專利名稱：一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)和方法，是一種用于科學(xué)實驗和對自然生態(tài)模擬的系統(tǒng)和方法，是一種具有過去、現(xiàn)在、未來區(qū)域降雨過程準(zhǔn)確模擬能力的人工降雨系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
大型模擬降雨系統(tǒng)一般都是由國家出資的大型實驗系統(tǒng)，用于大型防災(zāi)減災(zāi)或資源保護(hù)與開發(fā)利用項目的科學(xué)實驗或開發(fā)研究項目。如:美國ADMI公司研發(fā)的模擬降雨系統(tǒng)，以及日本筑波大學(xué)、日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所、中國科學(xué)院水利部水土保持研究所、長安大學(xué)、黃河水利科學(xué)研究院、北京師范大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等國內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)所擁有的模擬降雨系統(tǒng)。這種大型系統(tǒng)也可以用于對某個特定區(qū)域可能出現(xiàn)的強(qiáng)降雨等災(zāi)害性天氣進(jìn)行模擬，以便采取措施避免或減少自然災(zāi)害對社會和經(jīng)濟(jì)生活的影響?，F(xiàn)有的大型模擬降雨系統(tǒng)存在兩個問題:首先，這些模擬降雨系統(tǒng)均只能實現(xiàn)研究降雨區(qū)域內(nèi)保持相同雨強(qiáng)的降雨過程模擬。且降雨過程設(shè)定的實現(xiàn)是通過前期分析，概化出特征降雨過程的雨強(qiáng)變化過程，并將該過程作為模擬降雨裝置控制降雨過程的依據(jù)。然而，由于自然降雨特點，區(qū)域內(nèi)各點的雨強(qiáng)變化趨勢及其內(nèi)部分布具有明顯的不均一性，即同一區(qū)域在同一個降雨過程中，區(qū)域內(nèi)各個點的降雨狀態(tài)并不一致。而現(xiàn)有的模擬降雨系統(tǒng)不能模擬區(qū)域內(nèi)的不一致降雨。其次，由于現(xiàn)有的氣象資料不可能收集區(qū)域內(nèi)任意一點的降雨狀況資料，也沒有必要這樣做，但在模擬過程中如果忽略這些點的降雨變化，其結(jié)果是降雨過程的模擬精確度不足，使模擬實驗的誤差過大，不能滿足科學(xué)應(yīng)用的需要，嚴(yán)重的甚至?xí)a(chǎn)生錯誤的結(jié)論。總之，由于上述問題，目前國際上的大型模擬降雨系統(tǒng)均不能實現(xiàn)區(qū)域降雨過程的準(zhǔn)確模擬，其實驗參數(shù)往往只能作為定性分析或粗略定量分析的參考數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法具有對設(shè)定區(qū)域內(nèi)過去、現(xiàn)在和未來的降雨過程的生成和準(zhǔn)確模擬的能力。所述系統(tǒng)和方法利用水文氣象數(shù)據(jù)庫，對所述研究區(qū)域的降雨過程的生成進(jìn)行分析，產(chǎn)生準(zhǔn)確模擬降雨方案。所述系統(tǒng)有多個相互獨立的模擬降雨單元，各個降雨單元的模擬降雨過程可以獨立控制。通過多達(dá)上百個降雨單元的組合，在上千平方米的模擬區(qū)域的精確物理模型范圍內(nèi)，按照準(zhǔn)確模擬降雨方案，實現(xiàn)降雨的時間、空間變化過程的準(zhǔn)確模擬。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)，包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫，所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫與降雨過程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程生成子系統(tǒng)與降雨過程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接；所述水文氣象數(shù)據(jù)庫包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫和站點資料數(shù)據(jù)庫；所述的降雨過程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；所述的噴灑裝置由多個安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。一種使用上述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過程模擬的方法，所述方法的步驟如下:
