自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量差異分析

方怡，陳城，胡昌瓊，向芬

（1.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢430074；2.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢430074）

引 言

近年來(lái)，在氣候變暖、暴雨頻發(fā)和城鎮(zhèn)化加速的背景下，暴雨洪澇災(zāi)害已成為最突出的城市災(zāi)害之一，特別是短歷時(shí)強(qiáng)降水致災(zāi)性極強(qiáng)，嚴(yán)重危及城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和公眾的正常生活。梅超等(2017)提出在氣候變化和城市化的雙重影響下，城市暴雨發(fā)生機(jī)制和主要特征已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，對(duì)城市短歷時(shí)暴雨的發(fā)生與演變機(jī)理、時(shí)空結(jié)構(gòu)與變化特征、氣候變化和城市化對(duì)城市短歷時(shí)強(qiáng)降水的影響機(jī)制研究非常迫切。短歷時(shí)強(qiáng)降水的研究引起很多學(xué)者的重視，賀芳芳等(2017)利用上海地區(qū)138個(gè)自動(dòng)氣象站2007—2014年降水?dāng)?shù)據(jù)分析該地短歷時(shí)強(qiáng)降水引起城市積澇淹沒時(shí)的小時(shí)臨界面雨量。邵明陽(yáng)等(2018)利用江西省1895個(gè)氣象觀測(cè)站2007—2015年逐小時(shí)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了短歷時(shí)(1、3、6 h)強(qiáng)降水的年際變化、季節(jié)變化、日變化和空間分布特征。李鑫鑫等(2018)利用中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集中1、6、24 h 的年最大降水量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，研究了降水的隨機(jī)性以及空間差異性。利用長(zhǎng)年代雨量資料進(jìn)行短歷時(shí)強(qiáng)降水分析的文章也屢見不鮮，洪國(guó)平等(2018)利用武漢氣象站1981—2012年短歷時(shí)(6、12 h)降水極值數(shù)據(jù)模擬了暴雨內(nèi)澇過(guò)程，分析了武漢市內(nèi)澇特征；郝瑩等(2012)利用由虹吸雨量計(jì)反算的安徽省16個(gè)測(cè)站1961—2009年小時(shí)降水資料分析了短歷時(shí)強(qiáng)降水分布情況及變化特征；吳濱等(2015)利用福建省20個(gè)國(guó)家基本氣象站1963—2012年逐分鐘降水資料，分析了短歷時(shí)(1、3、6 h)及24 h降水強(qiáng)度達(dá)暴雨和大暴雨頻次的時(shí)空分布特征以及暴雨極值的空間分布特征。郭渠等(2018)利用重慶地區(qū)34個(gè)氣象站1981—2016年逐分鐘降水資料，對(duì)10、60、360、1440 min短歷時(shí)強(qiáng)降水空間分布規(guī)律和分區(qū)進(jìn)行了分析。這些研究既凸顯了學(xué)者們對(duì)短歷時(shí)降水分布規(guī)律的日趨重視，也反映了對(duì)于小時(shí)乃至分鐘級(jí)別降水資料的需求越來(lái)越精細(xì)化。然而，以上研究針對(duì)較長(zhǎng)年代降水資料的使用均存在一個(gè)問(wèn)題，即將自動(dòng)、人工觀測(cè)降水資料直接對(duì)接使用。2004年以前國(guó)家氣象站降水量的觀測(cè)方式為人工觀測(cè)(如虹吸式雨量計(jì)、翻斗式雨量計(jì)等觀測(cè)方式，以雨量自記紙的形式記錄)，2004年以后為自動(dòng)觀測(cè)(如雙閥容柵式雨量傳感器、稱重式雨量傳感器等觀測(cè)方式，以數(shù)值的形式記錄)，因此，兩套降水觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的長(zhǎng)時(shí)間序列在2004年前后存在觀測(cè)方式、記錄方法以及資料處理方法等差別。方怡等(2017)指出一次降水過(guò)程其觀測(cè)方式、資料處理方法的不同可能導(dǎo)致最終的分鐘雨量資料存在一定的差異或不連續(xù)。自動(dòng)觀測(cè)、人工兩種觀測(cè)方式帶來(lái)的短歷時(shí)雨量差異問(wèn)題值得探討。

