徐文霞 王 琰

（1河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局；2中國(guó)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(cè)雨量設(shè)備在降水量監(jiān)測(cè)方面已得到廣泛應(yīng)用，翻斗式雨量計(jì)自動(dòng)化程度高、抗干擾性強(qiáng)、降水量獲取及時(shí)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于全自動(dòng)無(wú)人值守的雨量站點(diǎn)。由于遙測(cè)雨量站點(diǎn)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(shí)不能及時(shí)維護(hù)，導(dǎo)致遙測(cè)雨量數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或者異常情況。本文針對(duì)這種情況提出區(qū)域降水量數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，并對(duì)數(shù)據(jù)異常或缺失的站點(diǎn)進(jìn)行校正，以提高遙測(cè)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(cè)雨量計(jì)［1］傳輸數(shù)據(jù)，型號(hào)為JDZ05。雨量計(jì)口徑為20 cm，利用翻斗稱(chēng)重原理對(duì)液態(tài)降水量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，通過(guò)翻斗翻轉(zhuǎn)，輸出接點(diǎn)通斷信號(hào)，采用GPRS 遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器。儀器采樣時(shí)間為5 min，分辨率為0.50 mm，傳感器降雨強(qiáng)度測(cè)量范圍在0.01～6 mm/min，儀器綜合計(jì)量誤差≤±2%。本次選取區(qū)域內(nèi)地理位置鄰近的4 個(gè)遙測(cè)雨量站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時(shí)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(duì)比分析，從雨量的時(shí)程分布、空間分布和總量分布［2］方面分析探討故障問(wèn)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(jì)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)以下幾類(lèi)問(wèn)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(cè)雨量設(shè)備發(fā)生故障如斷電時(shí)，雨量數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)雨量數(shù)據(jù)缺失；翻斗受卡阻無(wú)法翻動(dòng)導(dǎo)致；GPRS遠(yuǎn)傳信號(hào)受干擾導(dǎo)致。此時(shí)將區(qū)域內(nèi)各站相鄰的、對(duì)照分析性強(qiáng)的站點(diǎn)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(shuō)明。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，相互位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

表1 三月份四站逐日降水量對(duì)照表

圖1 四處站點(diǎn)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(wú)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(lái)看，四個(gè)站為區(qū)域內(nèi)鄰近雨量站。四個(gè)雨量站位置相隔較近，地理相似性較強(qiáng)，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(méi)有數(shù)據(jù)，因此可判斷上蔡站遙測(cè)設(shè)備在3 月17 日8 時(shí)—18 日8 時(shí)時(shí)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(shí)段，再進(jìn)一步對(duì)鄰近站總雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，上蔡站總量偏小進(jìn)而確定上蔡站遙測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障。

數(shù)據(jù)明顯異常仍然可從雨量的時(shí)程分布、空間分布和總量分布三方面進(jìn)行對(duì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)間距不宜超過(guò)5 km，山丘區(qū)高差不宜超過(guò)50 m。雨量插補(bǔ)可根據(jù)具體情況采用線(xiàn)性插值、點(diǎn)雨量相關(guān)法、反距離加權(quán)法、區(qū)域等值線(xiàn)雨量圖、克里金插值等。

采用線(xiàn)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(jì)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(jì)算結(jié)果為19.80 mm。公式如下：

式（1）中：Xj—第j個(gè)雨量站插得雨量；pi-第j個(gè)雨量站周?chē)R近的第i個(gè)雨量站實(shí)測(cè)雨量；di-第j個(gè)雨量站到其周?chē)徑牡趇個(gè)雨量站距離；m-第j個(gè)雨量站周?chē)徑挠炅空緜€(gè)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(jiàn)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(xiàn)圖插值上蔡站3日雨量，需要在地形圖上繪制等雨量線(xiàn)圖，結(jié)合天氣形勢(shì)，對(duì)暴雨成因、移動(dòng)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(zhǎng)系列數(shù)據(jù)勾繪等值線(xiàn)，根據(jù)等值線(xiàn)滿(mǎn)足區(qū)域內(nèi)任一站點(diǎn)插值需要，確定缺失站點(diǎn)的雨量值。

克里金方法是建立在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上的插值法。此法充分吸收了地理統(tǒng)計(jì)的思想，用隨機(jī)表面函數(shù)給予描述，運(yùn)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(shí)與其他常用方法相比沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用起來(lái)復(fù)雜，不做過(guò)多討論。

圖2 上蔡-蔡都點(diǎn)雨量相關(guān)關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)劣

采用線(xiàn)性插值方法，其實(shí)質(zhì)是算術(shù)平均計(jì)算臨近區(qū)域面雨量，缺失或異常站點(diǎn)點(diǎn)雨量直接采用面雨量確定，應(yīng)用簡(jiǎn)單。沒(méi)有考慮空間、地形的影響，適合平原區(qū)距離較近的定點(diǎn)定面站點(diǎn)雨量分析計(jì)算。

采用反距離加權(quán)插值，考慮了距離對(duì)雨量的影響，較直線(xiàn)插值先進(jìn)，是常用的雨量插值方法之一。計(jì)算值易受數(shù)據(jù)點(diǎn)集的影響，計(jì)算結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯高于周?chē)鷶?shù)據(jù)點(diǎn)的情況。

采用參證站相關(guān)分析法插值，重點(diǎn)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(xiàn)圖插值考慮了暴雨成因、移動(dòng)路徑、地形影響等，綜合性較好，但要求流域內(nèi)雨量點(diǎn)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(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，考慮鄰近站降水分布具有相似性，對(duì)區(qū)域內(nèi)雨量站有缺失或者異常的站點(diǎn)進(jìn)行判斷分析，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)鄰近站資料對(duì)故障站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。選取數(shù)據(jù)具有一定的理想性，實(shí)際區(qū)域內(nèi)降水情況復(fù)雜，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)雨量站情況、天氣成因及地形地勢(shì)情況選取適合的方法，達(dá)到提高數(shù)據(jù)精度的效果。