選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫中選擇研究區(qū)域的氣
候模型；
查找站點氣候資料的步驟:用于在站點資料數(shù)據(jù)庫中查找所述研究區(qū)域的站點氣候資
料；
構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，構(gòu)建過去或未來某一時段的降雨過程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，特別是站點的降雨資料，沒有站點降雨資料的位置應(yīng)計算插值，計算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案；
尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案中所述研究區(qū)域的真實尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過程方案；
模擬降雨的步驟:用于所述的降雨控制子系統(tǒng)將準(zhǔn)確模擬降雨過程方案中的雨強(qiáng)模擬矩陣的各個矩陣單元與噴灑單元陣中的各個噴灑單元對應(yīng)，根據(jù)準(zhǔn)確模擬降雨過程方案控制噴灑單元噴灑作業(yè)，并根據(jù)傳感器監(jiān)測噴灑過程是否符合準(zhǔn)確模擬降雨過程方案。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明通過集成水文氣象數(shù)據(jù)庫、降雨過程生成系統(tǒng)、降雨過程控制系統(tǒng)和多個模擬降雨單元，實現(xiàn)對指定區(qū)域內(nèi)過去、現(xiàn)在和未來的降雨過程的生成和模擬。能夠更好的模擬自然降雨過程，對流域產(chǎn)匯流過程、缺資料地區(qū)水文水資源研究、檢驗和優(yōu)化水文站網(wǎng)配置、智慧流域研究等諸多領(lǐng)域具有重要的科學(xué)研究和實際應(yīng)用價值。為區(qū)域水文模擬研究和生產(chǎn)應(yīng)用提供科學(xué)工具。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的實施例一所述系統(tǒng)的原理示意 圖2是本發(fā)明的實施例一所述模擬降雨子系統(tǒng)的原理示意 圖3是本發(fā)明的實施例二所述噴灑單元陣的排布示意 圖4是本發(fā)明的實施例三所述噴頭的排布示意 圖5是本發(fā)明的實施例四所述的遮雨棚示意 圖6是本發(fā)明的實施例四所述的遮雨棚示意圖，是圖5中A點的放大圖。
具體實施例方式實施例一:
本實施例是一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)，如圖1所示。本實施例包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫，所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫與降雨過程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程生成子系統(tǒng)與降雨過程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程控制子系統(tǒng)與安裝在區(qū)域物理模型上的多個雨量傳感器連接(限于做圖的限制，圖1中僅繪制了 10個雨量傳感器，在實際中每個噴灑單元都應(yīng)當(dāng)至少有一到兩個雨量傳感器)。降雨過程控制子系統(tǒng)可以是通用計算機(jī)或工業(yè)控制計算機(jī)等具有控制和處理能力計算機(jī)系統(tǒng)。所述水文氣象數(shù)據(jù)庫包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫和站點資料數(shù)據(jù)庫。所述的降雨過程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置。所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:供水裝置、噴灑裝置；所述的噴灑裝置由多個安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣(圖1中繪制了一個10X10的噴灑單元陣，實際中可以有更多或少于這個數(shù)量的噴灑單元陣)。