邢博 姚智 趙魯強 龔淑娟

（1 中國氣象局華風(fēng)氣象傳媒集團有限責(zé)任公司，北京 100081；2 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；3 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081）

0 引言

降水量是氣象部門和水文部門重要的觀測要素之一，存在較強的空間異質(zhì)性[1]。面雨量是針對特定流域計算出來的降水量，為水文學(xué)上一個重要參量[2]。面雨量對于流域水資源管理、洪水預(yù)報以及防洪抗旱指揮工作至關(guān)重要，是緊密聯(lián)系氣象和水文兩大領(lǐng)域研究和應(yīng)用的紐帶。對于面雨量的獲取一般有兩種方式：利用常規(guī)資料（站點觀測降水量）估算面雨量和利用非常規(guī)資料（衛(wèi)星、雷達）估算面雨量[3]。利用站點觀測降水量估算面雨量方法直觀簡單、計算量小、可自動化運行，目前廣泛應(yīng)用在氣象、水文業(yè)務(wù)中。而利用衛(wèi)星、雷達等非常規(guī)資料估算面雨量是按一定的關(guān)系式換算的結(jié)果來間接估算面雨量，與站點觀測降水量相比有較大出入，因此在使用時仍要與傳統(tǒng)的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合并經(jīng)過校正后才能使用。

氣象部門對于降水量的觀測有國家級地面氣象觀測站和區(qū)域自動氣象觀測站。國家級地面氣象觀測站包括國家基準(zhǔn)氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站。區(qū)域自動氣象觀測站是在國家級觀測站布局的基礎(chǔ)上，根據(jù)中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)警、大中城市、特殊地區(qū)和專屬經(jīng)濟區(qū)的氣象和環(huán)境預(yù)報服務(wù)的需要而建段的觀測站[4]。除氣象觀測站網(wǎng)以外，水利行業(yè)觀測站網(wǎng)也對降水量進行觀測，基本水文測站中的水文雨量站主要測降水量。

除了氣象觀測站和水文觀測站可以獲取降水量信息外，隨著航天技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星雷達的反演資料也被用來估算降水。所以，不同的數(shù)據(jù)源得到或計算出的降水量有所差異。近些年，已有學(xué)者對不同降水觀測源的降水資料差異進行分析。余敏[5]、趙洪巖等[6]、馬輝等[7]對稱重式雨量計、翻斗式雨量計、虹吸式雨量計等不同雨量設(shè)備所測降水量結(jié)果進行差異對比和誤差分析；李力等[8]對Parsivel降水粒子譜儀與觀測站雨量資料進行對比分析；李雁等[9]按不同降水量級，確立了天氣雷達組網(wǎng)與國家級氣象站兩類設(shè)備降水觀測差值的閾值參數(shù)，建立了天氣雷達與地面自動氣象站降水觀測結(jié)果的一致性實時校驗技術(shù)。羅布堅參等[10]和劉鵬等[11]分別對西藏高原測站降水、中國南部臺站雨量計觀測降水與TRMM上搭載的測雨雷達估測降水的一致性和氣候分布異同進行評估。劉濤等[12]通過SPSS軟件和數(shù)據(jù)極值延續(xù)性分析，將新舊型兩套自動氣象站的降水等氣象要素資料進行了數(shù)據(jù)的一致性研究。楊旭等[13]以國家氣象信息中心發(fā)布的日降水?dāng)?shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，采用評價衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度的方法，對三峽集團的遙測雨量站日降水?dāng)?shù)據(jù)進行評價。楊慶等[14]對比分析了新疆地區(qū)氣象站和水文站的降水資料。

為了了解由國家級地面氣象觀測站、區(qū)域自動氣象觀測站、水文觀測站網(wǎng)3種測站觀測的降水量數(shù)據(jù)計算得到的面雨量之間的差異，本文選取烏江流域為研究區(qū)域，從面雨量的日尺度和月尺度方面，分析不同面雨量等級的時間分布特征，最終建立了3種觀測站網(wǎng)降水觀測資料計算得到的面雨量差異閾值參數(shù)庫，為由不同觀測站網(wǎng)的降水觀測資料計算得到的面雨量的一致性研究和應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

