翻斗式雨量計數(shù)據(jù)異常分析及數(shù)據(jù)校正

徐文霞 王 琰

（1河南省駐馬店水文水資源勘測局；2中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院）

0 引言

隨著水利信息化的飛速發(fā)展，翻斗式遙測雨量設(shè)備在降水量監(jiān)測方面已得到廣泛應(yīng)用，翻斗式雨量計自動化程度高、抗干擾性強、降水量獲取及時、測量精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于全自動無人值守的雨量站點。由于遙測雨量站點眾多，且大部分位于地形復(fù)雜的偏遠(yuǎn)地區(qū)，在儀器故障時不能及時維護(hù)，導(dǎo)致遙測雨量數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或者異常情況。本文針對這種情況提出區(qū)域降水量數(shù)據(jù)對比分析的方法，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，并對數(shù)據(jù)異?；蛉笔У恼军c進(jìn)行校正，以提高遙測雨量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 研究數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)采用翻斗式遙測雨量計［1］傳輸數(shù)據(jù)，型號為JDZ05。雨量計口徑為20 cm，利用翻斗稱重原理對液態(tài)降水量進(jìn)行連續(xù)測量，通過翻斗翻轉(zhuǎn)，輸出接點通斷信號，采用GPRS 遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器。儀器采樣時間為5 min，分辨率為0.50 mm，傳感器降雨強度測量范圍在0.01～6 mm/min，儀器綜合計量誤差≤±2%。本次選取區(qū)域內(nèi)地理位置鄰近的4 個遙測雨量站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時間為1 m，并給出處理方法。

2 研究方法

研究基于區(qū)域內(nèi)各站逐日降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從雨量的時程分布、空間分布和總量分布［2］方面分析探討故障問題及具體的數(shù)據(jù)校正方法。

2.1 故障數(shù)據(jù)判別分析

在整編翻斗雨量計數(shù)據(jù)時會發(fā)現(xiàn)以下幾類問題：數(shù)據(jù)缺失；數(shù)據(jù)明顯異常。造成數(shù)據(jù)缺失的原因：在遙測雨量設(shè)備發(fā)生故障如斷電時，雨量數(shù)據(jù)無法傳輸導(dǎo)致該時段內(nèi)雨量數(shù)據(jù)缺失；翻斗受卡阻無法翻動導(dǎo)致；GPRS遠(yuǎn)傳信號受干擾導(dǎo)致。此時將區(qū)域內(nèi)各站相鄰的、對照分析性強的站點放到一塊進(jìn)行分析。本文采用上蔡、蔡都、大路李、關(guān)馬莊四處關(guān)系密切的臨近站逐日降水量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析說明。具體數(shù)據(jù)見表1，相互位置關(guān)系見圖1。

表1 三月份四站逐日降水量對照表

圖1 四處站點位置分布圖

可以看到蔡都、大路李、關(guān)馬莊站3月17-19日連續(xù)降水，上蔡站3月17日無降水?dāng)?shù)據(jù)。初步判斷上蔡站3月17日儀器故障，缺少數(shù)據(jù)。

從空間分布上來看，四個站為區(qū)域內(nèi)鄰近雨量站。四個雨量站位置相隔較近，地理相似性較強，降雨量分布差異較小。3月17 日其它三站當(dāng)天都有較大的雨量但上蔡站沒有數(shù)據(jù)，因此可判斷上蔡站遙測設(shè)備在3 月17 日8 時—18 日8 時時間段內(nèi)出現(xiàn)故障。

從降水天數(shù)及總量上判斷，根據(jù)表1，區(qū)域內(nèi)蔡都、關(guān)馬莊站降水天數(shù)都為8 d，大路李站降水天數(shù)為9 d，上蔡站3 月份的降水天數(shù)為7 d，由此可以判斷，上蔡站該月某天可能出現(xiàn)儀器故障時段，再進(jìn)一步對鄰近站總雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，上蔡站總量偏小進(jìn)而確定上蔡站遙測設(shè)備出現(xiàn)故障。

