我们如何计算在洪水期间落下的总水量?

Question

我想知道如何计算加州在2017年2月中旬的洪水中有多少水。我知道如何查找特定气象站的总降雨量。而且，给定一个气象模型的输出，我可以计算出某一地区的总降水量。然而，我不知道有任何标准的方法(使用观测)来计算某一地区的累计降水量。我见过如下图所示的多站降水指数。但是，我不知道如何用它来计算落到地面的总水量。

根据观测，我们如何计算在风暴期间大面积降落的总累积水量(或质量)?并且，使用这种方法，我们可以计算出2017年2月洪水事件期间加利福尼亚的降雨量吗?我能想到的唯一方法是使用每个站点的降雨量测量值，在感兴趣的区域内插值，然后进行整合。不过，这似乎是一个相当密集的GIS项目。有没有更好的、标准化的计算方法?

Answer 1

您可以使用网格模型预测或再分析数据来计算降水总量。

从数学上讲，你想要的数量可以用$$Q=\int_{t_0}^{t_1}\Big[\iint\limits_A R(x,y,t)dxdy\Big]dt=\iint\limits_A P(x,y)dxdy$$表示，其中$R$是你的降水率，$P$是你的累积降水，$Q$是你想要的数量。

计算这个量的一种可能方法(用粗糙的黎曼方法):

1. 获取累积雨量的再分析资料，或插入观测资料(游牧民族是一个很好的资源)
2. 读入降水数据，根据需要多次调整数值。
3. 隔离与您感兴趣的区域*(如加利福尼亚)上的网格点相关的数据。
4. 对所有选定网格点的累积降雨量求和，并将累积降雨量乘以数据分辨率的乘积(以英寸为单位)。这样就能得到以立方英寸为单位的数据。

Answer 2

美国宇航局的全球降水测量任务可以从太空测量降雨量:

可见光和红外星载传感器可提供从云顶辐射推断的降水信息，微波传感器可根据降水粒子的辐射特征提供直接降水测量。这类信息无法通过地面测量系统获得。

NASA的综合多卫星GPM检索(IMERG)用于估计2017年1月17日至24日美国西部地区的总降雨量。一些地区的总降雨量超过9英寸(228.6毫米)。已对IMERG降雨总量进行了调整，以反映其他类似极端降雨事件的观测值。

你得把这个网站翻一遍找到正确的数据集和格式但很可能就在里面

美国国家海洋和大气管理局在跟踪地面测量方面也做得很好:

2017年月降水量摘要

不过，我们需要等到月底才能公布2月份的数据。对于逐日跟踪的降水数据，你可以看到:

水文气象资料报告

Answer 3

我不能给你答案，但我可以给你指出一些工具，可以用来得到这样的答案。的高级水文预报服务使用雷达、地面观测和各种其他来源编制降雨网格。提供的选项包括每日、每月和存档数据。

您可以合理地将Shapefile下载选项放入GIS应用程序中，例如草GIS或ArcGIS，然后将其限制在州(或感兴趣的区域)并计算平均值或总数。

或者，你可以下载它为NetCDF，我知道你可以打开它毕业生/OpenGrADS，使用某种形状文件或几何图形将其蒙版到特定区域，然后对其进行面积平均。

我真的希望更直接的、用户可适应的数据可以很容易地获得(不能保证不是，我只是不知道来源)。但至少这给了你们计算的工具。

当你关注降雨时，也许可以读一读加州中部的降雨1852年的大洪水！

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另一种估算总水量的方法是，结合水库水位的变化，使用溪流流量值，并试图估算出从水库系统中流失的降雨量的百分比。但在这一点上，你得到的是一个非常粗略的估计，因为监测系统并没有测量每一条流入大海的小溪……还有很大比例(变化不定)的水渗入土壤或蒸发。这些复杂性可以被纳入计算，但最终，这似乎是一个复杂的方法来解决一个问题，我们已经有了更完整的信息。

你问的是有多少水。嗯，我们可以很容易地从地图上得到一个公平的估计:

(截至2月22日)

如果加州的平均值是8英寸，那就是:
$ \pu{8英寸}\乘以\pu{163,696英里}^2 =$23万亿加仑

即使我们在估计值上有2的误差，比如只有4英寸的平均值，或者16英寸的平均值，那就变成了11.5万亿加仑和46万亿加仑。

这就偏离了重点…我们通常不会想到数万亿加仑。数万亿加仑似乎是一吨，但即使是微不足道的0.35英寸，也相当于一万亿加仑。也许将它正常化到…例如$ \pu{140000 gal/mi^2}$…好一点了。但是，一个典型的人仍然很难认识到这种形式的任何给定价值是否会导致洪水或干旱。

这就是为什么我们经常用百分位数，或者图表，或者回归周期，或者用英寸本身来表示平均值。它可能并不适合所有人，但对许多人来说，这样的单位更容易理解。

(如果你想知道，一加仑水的重量大约是8.36磅，大概是100万亿英镑水，听起来很多，但对大多数人来说，从0.10英寸的降雨系统中产生的1万亿磅的水也是如此)

Answer 4

与此相关的是，还有另一种方法，仍在完善中，它使用大地测量学，即精确测量地球形状和重力场的科学。

研究人员在加利福尼亚和美国大部分地震活跃的地区布设了GPS站点，这些站点可以提供它们之间的精确距离和高度，这些信息对于测量断层线的运动很有用。但研究人员注意到，在过去15年里，干旱地区的气象站海拔有所上升随着地下水量的减少，陆地表面本身也在上升。

摘要针对美国西部持续干旱引起的隆起：

自2013年以来，美国西部一直经历着严重的干旱。固体地球对伴随的地表和近地表水团损失的响应应该是大面积的隆升。我们使用连续运行的GPS站点的季节性调整时间序列来测量这种隆起，我们将其反转以估计质量损失。中位抬升为4毫米，在加州山区的数值高达15毫米。相关的质量损失模式，其范围可达50厘米水当量，与观测到的降水和河流流量减少相一致。我们估计总损失约为240亿吨，相当于整个地区10厘米的水层，或格陵兰冰盖每年的质量损失。

我上个月参加了一个研讨会，其中一位研究人员谈到了使用相同的方法来测量加州正在进行的风暴造成的质量增加，但我认为现在发表任何研究还为时过早。

GRACE卫星系统还提供地下水质量估计。这是去年的一篇普通文章。亚利桑那州立大学的一些研究人员也是如此利用GRACE任务数据研究加州干旱。