所述區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫儲存了區(qū)域氣候模型運行所需的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的來源主要是依據(jù)所采用的氣候模式維護(hù)網(wǎng)站專有數(shù)據(jù)庫建立的服務(wù)于指定區(qū)域自然降水模擬的數(shù)據(jù)庫。區(qū)域氣候模型是一種數(shù)值天氣預(yù)報模式，這種模式的堅實物理基礎(chǔ)在于依據(jù)大氣運動的普遍物理規(guī)律對區(qū)域天氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬，能夠提供比較全面的大氣要素數(shù)據(jù)。但是由于大氣運動異常復(fù)雜，數(shù)值天氣預(yù)報模式只能是大氣運動方程組的一種簡化，其預(yù)報結(jié)果仍然存在誤差。盡管如此，數(shù)值天氣預(yù)報作為區(qū)域定量降雨預(yù)報的一種先進(jìn)方法，已經(jīng)受到科學(xué)界的充分重視和研究，RegCM, T213L31、麗5以及WRF等數(shù)值天氣預(yù)報模式已經(jīng)在科學(xué)研究和實踐中發(fā)揮了重要的作用。在氣候數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動下不僅可以實現(xiàn)對過去、現(xiàn)在的區(qū)域降雨過程模擬，而且可以實現(xiàn)對未來降雨過程的模擬預(yù)報。水文氣象數(shù)據(jù)庫可以是帶有服務(wù)器的大型存儲器，也可以是通過網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，也可以是通用計算機(jī)中的存儲器。本實施例所述數(shù)值天氣預(yù)報模式可以選用中國國家氣象中心T213L31模式和HALFS模式、日本模式(JMA/GSM)、德國模式(DWD/GRE)、美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)及美國國家大氣研究中心(NCAR)的MM5和WRF模式等。其中，WRF模式(Weather Research andForecasting Model)的研究和應(yīng)用前景最為突出。WRF是由美國國家大氣研究中心(NCAR)中小尺度氣象處、國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)環(huán)境模擬中心、預(yù)報系統(tǒng)實驗室(FSL)的預(yù)報研究處和奧克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)報中心(CAPS)四單位聯(lián)合開發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式，由美國國家自然科學(xué)基金和國家海洋大氣局(NOAA)共同支持。該模式的開發(fā)計劃于1997年開始建立，2000年發(fā)布第一版，并在此后多次發(fā)布改進(jìn)版本。目前最新版為V3.4.1,于2012年8月16日免費對外發(fā)布。WRF模式分為ARW(Advanced ResearchWRF)和NMM (Nonhydrostatic Mesoscale Model)兩種，即研究用和業(yè)務(wù)用兩種形式,分別由NCEP和NCAR進(jìn)行管理維護(hù)。本實施例所述的站點資料數(shù)據(jù)庫的資料內(nèi)容主要由雨量站、水文站、氣象站等的自然環(huán)境觀測站點所收集的資料構(gòu)成。其數(shù)據(jù)來源可以是水文年鑒、國家級的氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、以及自有觀測站點的數(shù)據(jù)等。本實施例所述的降雨過程生成子系統(tǒng)通過調(diào)用區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫中數(shù)值天氣預(yù)報模式的過去、現(xiàn)在、未來預(yù)測以及設(shè)定的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對研究區(qū)域內(nèi)不同時間降雨過程的模擬，得出需要的模擬降雨過程(本實施例所述的研究區(qū)域指的是實際地面真實尺度的被研究區(qū)域，簡稱為研究區(qū)域，經(jīng)過尺度轉(zhuǎn)換后與物理模型尺度一個的區(qū)域稱為模擬區(qū)域)。