很多學(xué)者對(duì)自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)雨量存在的差異進(jìn)行了對(duì)比分析，王穎等(2007)基于我國(guó)700個(gè)氣象站2001—2005年月降水量數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)、人工觀測(cè)雨量結(jié)果進(jìn)行了差異分析。任芝花等(2007)利用全國(guó)627個(gè)基準(zhǔn)、基本站2005年自動(dòng)、人工日和年降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了兩種觀測(cè)方式下的降雨量差異以及引起差異的原因。曹春榮(2010)利用2008—2009年福州自動(dòng)、人工觀測(cè)日降水量數(shù)據(jù)，對(duì)兩種觀測(cè)方式下的年、月、日降雨量差值百分率進(jìn)行對(duì)比分析。以上關(guān)于自動(dòng)、人工觀測(cè)雨量的差異分析多基于日雨量數(shù)據(jù)，且集中于年、月、日等相對(duì)較大的時(shí)間尺度，基于小時(shí)乃至分鐘尺度的自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)雨量差異分析的研究極為少見，方怡等(2017)曾基于分鐘數(shù)據(jù)對(duì)兩種觀測(cè)下的雨量進(jìn)行了比較，但分析重點(diǎn)在于年、月、日以及暴雨日短歷時(shí)降水，未對(duì)不同時(shí)段短歷時(shí)雨量進(jìn)行比較，且僅使用3個(gè)站點(diǎn)合計(jì)9年的同期資料，資料較少。

近年來(lái)基于分鐘資料的短歷時(shí)雨量數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于城市暴雨強(qiáng)度公式編制和雨型確定工作中，郭渠等(2015)、胡昌瓊等(2016)、方怡等(2016)、魯俊等(2018)均利用長(zhǎng)年代分鐘雨量數(shù)據(jù)編制城市暴雨強(qiáng)度公式，這些工作是城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，2016)以及《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》(中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和中國(guó)氣象局，2014)的要求，該項(xiàng)目工作以長(zhǎng)年代(30 a 以上)分鐘降水資料為基礎(chǔ)，逐年提取5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min 這11個(gè)短歷時(shí)最大雨量值作為分析樣本。上述導(dǎo)則將短歷時(shí)降水定義為歷時(shí)在180 min 以內(nèi)的降水，本文后續(xù)分析中的短歷時(shí)指以上5～180 min之間的11個(gè)歷時(shí)。

本文在方怡等(2017)的研究基礎(chǔ)上，利用湖北省11個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站2005—2007年自動(dòng)、人工觀測(cè)同期分鐘雨量資料，分析以上11個(gè)歷時(shí)年最大雨量數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱短歷時(shí)雨量)存在的差異，在此基礎(chǔ)上建立自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量關(guān)系方程，將人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量數(shù)據(jù)訂正到自動(dòng)觀測(cè)同一水平，期望為實(shí)現(xiàn)資料的有效、合理對(duì)接，提高設(shè)計(jì)暴雨雨強(qiáng)及雨型、氣候變化分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

在湖北省內(nèi)選取具有2005—2007年自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)同期分鐘雨量資料且地理位置分布均勻的國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站，最終選取黃石、紅安、荊州、京山、仙桃、鄖西、房縣、南漳、宜昌、利川、五峰這11個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)在湖北省內(nèi)的具體分布情況見下圖1。資料來(lái)源于湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，經(jīng)過(guò)質(zhì)量審核。

1.2 方法

1)數(shù)據(jù)提取。通過(guò)連續(xù)滑動(dòng)法，從以上11個(gè)站點(diǎn)2005—2007年3 a同期自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)分鐘雨量資料中分別逐年滑動(dòng)提取5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min這11個(gè)短歷時(shí)的最大雨量值及對(duì)應(yīng)的開始時(shí)間，得到363對(duì)自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)差異分析數(shù)據(jù)。

圖1 湖北省11個(gè)國(guó)家氣象站分布情況圖Fig.1 Distribution of 11 national weather stations(showed by red dots)over Hubei province.

