區域雨量分析與降雨-逕流預報之研究                 

                                    陳 嘉 榮

第一部份：未量測地區設計雨量之決定

最大降雨強度－延時－頻率關係曲線(IDF或稱雨量強度公式)經常被利用來決定設計雨量，再配合雨型分析與降雨－逕流關係來推演設計流量歷線。基本上雨量強度公式導自自記雨量站並具有地域性，在雨量記錄之未量測地區(ungauged area)則無法利用點雨量資料來導演雨量強度公式，在水文分析中，區域分析為經常被用來解決未量測地點的水文分析方法。本論文之第一部份旨在探討區域雨量強度公式及其不確定性分析。

區域雨量強度公式之分析流程主要包括三個步驟(游保杉、陳嘉榮，1996a)：

(1)第一步驟主要根據水文、地文特性，做研究地區降雨空間分布屬性均一區(homogeneous area)之劃分。

(2)第二步驟則引入區域分析的概念，綜合普通與自記雨量站資料特性建立各均一區測站參數之區域化關係，發展為區域雨量強度公式。

(3)在上述導演過程中，區域迴歸分析之參數誤差等因素均將造成測站雨量之推估誤差及其不確定性，而空間關係建立之不確定性亦將傳遞至區域雨量強度公式之推估誤差，有鑑於此本研究進一步探討區域雨量強度公式推估值之不確定性(Yu and Chen, 1996, 1997, 1998)。

本論文在第一研究主題之研究組織架構如圖I.所示，各部分將分別於第三章及第四章中作詳細探討，其內容說明簡述如后：

(1)降雨空間屬性均一區之劃分

首先利用主成份分析理論來篩選主要的水文、地文因子，做為聚類分析之變量(variable)，再分別以兩階段群集分析(two-stage cluster analysis)與模糊聚類分析(fuzzy cluster analysis)做台灣北部地區降雨空間屬性均一區之劃分，並比較降雨空間分布特性之合理性。(第三章)

(2)區域降雨強度－延時－頻率曲線之推導

引入區域分析的概念，利用站年法組合測站資料並配合無因次化後資料點繪於極端值機率紙上以推導各均一區之無因次頻率曲線。進一步將無因次頻率曲線參數區域化，以發展各均一區之區域雨量強度公式。(第四章)

(3)未量測地點雨量估計及其不確定性

進一步探討上述區域雨量強度公式中個別因素如統計分布、記錄年限及公式中參數等之不確定性，來推估區域雨量估計之不確定性範圍。(第四章)

圖I. 研究主題一之組織架構系統圖

第二部份：颱風期間集水區雨量預報

洪水為國內重要天然災害之一，為減輕此災害損失，適時的洪水預警愈顯其重要性。台灣由於地形因素，河川多急流且坡度陡峻，一般小集水區對雨量之反應快速，往往致使集流時間甚為短促。為提供適時的預警作用，增加洪水預報的前置時間(leading time)以便掌握預警時效，雨量的預報在洪水預警中，扮演著極為重要的角色。

雨量預報方法依其目的可簡單區分為水文預報與氣象預報兩種，前者著重於短延時雨量預報(1~3小時)適於即時洪水預報之操作，而後者著重於降雨潛勢(總量)之預測屬於長延時雨量預報(24小時)。台灣地區之暴雨及水患主要是由颱風雨、夏季對流雨及春末之梅雨所引起，颱風事件之降雨延時常持續達20~30數小時或更久，而對流雨之延時則明顯較短。相關研究結果顯示颱風雨所造成之生命財產損失最為嚴重，因此本論文針對颱風事件之雨量預報做為探討對象。在降雨方面除雨量會直接影響淹水深度與範圍外，其雨量之時間分布(雨型)，將直接影響尖峰流量之發生時間，也是一個影響洪水與淹水之重要因子，故選擇正確雨型為預測淹水深度與範圍不可或缺之一項。