通過對站點資料的分析并利用站點資料修正和補充區(qū)域氣候模型中的空白或誤差。降雨過程生成子系統(tǒng)可以普通PC，也可以是服務(wù)器、工作站等小型或中型計算機(jī)系統(tǒng)。站點資料通常情況下比區(qū)域氣候模型更加精確和直接，但由于經(jīng)濟(jì)、社會和自然地理條件等原因，站點的位置分布、布設(shè)時間等往往難以直接滿足研究區(qū)域降雨過程模擬的需要。在研究區(qū)域站點數(shù)據(jù)較為充足的情況下，為使密集程度均勻，本實施例設(shè)置了站點資料插值裝置。站點資料插值裝置是利用泰森多邊形法、距離平方反比法、克里金插值法對站點數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，從而再現(xiàn)指定區(qū)域指定時間內(nèi)自然降雨過程。自然降雨過程的模擬還需要將研究區(qū)域劃分為與模擬區(qū)域相同的縱橫網(wǎng)格的區(qū)域單元，形成雨強(qiáng)模擬矩陣，這樣才能在不同的矩陣單元產(chǎn)生不同的雨強(qiáng)變化，模擬在同一時間的不同空間或者不同時間的同一空間的雨強(qiáng)變化。尺度轉(zhuǎn)換裝置是利用尺度轉(zhuǎn)換方法將區(qū)域氣候模型或經(jīng)過插值處理的研究區(qū)域在指定時間段的降雨過程轉(zhuǎn)換為模擬降雨子系統(tǒng)的降雨過程控制文件的模塊。換句話說就是將實際尺度的研究區(qū)域的降雨過程縮小為物理模型尺度的模擬區(qū)域內(nèi)的模擬降雨過程。這一過程不是簡單的區(qū)域尺寸按比例縮小，一方面要依據(jù)不同的研究目的和試驗設(shè)計進(jìn)行區(qū)域降雨參數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換。尺度轉(zhuǎn)換具體內(nèi)容為以系統(tǒng)噴灑單元的噴頭壓力-雨強(qiáng)-雨滴譜關(guān)系為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域降雨過程轉(zhuǎn)換為模擬降雨系統(tǒng)控制參數(shù)，這些控制參數(shù)按照試驗需求的不同，可以包括雨強(qiáng)、雨量、降雨時間、雨滴動能、雨滴譜構(gòu)成等。另一方面要經(jīng)過精確的計算，精細(xì)的簡化，盡可能的減小在比例轉(zhuǎn)換過程中對原始數(shù)據(jù)的修改誤差，最大程度的模擬實際尺度的降雨過程。經(jīng)過尺度縮小和修正后，尺度轉(zhuǎn)換裝置將模擬區(qū)域的模擬降雨過程轉(zhuǎn)換為降雨過程控制子系統(tǒng)所需要的降雨過程控制文件。降雨過程控制子系統(tǒng)依據(jù)降雨過程控制文件，對試驗區(qū)域內(nèi)噴灑單元陣進(jìn)行雨強(qiáng)變化控制，模擬研究區(qū)域內(nèi)的雨能變化和雨滴譜變化，實現(xiàn)對模擬區(qū)域內(nèi)某一時間段的降雨過程的模擬。所述的降雨過程控制文件將模擬區(qū)域內(nèi)的雨強(qiáng)變化分配在各個與噴灑單元對應(yīng)的雨強(qiáng)模擬矩陣中，然后將雨強(qiáng)變化矩陣中的單元要素與噴灑單元陣中的各個噴灑單元對應(yīng)，再計算各個噴灑單元隨時間變化的噴灑量，包括雨滴譜和雨能隨時間的變化量，再將各個噴灑單元的噴灑量記錄在降雨過程控制文件中。降雨過程控制子系統(tǒng)可采用中央分步式控制方式，也可以采用直接控制方法。所述的直接控制方式就是降雨過程控制子系統(tǒng)直接對模擬降雨子系統(tǒng)的各個噴灑單元進(jìn)行控制。而中央分布式控制方式則是設(shè)立中央控制中心，在中央控制中心自動調(diào)控噴灑單元陣中上百個噴灑單元子系統(tǒng)的所有電器調(diào)控部件，即由中央控制器向各個子系統(tǒng)控制器下達(dá)指令，再由子系統(tǒng)控制器執(zhí)行操作。降雨過程可以由手動控制、計算機(jī)監(jiān)控狀態(tài)下的手動操作和計算機(jī)自動控制3種方式，以滿足不同的控制需要。能夠?qū)崿F(xiàn)每個噴灑單元所覆蓋的實驗?zāi)Ｐ偷男^(qū)中的降雨過程曲線實時動態(tài)繪制與現(xiàn)實及降雨歷史數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示，并能實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲與下載。