翻斗式雨量计数据异常分析及数据校正

徐文霞 王 琰

（1河南省驻马店水文水资源勘测局；2中国地质大学（北京）海洋学院）

0 引言

随着水利信息化的飞速发展，翻斗式遥测雨量设备在降水量监测方面已得到广泛应用，翻斗式雨量计自动化程度高、抗干扰性强、降水量获取及时、测量精度高等优点，广泛应用于全自动无人值守的雨量站点。由于遥测雨量站点众多，且大部分位于地形复杂的偏远地区，在仪器故障时不能及时维护，导致遥测雨量数据出现缺失或者异常情况。本文针对这种情况提出区域降水量数据对比分析的方法，判断数据质量的好坏，并对数据异常或缺失的站点进行校正，以提高遥测雨量数据的准确性。

1 研究数据

本文数据采用翻斗式遥测雨量计［1］传输数据，型号为JDZ05。雨量计口径为20 cm，利用翻斗称重原理对液态降水量进行连续测量，通过翻斗翻转，输出接点通断信号，采用GPRS 远程传输至服务器。仪器采样时间为5 min，分辨率为0.50 mm，传感器降雨强度测量范围在0.01～6 mm/min，仪器综合计量误差≤±2%。本次选取区域内地理位置邻近的4 个遥测雨量站的数据进行分析，时间为1 m，并给出处理方法。

2 研究方法

研究基于区域内各站逐日降水量数据进行对比分析，从雨量的时程分布、空间分布和总量分布［2］方面分析探讨故障问题及具体的数据校正方法。

2.1 故障数据判别分析

在整编翻斗雨量计数据时会发现以下几类问题：数据缺失；数据明显异常。造成数据缺失的原因：在遥测雨量设备发生故障如断电时，雨量数据无法传输导致该时段内雨量数据缺失；翻斗受卡阻无法翻动导致；GPRS远传信号受干扰导致。此时将区域内各站相邻的、对照分析性强的站点放到一块进行分析。本文采用上蔡、蔡都、大路李、关马庄四处关系密切的临近站逐日降水量数据，进行分析说明。具体数据见表1，相互位置关系见图1。

表1 三月份四站逐日降水量对照表

图1 四处站点位置分布图

可以看到蔡都、大路李、关马庄站3月17-19日连续降水，上蔡站3月17日无降水数据。初步判断上蔡站3月17日仪器故障，缺少数据。

从空间分布上来看，四个站为区域内邻近雨量站。四个雨量站位置相隔较近，地理相似性较强，降雨量分布差异较小。3月17 日其它三站当天都有较大的雨量但上蔡站没有数据，因此可判断上蔡站遥测设备在3 月17 日8 时—18 日8 时时间段内出现故障。

从降水天数及总量上判断，根据表1，区域内蔡都、关马庄站降水天数都为8 d，大路李站降水天数为9 d，上蔡站3 月份的降水天数为7 d，由此可以判断，上蔡站该月某天可能出现仪器故障时段，再进一步对邻近站总雨量数据进行对比，上蔡站总量偏小进而确定上蔡站遥测设备出现故障。

数据明显异常仍然可从雨量的时程分布、空间分布和总量分布三方面进行对比分析。如表1，蔡都、关马庄、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，数据明显异常。总量上上蔡站只有38.50 mm明显偏小，原因是上蔡站3日较大降雨时数据异常，可能仪器堵塞造成。

2.2 资料校正方法

数据缺失或数据异常站点可以采用临近雨量站数据直接替代，但一般平原区站点间距不宜超过5 km，山丘区高差不宜超过50 m。雨量插补可根据具体情况采用线性插值、点雨量相关法、反距离加权法、区域等值线雨量图、克里金插值等。

采用线性插值处理上蔡站3日雨量：取临近三站雨量平均值作为其雨量，计算结果为19.70 mm。

采用反距离加权插值上蔡站3 日雨量：计算结果为19.80 mm。公式如下：

式（1）中：Xj—第j个雨量站插得雨量；pi-第j个雨量站周围临近的第i个雨量站实测雨量；di-第j个雨量站到其周围邻近的第i个雨量站距离；m-第j个雨量站周围邻近的雨量站个数。

采用参证站相关分析法插值上蔡站3日雨量：以最邻近的蔡都站做相关关系分析，详见图2，可以看到相关系数高，接近于1，相关关系好。以3 日蔡都站雨量22 mm 带入拟合公式分别得到上蔡站本日降雨量为21.20 mm。

采用降水量等值线图插值上蔡站3日雨量，需要在地形图上绘制等雨量线图，结合天气形势，对暴雨成因、移动路径、地形影响等方面进行分析，了解地区暴雨形成的主要因素及这些因素的变化、走向、分布等，采用周边多站长系列数据勾绘等值线，根据等值线满足区域内任一站点插值需要，确定缺失站点的雨量值。

克里金方法是建立在地质统计学基础上的插值法。此法充分吸收了地理统计的思想，用随机表面函数给予描述，运用的关键在于权重系数的确定。当站网密度较高时与其他常用方法相比没有明显优势，运用起来复杂，不做过多讨论。

图2 上蔡-蔡都点雨量相关关系图

3 数据处理方法优劣

采用线性插值方法，其实质是算术平均计算临近区域面雨量，缺失或异常站点点雨量直接采用面雨量确定，应用简单。没有考虑空间、地形的影响，适合平原区距离较近的定点定面站点雨量分析计算。

采用反距离加权插值，考虑了距离对雨量的影响，较直线插值先进，是常用的雨量插值方法之一。计算值易受数据点集的影响，计算结果有时会出现一种孤立点数据明显高于周围数据点的情况。

采用参证站相关分析法插值，重点是参证站选取，选取不当将造成较大误差。

采用降水量等值线图插值考虑了暴雨成因、移动路径、地形影响等，综合性较好，但要求流域内雨量点有足够数量，能够形成具有区域代表性的阵列。

4 小结

文章探讨了翻斗式雨量计出现故障时，考虑邻近站降水分布具有相似性，对区域内雨量站有缺失或者异常的站点进行判断分析，并根据区域内邻近站资料对故障站点数据进行校正。选取数据具有一定的理想性，实际区域内降水情况复杂，应用时应根据雨量站情况、天气成因及地形地势情况选取适合的方法，达到提高数据精度的效果。