本文所選研究區(qū)域為長江上游南岸最大的支流、典型的山區(qū)流域——烏江流域[15]。烏江流域跨貴州省北部和西部、重慶東南部以及湖北西南部，以西安1980坐標(biāo)系投影計算（下同），烏江流域面積87739 km2，約占貴州面積的1/3、 重慶面積的1/4以及湖北面積的不到1/10（圖1）。烏江中游至下游有3個主要支流，分別為龍河、芙蓉江和郁江。龍河發(fā)源于鄂渝交界處，集水面積為2842 km2；芙蓉江是烏江下游左岸的大支流，集水面積約8087 km2；郁江是烏江下游右岸最大的一級支流，集水面積約為4715 km2。由于烏江流域山區(qū)地形特殊，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著流域沿線電站電網(wǎng)的正常運行和人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

圖1 烏江流域DEMFig. 1 DEM map of WuJiang River basin

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文所使用的降水?dāng)?shù)據(jù)來自烏江流域內(nèi)的以下觀測站網(wǎng)：國家級地面氣象觀測站（以下簡稱為“國家站”）46個、區(qū)域自動氣象觀測站（以下簡稱“自動站”）840個、水文觀測站網(wǎng)中的雨量站（以下簡稱“雨量站”）270個，3種觀測站網(wǎng)每個站的控制面積分別約為1907 km2、104 km2、325 km2，3種觀測站網(wǎng)在烏江流域的空間分布如圖2所示。烏江流域中游至下游3個子流域內(nèi)各自分布的3種觀測站點數(shù)量如表1所示。選取時間段為2015—2017年汛期（5月1日—10月31日）。國家站的降水量為24 h降水觀測值；自動站的降水量采用逐小時降水觀測值累加成為24 h累計降水量；雨量站的降水量采用逐3 h降水觀測值累加成為24 h累計降水量。在3種觀測站網(wǎng)各觀測站24 h（每日08時至次日08時）累計降水量的基礎(chǔ)上，均采用泰森多邊形法[16-19]計算流域面雨量，面雨量等級劃分[20]如表2。

表1 子流域內(nèi)3種觀測站點情況表Table 1 Sub-basin observation stations distribution

表2 江河流域面雨量等級劃分表Table 2 Area rainfall grades for river basin

圖2 烏江流域觀測站分布Fig. 2 Observation stations distribution in WuJiang River basin

1.3 評價方法

1.3.1 差異評價方法

采用定量指標(biāo)評價方法評價流域面雨量的差異，計算方法如下：

其中：OBS1i和OBS2i分別表示流域第i日兩種觀測站的面雨量（以下簡稱為“XXX面雨量”，如：國家站面雨量），OBS2i站數(shù)據(jù)以O(shè)BS1i站數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)做比較；表示面雨量的均值。Ei是誤差（error，E），本研究中，3種數(shù)據(jù)均為實況觀測資料，在經(jīng)過質(zhì)量控制的前提下，使用時不存在對錯與否，所以本研究中不以誤差來描述，均稱為差異，其他變量同理；AEi是絕對差異（absolute error，AE），ME是平均差異（mean error，ME），MAE是絕對平均差異（mean absolute error，MAE），R2是相關(guān)系數(shù)。其中，ME反映了兩種觀測站面雨量數(shù)據(jù)的差異大小；MAE反映了兩種觀測站面雨量數(shù)據(jù)的平均絕對差異大??；R2反映了兩種觀測站面雨量數(shù)據(jù)的相關(guān)程度。

1.3.2 閾值評價方法

李雁等[9]驗證了3倍標(biāo)準(zhǔn)差法對于檢驗降水觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，所以本研究采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法來建立3種觀測站面雨量之間差異的閾值參數(shù)庫。標(biāo)準(zhǔn)差s的計算方法如公式（6）。

