和降水强度外，对于无测站的广大地区，采用天气雷达估算降水及卫星云图估算降水与实测降水量相结合的办法进行监测。水文气象学的降水预报，重点是将降雨的预报模型与洪水模型结合起来，针对防洪要求作出未来暴雨、洪水可能发生地区的预报；鉴别和判断流域发生非常洪水的可能性；洪水发生

后，预测洪水发展趋势，以及库区来水预报等 。

②可能最大降水（PMP）。指特定流域范围内一定历时（为50年一遇、100年一遇）可能的理论最大降水量。这是大型水利工程枢纽设计的重要参数。计算可能最大降水量的方法一般有：统计学方法，气象成因法和暴雨移置法。

③流域总蒸发。指流域或区域内水体（江、河、湖、库）蒸发、土壤蒸发、植物蒸散、冰雪蒸发和潜水蒸发的总和。通常由流域多年平均降水量与径流量的差值求得。

降水的监测 　

指在时间和空间上监测降雨量、降雨强度（在降雪地区监测雪的覆盖面积和雪深）。测定降雨量和降雨强度的方法，有直接测定(降雨用雨量器、雪深用量雪尺测量)和间接测定（雷达、卫星云图估算）两种。

①雨量器测量。根据降雨类型以及降雨资料的预期用途，用雨量器测量降水，雨量站网必需有一定的空间密度、观测频次和传递资料的时间。中国的雨量观测站，水文部门约 2万个，气象部门约2400个（均未包括台湾省的测站，也未包括气象哨和其他专业部门的站），站点分布尚不够均匀，大部分偏集在东部地区。

②天气雷达估算降雨。和雨量器观测相比，天气雷达具有覆盖面积大、分辨率高的优点，其有效半径一般为 200多公里，可提供一定区域上降雨量和降雨时空分布的资料。一个带有计算机的雷达可提供一定面积上的降雨强度和降雨总量(见雷达测量降水)。70年代以来，天气雷达已在很多国家的洪水预报警报和城市水资源管理上发挥了重要作用。

③卫星云图估算降雨。气象卫星观测以其瞬时观测范围大，资料传递迅速的优点胜于雷达观测。70年代初期曾根据卫星云图照片并与天气雷达资料相比照，估计长历时和短历时降雨量。70年代末以来，欧洲和美洲的一些国家，对卫星云图可见光波段的反射辐射和红外窗区波段（见大气窗区）的辐射强度进行数字化，利用增强显示的数字化云图估算降雨量已取得了一定的成效，进而由估算的降雨量推算洪水也已开始试验。该方法往往由于非降水云的云层覆盖，难以分辨出降水云而影响对降雨的估算。这一缺点通过卫星载微波辐射仪（见微波大气遥感）有可能得到解决。此外，由卫星云图还可以标出积雪范围和粗估雪深。

降水预报 　
就降水预报而言，水文气象学与气象学没有什么不同。水文气象学的降雨（或融雪）预报是针对河道防汛、水库防洪、兴利调度以及工程施工的实际需要而进行的专业化预报。

降雨（融雪）、洪水、洪灾三者既有内在联系又有本质差别。降雨（融雪）不等于洪水，必需在一定流域下垫面和水系情况下才能造成洪水。洪水也不等于洪灾，造成洪灾有多方面原因。因此水文气象预报力图将大气环流等气象条件与水文特征紧密联系起来，把降雨的天气模型与洪水模型结合起来（在积雪地区则要考虑融雪率及其径流问题）。一般在进行降雨预报的同时，还根据河流流域地貌、流域水分状况、水利工程质量和标准以及降雨和径流的关系等因素，针对防洪要求作出未来暴雨、洪水可能发生地区的预报；鉴别和判断流域发生非常洪水的可能性；洪水发生后，预测洪水发展趋势，以及库区来水预报等。为了提高暴雨落区、落点、落时预报的精度，已发展一种以气象卫星、气象雷达、常规气象观测资料相结合的暴雨监视和短时预报(见天气预报)，预报时效为几小时到十几小时，预报精度较高。它有可能将降雨预报和洪水预报完全结合起来，从而延长洪水预报时效并提高洪水预报精度。