中央控制中心可以實時動態(tài)顯示降雨模擬過程，并能實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲與下載，自動動態(tài)測量并記錄降雨過程的雨滴譜和雨能。降雨過程控制子系統(tǒng)可以是通用計算機(jī)或工業(yè)控制計算機(jī)等具有控制和處理能力計算機(jī)系統(tǒng)。所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括供水裝置、噴灑裝置1，如圖2所示(圖2中虛線框住的部分表示一個噴灑單元，由于做圖的限制，圖3中畫出了一個噴灑單元的三個噴頭)。供水裝置由儲水池3、水泵4和管路6組成，配有流量調(diào)節(jié)閥2壓力傳感器5，以及控制各個噴頭的開關(guān)閥7，供給噴灑裝置充足的水量。供水裝置還可以包含有循環(huán)過濾裝置，使噴灑后的水流經(jīng)過過濾后回到儲水池中繼續(xù)使用，以節(jié)約資源。噴灑裝置主要由許多個噴灑單元組成。噴灑單元的個數(shù)一般有上百個甚至上千個。其數(shù)量的多少根據(jù)實驗設(shè)備的制造成本和精度確定。因為噴灑單元是硬件，設(shè)備一旦安裝就位，其噴灑單元的數(shù)量就固定了，無法更改。噴灑單元越多則實驗設(shè)備的精度越高，但成本也越高，反之噴灑單元的數(shù)量越少則精度越低，成本也降低。噴灑單元陣中各個噴灑單元可以按照縱橫對齊的矩陣排列，也可以采用菱形的交錯排列。矩陣排列的優(yōu)點是:各個噴灑單元可以與雨強(qiáng)變化矩陣中的矩陣單元要素一一對應(yīng)，十分方便。噴灑單元的菱形交錯排列可以獲得較均勻的降雨模擬。噴灑單元由噴頭組組成。在實驗中不但要模擬雨量的大小，還要模擬雨滴的大小，即所述的雨滴譜，因此，需要有各種不同的規(guī)格的噴頭組成噴頭組模擬各種大小不同的雨滴。噴頭組一般由兩到五個噴頭組成，每個噴頭可以在水壓變化的情況下噴出一定范圍內(nèi)的雨滴，各個噴頭噴出大小不同范圍的雨滴，形成完整的雨滴譜。同時每個噴頭所噴灑的面積也不同，這樣可以根據(jù)需要使多個噴頭組的噴灑面積重疊，增加同一面積內(nèi)的噴灑量和噴灑均勻度。噴頭可以先用各種具有噴出水滴的噴頭，例如:花園使用的噴頭、噴灌使用的噴頭等。噴頭的選用應(yīng)當(dāng)滿足均勻可靠，防銹防堵，低維護(hù)等要求，重要的在于選用在模擬降雨過程中能均勻、穩(wěn)定的噴灑，與自然降雨相似。在物理模型上要安裝檢測雨量的傳感器，實時動態(tài)測量噴灑單元所噴出的模擬降雨雨量值以此反饋調(diào)控噴灑量，使降雨模型設(shè)定值與試驗現(xiàn)場實際降雨(噴灑)值一致。傳感器可以是各種雨量計，精確的監(jiān)測雨量。本實施例所述的噴灑單元陣即可以安裝在露天也可以安裝在專門的實驗大廳中。噴灑單元陣的下方通常要設(shè)置模擬區(qū)域的物理模型。物理模型是根據(jù)模擬區(qū)域的地形、地貌、植被、土壤、地下水等狀況按比例縮小而制作的實體模型，可以模擬該地區(qū)對各種雨量的反應(yīng)狀況。物理模型是硬件，一旦制作成型就無法改變，其尺寸是固定的，將影響尺度轉(zhuǎn)換裝置將研究區(qū)域的尺度轉(zhuǎn)換為模擬區(qū)域的尺度的轉(zhuǎn)換計算。在實驗大廳中可以安裝與降雨控制子系統(tǒng)連接的大屏幕顯示器，實時動態(tài)顯示降雨試驗現(xiàn)場的實際降雨值分布及相關(guān)信息，以便試驗現(xiàn)場及時參考。在實驗過程中的降雨過程變化曲線及降雨歷史數(shù)據(jù)可以作為數(shù)據(jù)記錄下來以備進(jìn)行分析研究。由于水流流動的滯后性，當(dāng)開始模擬降雨和停止模擬降雨的時候，水流不會立刻停止，總是有一些不符合要求的水流出現(xiàn)。為使降雨模擬十分精確，可以在噴灑單元陣和物理模型之間設(shè)置可以快速收放折疊的遮雨槽。遮雨槽打開的時候，遮擋在噴灑單元與物理模型之間，使噴灑單元噴出的水流不會噴在物理模型上，遮雨槽折疊收起的時候不影響噴灑單元噴出的水流噴灑在物理模型上。在開始模擬降雨之前，先打開遮雨槽，然后啟動噴灑單元進(jìn)行噴灑，這時噴灑單元噴灑出的水流不會噴灑在物理模型上，而是順著遮雨槽流回儲水池。當(dāng)噴灑的水流達(dá)到設(shè)定的要求后，再折疊收起遮雨槽，使噴灑單元對物理模型進(jìn)行噴灑，模擬降雨過程開始。當(dāng)模擬降雨結(jié)束的時候，首先打開遮雨槽，遮擋噴灑單元噴出的水流，模擬降雨過程的結(jié)束。這樣利用遮雨槽的打開和折疊收起，可以精確的模擬降雨過程的開始和結(jié)束。實施例二:
本實施例是實施例一改進(jìn)，是實施例一關(guān)于噴灑單元陣的細(xì)化。本實施例噴灑單元陣中，相鄰的四個噴灑單元成菱形排列，噴灑單元陣整體成縱橫交錯排列，如圖3所示。本實施例所述噴灑單元陣的排列是一種橫排對齊，而縱排交錯排列，或者是縱排對齊，橫排交錯排列的形式(圖3是縱排對齊，橫排交錯排列的形式)。圖中實線小圓圈表示噴灑單元，大虛線圓圈表示一個噴灑單元的噴灑范圍，相鄰的四個噴灑單元形成菱形，如圖3左上角的粗點劃線框所示。相鄰的幾個噴灑單元的噴灑范圍互相重疊，整體上在中間形成均勻的噴灑區(qū)域，如圖3中用粗實線框住的部分。實施例三:
本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于噴灑單元的細(xì)化，如圖4所示。本實施例所述的噴灑單元由大102、中103和小101三種規(guī)格的噴頭圍成一個等邊三角形，組成一個三個噴頭的噴灑單元。本實施例所述的三個噴頭可以噴出不同大小的雨滴，組成完整的雨滴譜，可以模擬各種自然的降雨過程。等邊三角形的排布是為了三個噴頭的噴灑區(qū)域相互重疊，并且不互相干擾。噴灑時可以根據(jù)需要開啟一個、兩個或三個噴頭，形成不同的雨強(qiáng)和雨滴譜。實施例四:
本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于噴頭的細(xì)化。本實施例所述的噴頭可以選擇垂直螺旋下噴式噴頭。這是一種水出口帶有旋轉(zhuǎn)葉片的噴頭。當(dāng)水從出水口噴出時，由于壓力和重力的作用，沖擊出水口上的葉片，葉片旋轉(zhuǎn)，將水流打散，形成水滴，模擬降雨的水滴。實施例五:
本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例的細(xì)化，如圖5、6所示。本實施例所述的噴灑單元陣10的下方設(shè)有自動遮雨槽9。本實施例所述的自動遮雨槽設(shè)置在物理模型8和噴灑單元之間，如圖5所示。自動遮雨槽是一個成條形的槽，圖6表示的是槽的橫截面形狀，可以折疊收放，圖6中虛線表示的是槽折疊收起的狀態(tài)，實線表示的是槽打開的狀態(tài)。槽的打開和收起可以用電機(jī)帶動，打開和收起應(yīng)當(dāng)盡可能的快，以便盡量模擬真實降雨的起始或結(jié)束。由于做圖的限制，圖中只能畫出兩折疊槽，實際中可以有多個折疊槽。實施例六:
本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于雨量傳感器的細(xì)化，本實施例所述的雨量傳感器是無線自動雨量計。實施例七:
本實施例是一種使用上述實施例所述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過程模擬的方法，所述方法的步驟如下:
選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫中選擇研究區(qū)域的氣候模型。正確選擇氣候模型十分重要，其要點是模型必須足夠精確，但還要符合成本的要求，以及依據(jù)模型的區(qū)域適應(yīng)性和已有的用于校核的數(shù)據(jù)情況。首先，根據(jù)已有的研究進(jìn)行模型的可獲取性及區(qū)域適應(yīng)性分析。選取易于獲得完整代碼的區(qū)域氣候模型，并分析其物理過程參數(shù)化方案是否適應(yīng)研究區(qū)域的氣象特點及模擬要求。其次，根據(jù)已有的研究進(jìn)行模型的模擬能力及實用性分析。選取模型原理先進(jìn)、模擬效果良好且計算速度達(dá)標(biāo)的區(qū)域氣候模型，并根據(jù)站點資料數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的實測降雨過程對模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)率定，從而保證模型的模擬精度。查找站點氣候資料的步驟:用于在站點資料數(shù)據(jù)庫中查找所述研究區(qū)域的站點氣候資料。根據(jù)研究時段和研究區(qū)域選擇站點的氣象資料，包括降雨、氣溫、風(fēng)速及濕度等，并將氣象要素賦值到每個時刻，用以明確觀測到的氣象過程。構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，構(gòu)建過去或未來某一時段的降雨過程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，特別是站點的降雨資料，沒有站點降雨資料的位置應(yīng)計算插值，計算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案。