蔡振華 王海軍

（山東省水文中心，濟南 250002）

0 引 言

降水量觀測是水文要素觀測的重要組成部分，其觀測數(shù)據(jù)可應(yīng)用于水資源評估調(diào)度、涉水工程規(guī)劃、防洪減災(zāi)、旱情監(jiān)測預(yù)報等多個方面。采用儀器觀測的數(shù)據(jù)為點降水量，相較于各應(yīng)用層面，面降水量意義更大。從點降水量推求面降水量，最常用的方法包括算術(shù)平均、泰森多邊形、面積加權(quán)等。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，采用瀏覽器和服務(wù)器（B-S）架構(gòu)，根據(jù)配置好的站點及相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，按照設(shè)計的算法程序，系統(tǒng)可快速計算區(qū)域或流域平均降水量。

目前水文、水利、氣象均建有降水量觀測站點，通過網(wǎng)頁、短信、微信公眾號等形式向外提供平均降水量等服務(wù)產(chǎn)品，因采用的站點、算法等不同，對于同一對象，如省、市或縣某一時段內(nèi)的平均降水量，得出不同的計算結(jié)果，有時相差甚大。對于山東省水文行業(yè)來講，省、市、縣層面發(fā)布的降水信息也不統(tǒng)一。造成這一問題的原因有：①采用站點不一致，部分市水文、水利、氣象站點進行了整合，但是水利、氣象站點數(shù)據(jù)未與省水文站點共享；②算法不一致，比如計算市平均降水量，有的采用所屬縣平均降水量的算術(shù)平均，有的采用所屬縣平均降水量的面積加權(quán)，還有的采用市內(nèi)所有站點的算術(shù)平均等；③計算工具不一致，省、市各有自己的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即使站點、算法一致，但在計算過程中有效位數(shù)的取舍不同，也會導(dǎo)致計算結(jié)果有所差別。

當(dāng)前國內(nèi)有一些與平均降水量相關(guān)的文章，如劉蓬勃[1]論述了ArcGIS 創(chuàng)建泰森多邊形的原理及方法,并給出了計算實例；那扎凱提·扎乎提等[2]對和田流域平均降水量采用泰森多邊形法進行分析；馮建棟等[3]對渭河流域平均降水量采用算術(shù)平均法進行降水年內(nèi)分配不均勻性時空變化研究等。但從中國知網(wǎng)、維普期刊網(wǎng)等未檢索到平均降水量與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合的文章。為解決省、市、縣水文部門提供數(shù)據(jù)服務(wù)不統(tǒng)一的問題，結(jié)合山東省重點水利工程建設(shè)項目，將“山東省水情信息服務(wù)系統(tǒng)升級改造”作為項目建設(shè)的重要內(nèi)容之一。升級后的山東省水情信息服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了省、16 市、75 縣級中心分賬戶共用一套系統(tǒng)、一個數(shù)據(jù)庫，根據(jù)賬戶信息分配自己所屬區(qū)域的信息權(quán)限，同時進行個性化功能定制，另外也可定制區(qū)域外的上下游站點信息，實現(xiàn)平均降水量數(shù)據(jù)上下一致，系統(tǒng)功能因地而異，提高水文數(shù)據(jù)的公信力和系統(tǒng)建設(shè)的活力，該方法可推廣至其他地區(qū)。結(jié)合現(xiàn)狀存在問題，提出資源整合、數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一提供服務(wù)的設(shè)想，達到資源優(yōu)化、避免重復(fù)建設(shè)的目的。

1 數(shù)據(jù)與方法

充分利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)計算平均降水量，考慮省市服務(wù)對象差異化、便于維護、易于校核、上下聯(lián)動等因素，將代表站點選取功能開放給系統(tǒng)后臺?；趯崟r報汛數(shù)據(jù)成果，采用算術(shù)平均、面積加權(quán)相結(jié)合的算法，并結(jié)合中間成果庫開發(fā)，系統(tǒng)能夠快速計算省、市、縣、流域、水系、河流、預(yù)報斷面等不同區(qū)域的任意時段平均降水量，同時確保任意時間查詢同一時段內(nèi)的成果前后一致，實現(xiàn)了精準(zhǔn)服務(wù)的目的。

1.1 行政區(qū)域平均降水量算法

計算全省平均降水量，采用由縣到市再到省逐級推進的方法。根據(jù)《山東統(tǒng)計年鑒2021》數(shù)據(jù)，山東省共有136個縣級行政區(qū)?？h級功能區(qū)變動頻繁，若省級用戶考慮縣級功能區(qū)，會涉及邊界及代表站的經(jīng)常性調(diào)整，且省級用戶與市（縣）級用戶關(guān)注面不同；另外考慮到縣級面積較小，降水的不均勻性表現(xiàn)不突出，加之測站數(shù)量較少、調(diào)整變動大，采用算術(shù)平均合理且簡便易行。省及地市級面積相對較大，出現(xiàn)降水空間不均勻時，在縣級平均值基礎(chǔ)上，采用面積加權(quán)更合理。最終確定方案如下：省級用戶采用136個縣級行政區(qū)的計算成果，市（縣）級用戶采用縣級行政區(qū)及縣級功能區(qū)的計算成果；地級市平均降水量根據(jù)縣級行政區(qū)平均降水量的面積加權(quán)，保證省級用戶與市縣級用戶計算的相應(yīng)市平均降水量一致；省平均降水量采用各市平均降水量的面積加權(quán)。