2)偏差分析。從時(shí)間偏差、雨量偏差、設(shè)定時(shí)間偏差范圍進(jìn)行雨量差異分析三方面比較自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量提取結(jié)果的差異。時(shí)間偏差指自動(dòng)、人工觀測(cè)的最大雨量開始時(shí)間提取結(jié)果的差異，即自動(dòng)觀測(cè)最大雨量開始時(shí)間減去人工觀測(cè)最大雨量開始時(shí)間，以其絕對(duì)值表示。雨量偏差定義為自動(dòng)、人工觀測(cè)的最大雨量值提取結(jié)果的差異，即自動(dòng)觀測(cè)的雨量減去人工觀測(cè)的雨量后與人工觀測(cè)雨量的比值。特定時(shí)間偏差范圍的雨量差異指選取自動(dòng)、人工觀測(cè)的最大雨量時(shí)間偏差范圍在0～5 min 以及0～2 min的樣本，對(duì)其分別進(jìn)行雨量偏差分析。

3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，建立自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量關(guān)系方程。

2 結(jié)果與分析

對(duì)通過(guò)滑動(dòng)提取得到的363對(duì)自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)短時(shí)雨量結(jié)果序列，從提取的開始時(shí)間、雨量大小上進(jìn)行比較。

2.1 開始時(shí)間偏差

表1給出自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量開始時(shí)間偏差對(duì)應(yīng)次數(shù)及占比。從中看到，時(shí)間偏差分為0～2、3～5、6～10、11～20、20～1440、＞1440 min 共6 檔，同時(shí)對(duì)偏差范圍0～5、0～10 min 的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中較為關(guān)注的60 min 降水歷時(shí)為例，共有時(shí)間偏差數(shù)據(jù)33對(duì)，時(shí)間偏差在以上6檔出現(xiàn)的次數(shù)分別為16、8、5、2、2、0，時(shí)間偏差在0～5、0～10 min范圍分別出現(xiàn)了24、29次，自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量開始時(shí)間的偏差范圍多集中在0～5 min。其余10個(gè)歷時(shí)降水的時(shí)間偏差與60 min的基本類似。從其占比看，11個(gè)歷時(shí)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的雨量開始時(shí)間的偏差范圍多集中在0～5 min，絕大部分占各歷時(shí)樣本數(shù)的60.0%以上，特別是降水歷時(shí)20、120 min情況下占到了樣本數(shù)的75.8%。當(dāng)開始時(shí)間的偏差范圍擴(kuò)大到0～10 min時(shí)，絕大部分占各歷時(shí)樣本數(shù)的70.0%以上，特別是降水歷時(shí)15、60 min情況下占樣本數(shù)的87.9%。由此可見，利用自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的分鐘雨量數(shù)據(jù)提取短歷時(shí)雨量時(shí)，對(duì)降水過(guò)程的判斷基本是一致的，兩者選取的是同一降水過(guò)程。

表1 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量開始時(shí)間偏差對(duì)應(yīng)次數(shù)及占比統(tǒng)計(jì)Table 1 The number of times and percentages of the deviation corresponding to the starting-time between the automatic and manual short-duration rainfall.

2.2 雨量偏差

表2為自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量在指定偏差范圍內(nèi)的次數(shù)及占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從中可見，雨量偏差分為＜-10、[-10,-5)、[-5, 0)、[0, 5]、(5, 10]、(10,20)、≥20 共7 檔，同時(shí)對(duì)偏差范圍在±5%、±10%的情況進(jìn)行次數(shù)及占比統(tǒng)計(jì)。以降水歷時(shí)60 min為例，產(chǎn)生短歷時(shí)雨量偏差數(shù)據(jù)33對(duì)，雨量偏差在以上7檔出現(xiàn)的次數(shù)分別為6、0、9、11、4、1、2，自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏差主要在±5%范圍內(nèi)，共達(dá)到了20 次，占比60.6%。其余10個(gè)歷時(shí)雨量偏差情況與60 min 的基本類似。從次數(shù)合計(jì)結(jié)果看，自動(dòng)觀測(cè)的比人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏大的共出現(xiàn)221次，偏小的出現(xiàn)140次，自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)偏大的情況居多，占樣本總數(shù)的60.9%。從占比結(jié)果看，11個(gè)降水歷時(shí)自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏差范圍多集中在±5%之內(nèi)，基本占各歷時(shí)樣本數(shù)的30.0%以上，當(dāng)雨量偏差范圍擴(kuò)大到±10%時(shí)，基本占各歷時(shí)樣本數(shù)的60.0%以上。11個(gè)降水歷時(shí)共有68.6%的樣本自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏差范圍在±10%。由此可見，自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量提取結(jié)果比較吻合。

表2 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量在指定偏差范圍內(nèi)的次數(shù)及占比Table 2 The number of times and percentages when the deviation within a specified range between the automatic and manual short-duration rainfall.