對于具有較完整站點降雨資料的研究區(qū)域和時段，優(yōu)先使用站點的降雨資料，對研究區(qū)域?qū)?yīng)的雨強(qiáng)矩陣的單元進(jìn)行插值計算；對于無實測站點降雨資料或者站點降雨資料不全的模擬區(qū)域和時段，采用氣候模擬對應(yīng)時段模擬區(qū)域的降雨情況，并插值到對應(yīng)的雨強(qiáng)矩陣單元上。尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案中所述研究區(qū)域的真實尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過程方案。尺度轉(zhuǎn)換是在實際降雨過程還原的基礎(chǔ)上，按照具體的試驗?zāi)康拇_定模擬降雨系統(tǒng)降雨過程控制文件的過程。進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換主要考慮的準(zhǔn)則有:能量準(zhǔn)則、水量準(zhǔn)則等。轉(zhuǎn)換主要是通過模型尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)及其系數(shù)調(diào)整進(jìn)行確定。如研究降雨過程中伴隨的土壤侵蝕與地表物質(zhì)輸移，由于土壤剝離和物質(zhì)輸移主要受雨滴能量影響，這是主要考慮降雨過程中單位面積上的降雨能 量的相似分布；如研究缺資料地區(qū)水文過程時，需要得到指定頻率降雨條件下，研究區(qū)域產(chǎn)匯流過程，這時主要考慮的是產(chǎn)匯流過程中指定河段的水位變化過程，主要考慮降雨時段內(nèi)降水量的相似分布。依據(jù)不同的研究目的和試驗設(shè)計進(jìn)行區(qū)域降雨參數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換，即根據(jù)不同研究目的設(shè)置不同的尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。尺度轉(zhuǎn)換具體內(nèi)容為以系統(tǒng)噴灑單元的噴頭壓力-雨強(qiáng)-雨滴譜關(guān)系為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域降雨過程轉(zhuǎn)換為模擬降雨系統(tǒng)控制參數(shù)，這些控制參數(shù)按照試驗需求的不同，可以包括雨強(qiáng)、雨量、降雨時間、雨滴動能、雨滴譜構(gòu)成等。在空間上，首先需要根據(jù)模擬區(qū)域與研究區(qū)域的幾何尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)對模擬降雨面積進(jìn)行比例尺轉(zhuǎn)換:
權(quán)利要求
1.一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括:水文氣象數(shù)據(jù)庫所述的水文氣象數(shù)據(jù)庫與降雨過程生成子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程生成子系統(tǒng)與降雨過程控制子系統(tǒng)連接，所述的降雨過程控制子系統(tǒng)與模擬降雨子系統(tǒng)連接；所述水文氣象數(shù)據(jù)庫包括:區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫和站點資料數(shù)據(jù)庫；所述的降雨過程生成子系統(tǒng)包括:區(qū)域氣候模型、站點資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；所述的模擬降雨子系統(tǒng)包括:水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；所述的噴灑裝置由多個安裝在模擬區(qū)域物理模型上空的噴灑單元組成，所述的噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元陣中，相鄰的四個噴灑單元成菱形排列，噴灑單元陣整體成縱橫交錯排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元由大中小三種規(guī)格的噴頭圍成一個等邊三角形三個噴頭組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴頭是垂直螺旋下噴式噴頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的噴灑單元陣的下方設(shè)有自動遮雨槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的雨量傳感器是無線自動雨量計。