2 結(jié)果分析

2.1 日尺度面雨量相關(guān)性

在日尺度上，3種觀測站面雨量總體變化趨勢一致（圖3），但年均值大小具有年際差異（表3）：2015年，面雨量年均值最大為國家站（4.20 mm），最小為雨量站（3.68 mm）；2016年，面雨量年均值最大為雨量站（5.00 mm），最小為國家站（4.35 mm）；2017年，面雨量年均值最大為雨量站（4.82 mm），國家站和自動站面雨量年均值相差甚?。ǚ謩e為4.29 mm和4.30 mm）。日尺度面雨量相關(guān)關(guān)系中（圖4），3種觀測站面雨量之間的相關(guān)性相差不大，呈現(xiàn)自動站與國家站的相關(guān)性（R2=0.7725）＞雨量站與國家站的相關(guān)性（R2=0.7685）＞自動站與雨量站的相關(guān)性（R2=0.7613）。自動站與國家站的平均差異（ME=0.15）居中，平均絕對差異（MAE=1.79）最??；雨量站與國家站的平均差異（ME=0.23）最大，平均絕對差異（MAE=1.87）居中。自動站與雨量站的平均差異（ME=-0.08）最小，平均絕對差異（MAE=1.89）最大。

圖4 不同觀測站日尺度面雨量相關(guān)關(guān)系Fig. 4 Relationship among daily area rainfall from different observation stations

表3 不同觀測站逐年日均面雨量（單位：mm）Table 3 Daily mean area rainfall for different observation stations year by year (unit: mm)

圖3 2015—2017年汛期面雨量日變化Fig. 3 Daily area rainfall during flood season from 2015 to 2017

對于平均差異的月變化，5—6月，自動站與雨量站平均差異較小，8—10月，自動站與國家站平均差異較?。▓D5a）。對于平均絕對差異的月變化，任何兩種觀測站的平均絕對差異最大值均出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在10月，次小值出現(xiàn)在7月（圖5b）。任何兩種觀測站平均絕對差異在5月、7月和10月較為接近，在9月差別略大。從整個汛期來看，5—7月，自動站與國家站的平均絕對差異、自動站與雨量站的平均絕對差異二者較為接近；7—10月，自動站與國家站的平均絕對差異、雨量站與國家站的平均絕對差異二者較為接近（表4）。

表4 面雨量差異值的月變化Table 4 Monthly change of area rainfall variation

不同測站間面雨量的相關(guān)性具有區(qū)域差異，對比日尺度自動站面雨量和國家站面雨量的相關(guān)性（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，芙蓉江子流域自動站和國家站相關(guān)性（R2=0.8109）要高于全流域自動站和國家站的相關(guān)性(R2=0.7725)，平均差異 （ME=0.39）和平均絕對差異（MAE=2.31）高于全流域（ME=0.15,MAE=1.79）；對于龍河子流域（R2=0.7381）和郁江子流域（R2=0.6574），自動站和國家站的相關(guān)性低于全流域的自動站和國家站的相關(guān)性；龍河子流域自動站和國家站的平均差異（ME=0.07）低于全流域，平均絕對差異（MAE=2.80）高于全流域；郁江子流域自動站和國家站的平均差異（ME=0.77）和平均絕對差異（MAE=3.29）均高于全流域。

2.2 月尺度面雨量相關(guān)性

在月尺度上，3種觀測站面雨量總體變化趨勢一致且數(shù)值接近（圖7），每年汛期的月累計面雨量最大值均出現(xiàn)在6月，2015年和2017年月累計面雨量最小值均出現(xiàn)在10月，2016年出現(xiàn)在9月。年均值有所差異：2015年汛期，國家站平均月累計面雨量最大（125.42），自動站次之（122.52），雨量站最?。?09.90）；2016年和2017年汛期，雨量站平均月累計面雨量最大（分別為153.20和147.86），自動站次之（分別為148.95和132.00），國家站最?。ǚ謩e為133.27和131.55）。3種觀測站月累計面雨量之間的相關(guān)性相差不大（圖8），相比較而言，雨量站與國家站的相關(guān)性最高（R2=0.8992），自動站與國家站的相關(guān)性次之（R2=0.8822），自動站與雨量站的相關(guān)性略低（R2=0.8222）。差異性上，自動站與國家站的平均差異（ME=6.91）最大，平均絕對差異（MAE=18.32）居中；雨量站與國家站的平均差異（ME=4.41）居中，平均絕對差異（MAE=17.39）最??；自動站與雨量站的平均差異（ME=-2.50）最小，平均絕對差異（MAE=22.00）最大。

圖7 2015—2017汛期月累計面雨量變化Fig. 7 Monthly area rainfall during flood season from 2015 to 2017

圖8 不同觀測站月尺度面雨量相關(guān)關(guān)系Fig. 8 Relationship among monthly area rainfall from different observation stations