本論文在第二研究主題上以探討颱風期間集水區雨量預報為主旨，針對淡水河流域時雨量測站之颱風事件分別探討長延時與短延時之雨量預報方法，提供洪水預警系統之雨量輸入。

一、在長延時雨量預報方法方面，本文利用模糊理論提出颱風潛勢雨型優選並結合總雨量(24小時)預報法來預報颱風暴雨事件之降雨組體圖(24小時)的概念，其分析流程包括降雨型態分類、潛勢雨型優選及總雨量預報等三部份。

二、在短延時雨量預報方法方面，利用灰色系統理論來構建即時雨量預報模式，經由模糊目標迴歸法(fuzzy goal regression method)來率定模式參數，在預報過程中引入單一時間距預報技巧(one-time step forecasting technique)做前置時間一至三小時之即時雨量預報(Yu and Chen, 1999)。

第二部份研究主題各章節之研究組織架構如圖II.所示，其內容說明簡述如下：

(1)降雨型態之模糊分類

由於測站各事件之降雨型態變異頗大，平均代表雨型之不確定性較大，因此本文嘗試對降雨型態做雨型的模糊分類。首先以Huff所提出之四個象限雨型做為模糊綜合評判之標準曲線，再以模糊多目標綜合決策方法來進行雨型之模糊分類，將每個雨量站之歷史降雨事件逐一判別分類為四個象限降雨，做為第六章中颱風潛勢雨型優選的預報目標集(objective set)。(第五章)

(2)颱風雨型優選之模糊決策

由於颱風降雨事件之雨型除與颱風路徑相關外，尚與其他颱風物理參數有關，因此本文應用模糊多目標優選法，選取颱風路徑與物理特性參數如中心氣壓、風速、暴風半徑等決策因子來優選各颱風事件之最適雨型，提供颱風期間潛勢雨型之預測。(第六章)

(3)颱風期間降雨量之模糊預報

以模糊理論為基礎，分別建立靜態總雨量預報法與動態雨量預報法，在靜態預報方面僅針對颱風接近台灣外海二個緯度時做颱風24小時雨量預報，而動態預報則當颱風進入台灣外海二個緯度時，開始採取逐時預報未來24小時雨量的作業方式。分析過程中先將颱風事件總雨量劃分為若干預報等級，配合該事件之颱風路徑與氣象參數來建立一預報資料庫，於颱風來襲時依據其可能路徑與氣象參數來預報其降雨潛勢(總雨量)及動態24小時降雨量，結合前述(2)颱風雨型之預測，將可提供24小時預報雨量組體圖。(第六章)

(4)灰色模糊模式之集水區雨量預報

利用灰色系統理論來構建灰色雨量預報模式，以模糊目標迴歸法來率定模式之參數，在即時預報過程中引入單一時間距預報技巧做前置時間一至三小時之雨量預報。(第七章)

圖II. 研究主題二之組織架構系統圖

第三部份：颱風期間集水區逕流預報

台灣地區氣候上屬於溫帶與亞熱帶交界處，乾濕季節明顯，在颱風期間其降雨量及其引進之西南氣流豪雨造成淹水災害。因此洪水為國內重大天然災害之一，為減輕此災害損失，適時的洪水預警愈顯其重要性。而在洪水預警系統中，逕流量的即時預報則為重點工作，其中降雨-逕流模式的效能更是攸關決策的風險性，最後風險評估與決策將是提供發佈預警訊息的重要參考指標。

因此本論文在第三研究主題上旨在於探討颱風期間集水區逕流預報，首先應用灰色系統理論來建立降雨-逕流模式，再結合雨量預報結果來進行集水區之即時逕流預報，以驗證降雨－逕流模式之預報效能與實用性，提供集水區即時的流量資訊。其研究組織架構如圖III.所示。

圖III. 研究主題三之組織架構系統圖

最後本論文於8.4節提出綜合本論文之研究成果應用於颱風期間逕流量的風險評估與預警決策之構想流程，即根據設計雨量(第四章)配合本章中的降雨-逕流模式(第八章)求得設計流量歷線，於颱風期間則利用長延時(第六章)及短延時(第七章)之模糊預報雨量部份，並分別配合本章得到流量預報歷線，將可進一步針對設計與預報流量歷線來探討颱風期間逕流量(洪峰)的風險評估或洪水預警決策等相關問題，期以掌握足夠的洪水預警時間及效能(8.4節)。