數(shù)據(jù)明顯異常仍然可從雨量的時程分布、空間分布和總量分布三方面進(jìn)行對比分析。如表1，蔡都、關(guān)馬莊、大路李三站于3 月3 日均有17 mm 以上降水，上蔡站只有5 mm，數(shù)據(jù)明顯異常?？偭可仙喜陶局挥?8.50 mm明顯偏小，原因是上蔡站3日較大降雨時數(shù)據(jù)異常，可能儀器堵塞造成。

2.2 資料校正方法

數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)異常站點可以采用臨近雨量站數(shù)據(jù)直接替代，但一般平原區(qū)站點間距不宜超過5 km，山丘區(qū)高差不宜超過50 m。雨量插補可根據(jù)具體情況采用線性插值、點雨量相關(guān)法、反距離加權(quán)法、區(qū)域等值線雨量圖、克里金插值等。

采用線性插值處理上蔡站3日雨量：取臨近三站雨量平均值作為其雨量，計算結(jié)果為19.70 mm。

采用反距離加權(quán)插值上蔡站3 日雨量：計算結(jié)果為19.80 mm。公式如下：

式（1）中：Xj—第j個雨量站插得雨量；pi-第j個雨量站周圍臨近的第i個雨量站實測雨量；di-第j個雨量站到其周圍鄰近的第i個雨量站距離；m-第j個雨量站周圍鄰近的雨量站個數(shù)。

采用參證站相關(guān)分析法插值上蔡站3日雨量：以最鄰近的蔡都站做相關(guān)關(guān)系分析，詳見圖2，可以看到相關(guān)系數(shù)高，接近于1，相關(guān)關(guān)系好。以3 日蔡都站雨量22 mm 帶入擬合公式分別得到上蔡站本日降雨量為21.20 mm。

采用降水量等值線圖插值上蔡站3日雨量，需要在地形圖上繪制等雨量線圖，結(jié)合天氣形勢，對暴雨成因、移動路徑、地形影響等方面進(jìn)行分析，了解地區(qū)暴雨形成的主要因素及這些因素的變化、走向、分布等，采用周邊多站長系列數(shù)據(jù)勾繪等值線，根據(jù)等值線滿足區(qū)域內(nèi)任一站點插值需要，確定缺失站點的雨量值。

克里金方法是建立在地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上的插值法。此法充分吸收了地理統(tǒng)計的思想，用隨機表面函數(shù)給予描述，運用的關(guān)鍵在于權(quán)重系數(shù)的確定。當(dāng)站網(wǎng)密度較高時與其他常用方法相比沒有明顯優(yōu)勢，運用起來復(fù)雜，不做過多討論。

圖2 上蔡-蔡都點雨量相關(guān)關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)劣

采用線性插值方法，其實質(zhì)是算術(shù)平均計算臨近區(qū)域面雨量，缺失或異常站點點雨量直接采用面雨量確定，應(yīng)用簡單。沒有考慮空間、地形的影響，適合平原區(qū)距離較近的定點定面站點雨量分析計算。

采用反距離加權(quán)插值，考慮了距離對雨量的影響，較直線插值先進(jìn)，是常用的雨量插值方法之一。計算值易受數(shù)據(jù)點集的影響，計算結(jié)果有時會出現(xiàn)一種孤立點數(shù)據(jù)明顯高于周圍數(shù)據(jù)點的情況。

采用參證站相關(guān)分析法插值，重點是參證站選取，選取不當(dāng)將造成較大誤差。

采用降水量等值線圖插值考慮了暴雨成因、移動路徑、地形影響等，綜合性較好，但要求流域內(nèi)雨量點有足夠數(shù)量，能夠形成具有區(qū)域代表性的陣列。

4 小結(jié)

文章探討了翻斗式雨量計出現(xiàn)故障時，考慮鄰近站降水分布具有相似性，對區(qū)域內(nèi)雨量站有缺失或者異常的站點進(jìn)行判斷分析，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)鄰近站資料對故障站點數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。選取數(shù)據(jù)具有一定的理想性，實際區(qū)域內(nèi)降水情況復(fù)雜，應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)雨量站情況、天氣成因及地形地勢情況選取適合的方法，達(dá)到提高數(shù)據(jù)精度的效果。