由日尺度擴展到月尺度時，3種觀測站面雨量相互之間的相關(guān)性均有所提高：相比較而言，雨量站與國家站相關(guān)性提高幅度最大（0.1307），自動站與國家站相關(guān)性提高幅度次之（0.1097），自動站與雨量站相關(guān)性提高幅度略?。?.0609）。自動站和雨量站的平均差異在日尺度和月尺度上均為最小，二者的平均絕對差異在日尺度和月尺度上均為最大。

不同測站間月累計面雨量的相關(guān)性也具有區(qū)域差異（圖9）。3個子流域自動站和國家站相關(guān)性均低于全流域自動站和國家站相關(guān)性。平均差異上，芙蓉江子流域的自動站和國家站平均差異（ME=1.86）小于全流域（ME=6.91）；龍河子流域（ME=－10.18）和郁江子流域（ME=12.28）自動站和國家站平均差異高于全流域。絕對平均差異上，3個子流域的自動站和國家站均高于全流域。

圖9 不同子流域自動站和國家站月尺度面雨量相關(guān)關(guān)系Fig. 9 Relationship between monthly area rainfall from national weather observation stations and automatic observation stations in different basins

由日尺度擴展到月尺度時，3個子流域自動站和國家站的相關(guān)性均有所提高。相比較而言，月尺度上，郁江子流域自動站與國家站相關(guān)性提高幅度最大（0.1497），龍河子流域自動站與國家站相關(guān)性提高幅度次之（0.0832），芙蓉江子流域自動站與國家站相關(guān)性提高幅度略?。?.0250）。

2.3 面雨量量級分析

對于無降水和小雨量級，國家站和雨量站相當(dāng)；與國家站和雨量站相比，自動站觀測得到的無降水較少（2.93%），而小雨相對較多（74.41%）。對于中雨和大雨量級，自動站和雨量站相當(dāng)，國家站在中雨量級上相對較多，在大雨量級上相對較少。在暴雨量級上，國家站相對較少、自動站居中，雨量站相對較多（圖10）。換言之，對于無降水和小雨量級，自動站更傾向于出現(xiàn)小雨。對于中雨和大雨量級，國家站更傾向于出現(xiàn)中雨。

圖10 不同觀測站面雨量量級分布Fig. 10 Distribution graph of area rainfall grades from different observation stations

2.4 不同面雨量量級在各月的占比分布

對于無降水量級，國家站和雨量站在各月份的占比分布基本一致，自動站與上述二者差異較大。對于小雨量級，3種觀測站在各月份的占比基本一致，均為6月出現(xiàn)小雨量級最少，5月次少；但出現(xiàn)小雨量級最多的月份略有差異，國家站8月出現(xiàn)小雨量級最多，自動站7月出現(xiàn)小雨量級最多，雨量站10月出現(xiàn)小雨量級最多。對于中雨量級，3種觀測站在各月份的占比基本一致，均為6月出現(xiàn)中雨量級最多，5月次多（自動站5月和6月持平），9月或10月最少。對于大雨量級，3種觀測站在各月的占比分布較為一致，均為6月出現(xiàn)大雨量級最多，8月或9月次多（雨量站8月和9月持平），10月出現(xiàn)大雨量級最少（雨量站7月和10月持平，均為最少）；對于暴雨量級，3種觀測站在各月的占比分布有所差異：國家站暴雨量級出現(xiàn)在6月和7月，其中7月最多；自動站面雨量暴雨量級6—8月，6月最多，8月最少；雨量站暴雨量級出現(xiàn)在5—7月，其中6月最多，5月和7月持平；3種觀測站的暴雨量級均未出現(xiàn)在9月和10月（圖11）。

圖11 不同觀測站各面雨量量級在各月的占比分布Fig. 11 The respective proportion of area rainfall grades from different observation stations in each month

2.5 各測站面雨量差異閾值參數(shù)庫

表5顯示了自動站與國家站各月面雨量差值序列的標(biāo)準(zhǔn)差，利用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法建立小雨、中雨、大雨、暴雨共4個面雨量量級逐月的閾值參數(shù)庫。同理表6、表7分別是雨量站與國家站、自動站與雨量站各月的面雨量差值序列的標(biāo)準(zhǔn)差以及據(jù)此建立的4個面雨量量級逐月的閾值參數(shù)庫。由于暴雨量級的面雨量出現(xiàn)次數(shù)有限，如若數(shù)據(jù)稀缺，暫不提供閾值參數(shù)，表中以缺?。?）表示。