2.3 設(shè)定時(shí)間偏差范圍進(jìn)行雨量差異分析

通過(guò)表1可知，從363對(duì)自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量時(shí)間提取結(jié)果差異分析數(shù)據(jù)中，11個(gè)降水歷時(shí)共有239 對(duì)樣本的時(shí)間偏差在0～5 min 范圍，占樣本總數(shù)的65.8%。這說(shuō)明在絕大部分情況下從自動(dòng)觀測(cè)、人工觀測(cè)兩套分鐘資料中提取短歷時(shí)雨量選取的是同一降水過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定時(shí)間偏差范圍為0～5 min 進(jìn)行雨量偏差分析，同時(shí)進(jìn)一步將時(shí)間偏差范圍縮小到0～2 min進(jìn)行相應(yīng)分析。

表3 時(shí)間偏差范圍為0～5 min時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The rainfall deviation of each precipitation duration when setting the range of time deviation from 0 to 5 mins.

表3給出了時(shí)間偏差范圍為0～5 min時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差情況。由表3 可知，滿足時(shí)間偏差范圍在0～5 min 內(nèi)的入圍樣本總數(shù)(A)共239 對(duì)。自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏大的樣本數(shù)(B)占入圍樣本總數(shù)(A)的67.8%，特別是15、30、45 降水歷時(shí)，偏大情況均占對(duì)應(yīng)降水歷時(shí)入圍樣本數(shù)的80%以上；自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏差在±10%以內(nèi)的樣本數(shù)(D)占入圍樣本總數(shù)(A)的76.6%，在降水歷時(shí)為45、60、90、120、150、180 min的情況下，偏差在±10%以內(nèi)的樣本分別占到對(duì)應(yīng)降水歷時(shí)入圍樣本數(shù)的80%以上；自動(dòng)較人工觀測(cè)雨量偏差在±5%以內(nèi)的樣本數(shù)(F)占入圍樣本總數(shù)(A)的54.4%，在降水歷時(shí)為60、120、150 min情況下，偏差在±5%以內(nèi)的樣本分別占到對(duì)應(yīng)降水歷時(shí)入圍樣本數(shù)的70%以上。將以上分析結(jié)果與表2中的結(jié)果進(jìn)行比較可知，設(shè)定時(shí)間偏差范圍為0～5 min，雨量偏差在±5%、±10%范圍內(nèi)的樣本占比得到提高，自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量提取結(jié)果非常吻合。

圖2給出了時(shí)間偏差范圍0～5 min時(shí)各歷時(shí)的雨量偏差情況，由圖可以更加直觀地看出，雨量偏差大于0 的跡線顯著多于偏差小于0 的情況，說(shuō)明從自動(dòng)觀測(cè)分鐘雨量數(shù)據(jù)中提取的短歷時(shí)雨量普遍較人工觀測(cè)結(jié)果偏大，且雨量偏差結(jié)果主要±10%以內(nèi)。但存在個(gè)別場(chǎng)次雨量偏差結(jié)果較大的情況，例如在降水歷時(shí)180、150 min 分別出現(xiàn)1 次自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏差結(jié)果大于80.0%的情況。

圖2 設(shè)定時(shí)間偏差0～5 min范圍時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差情況圖(單位:%)Fig.2 The rainfall deviation of each precipitation duration when setting the range of time deviation from 0 to 5 mins.