雨量代表站的選取，由省水文中心設(shè)定好相應(yīng)表格，各市水文中心根據(jù)站點分布等情況填報，省水文中心負責(zé)整理校核各代表站詳情，主要包括填寫的規(guī)范性、代表站是否有報汛數(shù)據(jù)等。因代表站存在設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)傳輸故障等突發(fā)情況，且各市自計設(shè)備啟用時間不同，站點詳情設(shè)計了“報汛時間”“是否啟用”兩列?！皥笱磿r間”指該站點在設(shè)定的時間范圍內(nèi)參與平均計算，“是否啟用”指該站點參與或不參與平均計算。校核后的站點詳情由系統(tǒng)開發(fā)人員導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)后臺加載。

涉及代表站報汛時間、是否啟用等問題，市（縣）級用戶對所管理的站點更了解，系統(tǒng)后臺設(shè)置了站點維護功能。為防止誤操作，省級用戶只有管理員有權(quán)限對全省范圍內(nèi)的站點詳情進行查看及修改，地級市用戶也只有管理員有權(quán)限對該市范圍內(nèi)的站點詳情進行查看及修改，市（縣）級用戶不開放此功能。無論省級用戶還是地級市用戶對站點做修改操作，系統(tǒng)站點詳情會同步更新，確保省、市、縣采用的代表站信息一致。

代表站確定之后，對于算法設(shè)計，綜合考慮站點分布、方便維護、易于復(fù)核等因素，縣級行政區(qū)、縣級功能區(qū)分別采用各代表站的算術(shù)平均，地級市采用所轄縣級行政區(qū)平均降水量的面積加權(quán)，省級采用各地級市平均降水量的面積加權(quán)，計算公式如下：

式中：Pˉ縣行、Pˉ縣功、Pˉ市、Pˉ省分別為縣級行政區(qū)、縣級功能區(qū)、地級市、全省平均降水量；n1、n2 分別為縣級行政區(qū)、縣級功能區(qū)參與平均計算的代表站數(shù)量；n3為地級市所轄縣級行政區(qū)數(shù)量；n4為全省地級市數(shù)量，取16；Pi為代表站降水量；Xj為縣級行政區(qū)在所屬市的面積權(quán)重；Yk為地級市在全省的面積權(quán)重。

1.2 流域平均降水量算法

對于防洪而言，更關(guān)注流域性洪水，而洪水與降水有關(guān)，這就需要計算流域平均降水量。從流域水系角度，山東省跨黃河、淮河、海河三大流域，根據(jù)第三次水資源調(diào)查評價成果，山東省涉及13 個水系；從河道防洪角度，涉及15 條骨干河流，對于面積較大（按面積500 km2以上控制）的河流也需考慮；從水文預(yù)報角度，涉及383處水文預(yù)報斷面。流域、水系、河流、預(yù)報斷面邊界互有交叉，代表站直接從行政區(qū)域2 100 余個代表站中選取。因涉及區(qū)域和代表站較多，如果依靠人工，工作量大且易出錯，結(jié)合計算機技術(shù)，根據(jù)各區(qū)域的矢量邊界及代表站經(jīng)緯度，直接框選相應(yīng)區(qū)域的代表站，寫入數(shù)據(jù)庫并通過后臺進行維護?？紤]到代表站分布和后期維護問題，各區(qū)域平均降水量統(tǒng)一采用算術(shù)平均，代表站是否參與平均計算及啟用時間，參考行政區(qū)域計算方法，計算公式如下:

式中：Pˉ流域為流域平均降水量；n為流域參與平均計算的代表站數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 算法評估

以上行政區(qū)域、流域平均降水量能夠通過系統(tǒng)程序自動計算，但是取用時間越長，涉及的數(shù)據(jù)量越大，同時各個代表站是否參與計算及啟用時間不一，部分站點數(shù)據(jù)后期因發(fā)現(xiàn)有誤存在修改情況。如果直接按上文方法計算存在以下問題：①計算時間長，在多人操作的情況下，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；②計算結(jié)果前后不一，不利于對外提供服務(wù)。基于以上因素，本系統(tǒng)每天定時將前1 d 的省、市、縣級行政區(qū)、縣級功能區(qū)、流域、水系、河流、預(yù)報斷面等日平均降水量自動計算并寫入成果庫。系統(tǒng)查詢平均降水量先判斷起始時間，若時間為整日，直接從成果庫讀??；若時間段為整日+時段，整日平均降水量直接從成果庫讀取，時段平均降水量按照代表站分析計算，因時段最長不超過24 h，對計算速度影響較小。采用成果庫數(shù)據(jù)，可以保證數(shù)據(jù)查詢快捷且前后一致。