表5 自動站-國家站面雨量差異閾值庫Table 5 Variation threshold database between automatic weather observation station and national weather observation station

表6 雨量站-國家站面雨量差異閾值庫Table 6 Variation threshold database between rainfall station and national weather observation station

表7 自動站-雨量站面雨量差異閾值庫Table 7 Variation threshold database between automatic weather observation station and rainfall station

3 結(jié)論與討論

本文將國家站、自動站、雨量站實況觀測降水按泰森多邊形法計算成面雨量，通過分析3種觀測站面雨量的一致性和差異可知：

1）無論是日尺度還是月尺度，3種觀測站面雨量總體變化趨勢基本一致，自動站與國家站相關(guān)性最高，雨量站與國家站相關(guān)性次之，自動站與雨量站相關(guān)性略差。自動站與雨量站的平均差異最小，平均絕對差異均為最大。不同觀測站面雨量之間存在差異，是因為不同觀測體系站點的稀疏程度不同和布設(shè)規(guī)律不同：氣象地面觀測站設(shè)在能較好地反映本地較大范圍的氣象要素特點的地方，避免局部地形的影響[4,21]。而水文測站多分布在山溝河網(wǎng)一帶的降水增幅地區(qū)，降水量觀測會出現(xiàn)偏大的現(xiàn)象，其布設(shè)反映流域雨情和水情的變化[22]，對洪水預(yù)報起到一定的預(yù)警作用[23]。

2）對于不同的流域，當(dāng)流域的地勢較平緩時，自動站和國家站的相關(guān)性較好；當(dāng)流域上下游落差較大時，自動站和國家站的相關(guān)性略差。烏江流域地形特殊，屬于山區(qū)流域，3個子流域中，龍河子流域和郁江子流域的上下游落差大，而芙蓉江子流域相對地勢平緩。有研究[24]發(fā)現(xiàn)，對于山區(qū)水系，當(dāng)局地出現(xiàn)短時強降水時，國家站面雨量相對高密度站網(wǎng)面雨量的誤差高達10倍以上。這也正是芙蓉江子流域自動站和國家站相關(guān)性高于龍河子流域、郁江子流域、烏江全流域的重要原因。

3）對于無降水和小雨量級，自動站更傾向于出現(xiàn)小雨。對于中雨和大雨量級，國家站更傾向于出現(xiàn)中雨。對于小雨、中雨、大雨3個量級，3種觀測站面雨量在5—6月和9—10月占比較為一致，在資料的選取和應(yīng)用上，可選擇性較大；在7—8月占比有所差異，在資料的選取和應(yīng)用上要進行對比和校正。而在暴雨量級上，3種觀測站面雨量在9—10月的占比分布一致，在5—8月的占比有各自特征，在資料的選取和應(yīng)用上需加以甄別和側(cè)重。

4）國家站建站較早，大部分可追溯到1951年，且降水觀測數(shù)據(jù)的時間間隔為1 h，更適合用于對長時間序列和高時間分辨率有嚴(yán)格要求的研究工作和業(yè)務(wù)運行，建議用于水動力學(xué)模型。但是國家站數(shù)量有限，自動站彌補了國家站空間分布稀疏的不足，更適合用于對氣象數(shù)據(jù)的空間分布有嚴(yán)格要求的研究工作和業(yè)務(wù)運行，建議用于分布式水文模型[25]。水文觀測站網(wǎng)的站點密度高[26]，但由于雨量站多采用“無人值守，有人看管”的運行模式[27]，所以使用前要進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制[28]以剔除異常值。本研究建立了烏江流域國家站、自動站、雨量站3種觀測站面雨量之間差異閾值庫，當(dāng)數(shù)據(jù)使用者有至少兩套數(shù)據(jù)可供選擇時，可以比較兩套數(shù)據(jù)的差異，對應(yīng)到差異閾值庫進行核查，如果兩套數(shù)據(jù)的差異大于閾值庫數(shù)值，要對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行核對。如若幾套數(shù)據(jù)差異較小，可多源數(shù)據(jù)融合使用相互補充，能夠更客觀反映流域降水的空間分布。