可能最大降水(PMP) 　
PMP是指特定流域范围内一定历时可能的理论最大降水量。这种降水量对于大型水利枢纽的设计运用是十分重要的。一般这些工程要采用可能最大洪水 (PMF)作为保坝标准。推求可能最大洪水的方法之一，是先确定可能最大降水。确定可能最大降水的方法很多，概括起来有两种。一种是暴雨(或融雪)频率分析，即根据实测的和调查的暴雨(或融雪)资料，推算出极为稀遇频率的降水量，一般称为统计学方法。另一种是根据形成暴雨的基本因素──水汽和动力条件，拟订合理的模式，使这些影响因素的指标极大化，取其在气象上所能接受的物理上限值，然后将这些指标组合在一起，构成更严重的、但在气象上和水文上可接受的时序，一般称为气象成因法。此外，还有暴雨移置法等。中国可能最大降水的估算工作自1975年后得到了迅速的发展。1977年编绘了“中国可能最大24小时点雨量等值线图(试用稿)”以及相应的“中国实测和调查最大24小时点雨量分布图”、“中国年最大24小时点雨量均值等值线图”和“中国年最大24小时变差系数等值线图”等。

水体的水面蒸发和流域总蒸发 　
水面蒸发 　
指某一地区大水体的水面蒸发量，一般用蒸发器测定水面蒸发，但由于蒸发器与实际水体的自然条件不同，器测的蒸发量一般均大于自然的水面蒸发，且随器皿的形式、安装方式和不同季节而异，因此必须通过实验，求出蒸发器的折算系数，以此估算实际蒸发量。另外，也可根据蒸发控制因素的观测资料，即通过水体热量平衡、水量平衡等一些气象、水文因素间接计算出水面蒸发量。

流域总蒸发 　
又称陆面蒸发，一般以 E表示。系指流域或区域内水体蒸发、土壤蒸发、 植物散发、 冰雪蒸发和潜水蒸发的总和。通常由流域多年平均的降水量(P)与径流量 (R)的差值E＝P －R 间接求得。流域总蒸发的大小受可能蒸发和供水条件（即蒸发面上可以获得水分补充的程度）的制约。在干旱和半干旱地区，由于降水稀少，可能蒸发率大大超过供水能力，流域的年总蒸发接近或等于年降水量。湿润地区，流域总蒸发和本区的水面蒸发接近或相等。半湿润地区的陆面蒸发介于上述两种情况之间，即受供水条件或可能蒸发的控制。就海洋和大陆而言，海洋上的蒸发量大于降水量，大陆上的蒸发量小于降水量，因此必需有海洋向大陆的水分净输送。

“水文气象学”是由来已久的名词。其大意是水文与气象知识的交叉和汇合。主要点在气象知识在水文方面的应用（如流域的洪水预报等）。在某些国家水文与气象合属一个部门管理。中国气象学会有水文气象专门委员会。

“水文气象学”这个名词的弱点有二。一是把水文知识局限与地面与地下。而把空中水的知识全部送给了气象学。其实，水科学（水文学）应当包括空中（大气）、地表和地下水的知识，其结果是空中水知识散居气象学各个部分，不成系统。二是在水文气象的名义下并没有推进空中水知识的整理与提高。“空中水文学”（大气水文学）是在2004年正是提出的词，它让水文学闯入空中（大气），使水文学更完整了。并且提出建立空中水文学框架的10个方面。而这个框架的建立就意味着一个独立学科的形成，而不是离散的寄生在气象学内。

一旦空中水文学的基本知识形成论着、教材，它是水文与气象的高等教育的基础课程。它使毕业生在降水预报、洪水预报、人工影响天气、水资源利用、流域改造的实践水平提高一步。中国是水文气象灾害严重的国家，应当在这个方面多努力。