若發(fā)現(xiàn)某段時間站點數(shù)據(jù)有誤，則需要重新分析計算，系統(tǒng)后臺設(shè)置了此項功能。因平均降水量為經(jīng)常性服務(wù)產(chǎn)品，修改平均降水量可能導(dǎo)致前后數(shù)據(jù)矛盾，該項功能需謹慎使用，僅開放給省、地級市管理員，且地級市管理員重新分析計算指令需由省級管理員同意方可入庫。

2.2 平均降水量不同的解決方法

縣級功能區(qū)的存在導(dǎo)致省級用戶的部分縣級行政區(qū)與市（縣）級用戶相應(yīng)的縣級行政區(qū)代表站不一致，該縣級行政區(qū)平均降水量存在兩種結(jié)果。采用以下兩種方式解決此問題：①調(diào)整站點，省級和市（縣）級達成一致；②市（縣）級用戶的縣級行政區(qū)平均降水量直接采用省級用戶對應(yīng)的縣級行政區(qū)成果。

2.3 新、老系統(tǒng)成果對比

新系統(tǒng)省級功能于2022 年1 月正式啟用，在老系統(tǒng)460余個代表站點的基礎(chǔ)上，增加到2 100余個。新、老系統(tǒng)算法差別在于地級市平均降水量計算方面，其中老系統(tǒng)采用地級市所屬各縣行政區(qū)的算術(shù)平均，新系統(tǒng)采用地級市所屬各縣行政區(qū)的面積加權(quán)。新增的1 600余個站點，大部分于2021 年左右開始報汛，因此無法對歷史數(shù)據(jù)進行回算，僅對2022年山東省平均降水量進行對比（表1）。

表1 新、老系統(tǒng)2022年山東省平均降水量對比

由表1 可知，2022 年全省平均降水量老系統(tǒng)較新系統(tǒng)多10 mm，偏多1.1%；各月平均降水量相對誤差基本在5%以內(nèi)（4 月、9 月、12 月略超過5%，但絕對值在3 mm 以內(nèi)）。從對比結(jié)果可以看出，新、老系統(tǒng)采用不同的代表站及算法，計算結(jié)果總體差異不大。

2.4 新系統(tǒng)啟用情況

經(jīng)過2021年汛期試運行，汛后結(jié)合試運行發(fā)現(xiàn)的問題進行了優(yōu)化調(diào)整，于2022年1月正式啟用新系統(tǒng)省級功能，聊城、泰安等7個市正式啟用新系統(tǒng)市（縣）級功能，其他地級市采用新系統(tǒng)與各地級市已有系統(tǒng)并行、后期再融合的思路。新系統(tǒng)為省水利廳領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)處室、省應(yīng)急管理廳、省流域中心、省防御中心和北部戰(zhàn)區(qū)等開通省級功能賬戶，為相關(guān)部門掌握先機、科學(xué)決策，有效減輕洪澇災(zāi)害提供了技術(shù)支持，在2022年防汛工作中發(fā)揮了重要作用。

2.5 優(yōu)化設(shè)想

面平均降水量真值不可測，一方面是面降水量由點降水量進行推求，即使雨量站分布較多，觀測精度高，所測得的雨量資料也只能代表雨量站附近較小范圍內(nèi)的降雨情況，難以準(zhǔn)確控制降雨量的時空變化規(guī)律；另一方面面降水量計算方法眾多，難以確定到底哪種方法接近真值，只能從各種方法本身的優(yōu)缺點、簡繁程度和其所反映的降雨時空分布特性等來判斷比較其優(yōu)劣[4-5]。本系統(tǒng)平均降水量僅采用了算術(shù)平均、面積加權(quán)，其他方法沒有考慮，對于計算結(jié)果缺少對比。后期可考慮增加泰森多邊形、網(wǎng)格法等多種算法進行對比試驗，通過長期分析選擇一種接近真值的算法。為加強數(shù)據(jù)共建共享，后期可考慮加入水利、氣象站點，實現(xiàn)資源整合、統(tǒng)一發(fā)布，達到各行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

（1）平均降水量是水利、氣象等行業(yè)最常用且很重要的指標(biāo)，但因站點不同、算法不一，各行業(yè)甚至同一行業(yè)不同層級，對于某個行政區(qū)平均降水量的計算結(jié)果相異，不利于相關(guān)部門作出決策，也給公眾帶來誤導(dǎo)。本文結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)提出解決方法：配置代表站并設(shè)定平均降水量算法，結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)及工作需要，通過成果庫實現(xiàn)快速響應(yīng)及數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2）對于部分縣級行政區(qū)平均降水量不一的問題，通過調(diào)整代表站點或直接采用省級成果達到一致；新、老系統(tǒng)采用不同的代表站及算法，因新系統(tǒng)新增代表站大部分于2021 年左右開始報汛，無法對歷史數(shù)據(jù)進行回算，但從2022 年計算結(jié)果對比來看，總體差異不大；新系統(tǒng)于2022 年1 月正式啟用，為多個單位和部門開通省級功能賬戶，在2022 年防汛工作中發(fā)揮了重要作用；在分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)下一步增加多種算法比較，并進行資源整合、數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一提供服務(wù)的設(shè)想，達到資源優(yōu)化、避免重復(fù)建設(shè)的目的。