表4 給出時(shí)間偏差范圍為0～2 min 時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差情況。由表4 可知，滿足時(shí)間偏差范圍在0～2 min 內(nèi)的入圍樣本總數(shù)(A)共133 對(duì)，自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏大的樣本數(shù)(B)占到入圍樣本總數(shù)的66.9%，在降水歷時(shí)為90 min 的情況下，自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏大情況占入圍樣本數(shù)的100%；自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量偏差在±10%以內(nèi)的樣本數(shù)(D)占入圍樣本總數(shù)的81.2%，偏差在±5%以內(nèi)的樣本數(shù)(F)占入圍樣本總數(shù)的58.6%。

表4 時(shí)間偏差范圍為0～2 min時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 The rainfall deviation of each precipitation duration when setting the range of time deviation from 0 to 2 mins.

圖3 給出了設(shè)定時(shí)間偏差0～2 min 范圍時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差情況，結(jié)果與圖2 非常類似，雨量偏差大于0 的跡線顯著多于偏差小于0 的情況，從自動(dòng)觀測(cè)分鐘雨量數(shù)據(jù)中提取的短歷時(shí)雨量普遍較人工觀測(cè)結(jié)果偏大，且雨量偏差結(jié)果主要集中在±10%以內(nèi)。

將表3、4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，將時(shí)間偏差縮小到0～2 min，從合計(jì)結(jié)果來(lái)看自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏差在±5%、±10%范圍的樣本占比均有所提高，如自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)偏差±10%以內(nèi)所占比例由原來(lái)的76.6%，提高到了81.2%，這也說(shuō)明時(shí)間偏差越小，從自動(dòng)、人工觀測(cè)兩套分鐘資料中提取的短歷時(shí)雨量結(jié)果吻合度也會(huì)越高。

2.4 雨量偏差產(chǎn)生的原因

上述分析表明，即便設(shè)定時(shí)間偏差范圍在5 min以內(nèi)以確保從自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)兩套分鐘資料中提取的短歷時(shí)雨量來(lái)自同一降水過(guò)程，仍然存在個(gè)別場(chǎng)次雨量偏差結(jié)果較大的情況。方怡等(2017)、任芝花等(2007)、曹春榮(2010)、熊麗等(2013)、張?jiān)浦?2012)等的相關(guān)研究中均存在自動(dòng)較人工觀測(cè)雨量偏大的情況，造成差異的原因主要集中在空間采樣差引起的單次對(duì)比差異、觀測(cè)數(shù)據(jù)采集方式不同、觀測(cè)時(shí)間不同步、人為讀數(shù)誤差以及其它突發(fā)事件等各方面，其中觀測(cè)數(shù)據(jù)采集方式不同是主要原因，自動(dòng)觀測(cè)雨量測(cè)量傳感器的計(jì)數(shù)翻斗十分靈敏，特別是大雨時(shí)翻斗由于慣性作用翻轉(zhuǎn)過(guò)程較快容易導(dǎo)致自動(dòng)雨量測(cè)量值大多比人工觀測(cè)值偏大。

圖3 設(shè)定時(shí)間偏差0～2min范圍時(shí)各降水歷時(shí)的雨量偏差情況圖(單位:%)Fig.3 The rainfall deviation of each precipitation duration when setting the range of time deviation from 0 to 2 mins.

上述前人的研究主要集中于年、月、日時(shí)間尺度的降水，對(duì)于基于分鐘數(shù)據(jù)提取的自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量，造成較大差異更多的時(shí)候是由于一些不可控的人為或自然因素。例如，人工觀測(cè)雨量自記紙的換上換下時(shí)間由觀測(cè)員肉眼讀取，再手寫在自記紙上，與自動(dòng)觀測(cè)儀器時(shí)間可能存在細(xì)微差別；雨量自記紙換紙時(shí)如遭遇大的降水過(guò)程，會(huì)造成人工雨量觀測(cè)記錄短暫缺失；自動(dòng)、人工觀測(cè)雨量?jī)x器不可避免都會(huì)存在發(fā)生故障的情況，對(duì)于缺測(cè)分鐘數(shù)據(jù)的處理，自動(dòng)觀測(cè)分鐘雨量數(shù)據(jù)一旦缺測(cè)將無(wú)法挽回，人工觀測(cè)可以用缺測(cè)時(shí)段的總雨量平滑到每分鐘。短歷時(shí)雨量是從逐年的分鐘雨量數(shù)據(jù)中滑動(dòng)提取各歷時(shí)的最大值，大雨期間一旦出現(xiàn)以上誤差或缺測(cè)情況，都會(huì)造成自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量結(jié)果存在巨大差異。