7.一種使用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域降雨過程模擬的方法，所述方法的步驟如下: 選擇區(qū)域氣候模型的步驟:用于根據(jù)要求在區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫中選擇模擬區(qū)域的氣候模型； 查找站點氣候資料的步驟:用于在站點資料數(shù)據(jù)庫中查找所述模擬區(qū)域的站點氣候資料； 其特征在于: 構(gòu)建準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案的步驟:用于根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，構(gòu)建過去或未來某一時段的降雨過程模型，或者構(gòu)建正在進(jìn)行的降雨過程模型；將研究區(qū)域空間上的降雨過程劃分為縱橫排列的雨強(qiáng)矩陣，根據(jù)研究區(qū)域的氣候模型和站點的降雨資料，特別是站點的降雨資料，沒有站點降雨資料的位置應(yīng)計算插值，計算雨強(qiáng)矩陣各矩陣單元隨時間變化的降雨量和變化量以及雨滴的大小和變化量，形成準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案； 尺度轉(zhuǎn)換的步驟:用于將準(zhǔn)確模擬降雨過程初步方案中所述研究區(qū)域的真實尺度轉(zhuǎn)換為物理模型的模擬區(qū)域尺度，包括將雨強(qiáng)矩陣按照尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為雨強(qiáng)模擬矩陣，完成準(zhǔn)確模擬降雨過程方案； 模擬降雨的步驟:用于所述的降雨控制子系統(tǒng)將準(zhǔn)確模擬降雨過程方案中的雨強(qiáng)模擬矩陣的各個矩陣單元與噴灑單元陣中的各個噴灑單元對應(yīng)，根據(jù)準(zhǔn)確模擬降雨過程方案控制噴灑單元噴灑作業(yè)，并根據(jù)傳感器監(jiān)測噴灑過程是否符合準(zhǔn)確模擬降雨過程方案。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的尺度轉(zhuǎn)換的步驟中，對于單一地形的物理模型試驗，經(jīng)過空間尺度轉(zhuǎn)換后取得的降雨過程直接用于模擬降雨過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求 7所述的方法，其特征在于，所述的尺度轉(zhuǎn)換的步驟中，對于研究流域產(chǎn)匯流過程物理模型試驗，所述的尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)為:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種區(qū)域降雨過程的模擬系統(tǒng)，包括水文氣象數(shù)據(jù)庫、降雨過程生成子系統(tǒng)、降雨過程控制子系統(tǒng)、模擬降雨子系統(tǒng)。還包括區(qū)域氣候模型數(shù)據(jù)庫和站點資料數(shù)據(jù)庫；區(qū)域氣候模型、站點資料插值裝置、尺度轉(zhuǎn)換裝置；水量噴灑控制裝置、供水裝置、噴灑裝置和安裝在區(qū)域物理模型上的傳感器；噴灑單元縱橫排列形成噴灑單元陣。本發(fā)明通過集成水文氣象數(shù)據(jù)庫、降雨過程生成系統(tǒng)、降雨過程控制系統(tǒng)和多個模擬降雨單元，實現(xiàn)對指定區(qū)域內(nèi)過去、現(xiàn)在和未來的降雨過程的生成和模擬。能夠更好的模擬自然降雨過程，對流域產(chǎn)匯流過程、缺資料地區(qū)水文水資源研究、檢驗和優(yōu)化水文站網(wǎng)配置、智慧流域研究等諸多領(lǐng)域具有重要的科學(xué)研究價值。為區(qū)域水文模擬研究和應(yīng)用提供科學(xué)工具。
文檔編號B05B12/00GK103143465SQ20131005832
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者龔家國, 王浩, 秦大庸, 賈仰文, 郝春灃, 劉家宏, 楊貴羽, 冶運濤, 丁相毅 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院