2.5 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量關(guān)系方程

鑒于自動(dòng)觀測(cè)的精度更高，將人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量結(jié)果作為自變量，訂正到自動(dòng)觀測(cè)的同一水平。為了建立自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量關(guān)系方程，排除異常情況干擾，設(shè)定時(shí)間偏差在0～2 min內(nèi)，對(duì)入圍的兩套數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)、建立線性方程，具體結(jié)果見表5。由表5可知，各歷時(shí)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)兩套短歷時(shí)雨量數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)介于0.92～1.00 之間，兩套數(shù)據(jù)高度相關(guān)，在降水歷時(shí)為90 min時(shí)相關(guān)系數(shù)高達(dá)1.00。

表5 自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的不同降水歷時(shí)的雨量關(guān)系方程Table 5 The relationship equation between the automatic and manual short-duration rainfall at each precipitation duration

兩種觀測(cè)的不同歷時(shí)雨量關(guān)系方程的建立，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的短歷時(shí)雨量資料的有效、合理對(duì)接。在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，該關(guān)系方程適用于少數(shù)原始樣本數(shù)據(jù)缺測(cè)或有爭(zhēng)議的情況下，在設(shè)計(jì)暴雨雨強(qiáng)及雨型以及開展氣候變化分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作中有利于提高資料的準(zhǔn)確性和可利用率。

3 結(jié)論與討論

從湖北省內(nèi)黃石等11個(gè)國(guó)家氣象站2005—2007年同期自動(dòng)、人工觀測(cè)分鐘雨量數(shù)據(jù)中分別提取了5、10、15、25、30、45、60、90、120、150、180 min 這11個(gè)短歷時(shí)的最大雨量值及開始時(shí)間，并進(jìn)行了差異分析，結(jié)果如下：

(1) 自動(dòng)、人工觀測(cè)兩套分鐘雨量數(shù)據(jù)在進(jìn)行短歷時(shí)雨量提取時(shí)，對(duì)降水過(guò)程的判斷基本一致，兩者選取同一降水過(guò)程。11個(gè)降水歷時(shí)自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量開始時(shí)間提取結(jié)果的偏差多集中在0～5 min，絕大部分占各歷時(shí)樣本數(shù)的60.0%以上；偏差范圍0～10 min 時(shí)，絕大部分占各歷時(shí)樣本數(shù)的70.0%以上。

(2) 11個(gè)降水歷時(shí)自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量提取結(jié)果比較吻合，兩者雨量偏差范圍在±10%以內(nèi)的情況占樣本總數(shù)的68.6%，且自動(dòng)觀測(cè)較人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量偏大的情況居多，占樣本總數(shù)的60.9%。

(3)設(shè)定時(shí)間偏差范圍為0～5 min，自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量提取結(jié)果非常吻合。兩者雨量偏差在±10%以內(nèi)的情況占樣本總數(shù)的76.6%。將時(shí)間偏差縮小到0～2 min，自動(dòng)、人工觀測(cè)兩套分鐘資料中提取的短歷時(shí)雨量結(jié)果吻合度進(jìn)一步提高。

(4)分別建立了11個(gè)歷時(shí)的自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量關(guān)系方程，兩套數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92 以上，自動(dòng)、人工觀測(cè)短歷時(shí)雨量變化非常一致。

本文所用自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)同期分鐘雨量數(shù)據(jù)僅局限于2005—2007年這3 a，樣本量不足帶來(lái)的分析結(jié)果的代表性問(wèn)題有待后續(xù)資料豐富后作進(jìn)一步研究。此外，降水觀測(cè)資料本身存在著受地域影響差異較大、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，湖北省地域廣闊，自動(dòng)、人工觀測(cè)兩套降水資料之間的差異是否也會(huì)受到地域影響？?jī)商踪Y料間短歷時(shí)雨量關(guān)系方程的建立是否有必要進(jìn)行分區(qū)處理？目前受限于擁有自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)同期分鐘雨量數(shù)據(jù)的站點(diǎn)相對(duì)較少，以上疑問(wèn)有待資料站點(diǎn)、年份進(jìn)一步增加后進(jìn)行深入探討。