趙華睿，宋 煜，李昱茜，鄔曉冬，張丹闖，高 磊

（大連市氣象局，遼寧 大連 116001）

1 引言

暴雨是一種具有較為明顯的局地性變化特征的天氣過程，一般會(huì)對(duì)幾十至幾千平方公里的區(qū)域產(chǎn)生影響，甚至可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。暴雨強(qiáng)度公式的編制以水文氣象頻率分析理論為依據(jù)，以現(xiàn)有降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算暴雨量、暴雨強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)圖表。暴雨強(qiáng)度公式是科學(xué)、合理地制定項(xiàng)目排水專業(yè)規(guī)劃以及工程排水設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，能夠?yàn)槭姓ㄔO(shè)、水務(wù)、規(guī)劃等部門提供科學(xué)的理論依據(jù)和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，在進(jìn)行項(xiàng)目排水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)排水量應(yīng)通過當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，因此合理編制暴雨強(qiáng)度公式是提高城市防災(zāi)減災(zāi)和防洪排澇能力的現(xiàn)實(shí)需要。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］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》［2］，編制暴雨強(qiáng)度公式所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為長(zhǎng)年代歷史不同歷時(shí)年最大雨量［3-5］，該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需由分鐘雨量資料計(jì)算而得。目前，長(zhǎng)年代歷史數(shù)據(jù)主要來自于數(shù)字化自記紙雨量資料。通常氣象工作者在進(jìn)行暴雨強(qiáng)度公式編制和雨型分析時(shí)，多直接采用數(shù)字化自記紙雨量資料而未對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制，這顯然有失偏頗。一方面自動(dòng)站的雨量傳感器可能出現(xiàn)故障［6］，對(duì)于儀器的校準(zhǔn)工作，至今仍需探討［7］；另一方面自動(dòng)站的數(shù)據(jù)需要合理的質(zhì)量控制［8-10］。目前，已有許多關(guān)于自記紙雨量資料的數(shù)字化方法的研究［11-16］，這些研究多以介紹數(shù)字化方法步驟為主；也有一些研究［17-23］分析比較了自動(dòng)與人工觀測(cè)之間的差異，這些研究多為基于日雨量進(jìn)行年、月、日雨量的分析比較，而基于編制暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法的研究至今鮮有報(bào)道。

本文收集了年報(bào)表資料記錄的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將其與數(shù)字化自記紙雨量資料計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并通過翻查紙質(zhì)自記紙雨量資料對(duì)存在差異較大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制。其中，年報(bào)表資料是由測(cè)報(bào)員對(duì)自記紙進(jìn)行人工讀取并記錄的。通過上述工作總結(jié)了如何對(duì)用于編制暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制才能使之更為真實(shí)、合理，進(jìn)而使編制的暴雨強(qiáng)度公式更符合實(shí)際情況。期望該工作能夠?yàn)榻窈蟮谋┯陱?qiáng)度公式編制工作提供參考。

2 資料和方法

本文選用的資料為瓦房店、長(zhǎng)海、莊河和大連四站1980～2000年紙質(zhì)自記紙雨量資料、數(shù)字化自記紙雨量資料和年報(bào)表資料。暴雨強(qiáng)度公式編制工作所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為各歷時(shí)年最大雨量，年報(bào)表資料直接記錄了該數(shù)據(jù)，以下簡(jiǎn)稱年報(bào)表雨量；紙質(zhì)自記紙雨量資料和數(shù)字化自記紙雨量資料記錄的均為逐分鐘雨量，對(duì)此需采用滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)法計(jì)算各歷時(shí)年最大雨量，以下分別簡(jiǎn)稱為紙質(zhì)雨量和數(shù)字化雨量。

本文將上述四站同年同歷時(shí)的數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)分析其差異情況，并通過翻查紙質(zhì)雨量分析較大差異的成因，根據(jù)成因給出對(duì)用于編制暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的依據(jù)。綜合考慮相關(guān)規(guī)范［1-2］和各雨量資料情況，本文針對(duì)5、10、15、20、30、45、60、90、120和180min共10個(gè)歷時(shí)進(jìn)行比較和分析。

3 資料差異分析

通過將各站同年同歷時(shí)的數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量進(jìn)行差值比較，發(fā)現(xiàn)二者之間的差異最小為0（表1），最大可達(dá)30.45mm（表2）。由表1、表2可見，瓦房店、長(zhǎng)海、莊河和大連的差異最小值分別以10min、5min、30min和30min歷時(shí)最大，分別為0.10 mm、0.12 mm、0.11mm和0.07mm；差異最大值分別以5min、45min、45min和180min歷時(shí)最大，分別為4.31 mm、13.51 mm、22.41 mm和30.45 mm。為了進(jìn)一步了解數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量存在差異的數(shù)據(jù)量，統(tǒng)計(jì)各站各歷時(shí)數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量差異的出現(xiàn)頻數(shù)發(fā)現(xiàn)，瓦房店差異為0的情況僅在90min和120min各出現(xiàn)過1次、180min出現(xiàn)過4次；長(zhǎng)海僅在30min和60min各出現(xiàn)過1次；莊河僅在45min出現(xiàn)過1次；大連僅在5min和10min各出現(xiàn)過1次。下面僅對(duì)這些存在差異的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 各站各歷時(shí)數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量差異最小值表

表2 各站各歷時(shí)數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量差異最大值表

為了進(jìn)一步分析數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量之間的差異，根據(jù)差異大小將其分為三類：當(dāng)差異小于5mm時(shí)定義為A類，該類屬于差異較小，在誤差允許范圍內(nèi)的情況；當(dāng)差異達(dá)到5mm且小于10mm時(shí)定義為B類，該類屬于差異較大的情況；當(dāng)差異達(dá)到10mm時(shí)定義為C類，該類為需要特別注意并進(jìn)行分析討論的情況。統(tǒng)計(jì)各站各歷時(shí)A、B、C三類誤差出現(xiàn)的頻率（圖1）發(fā)現(xiàn)：瓦房店各歷時(shí)均僅出現(xiàn)A類差異；長(zhǎng)海歷時(shí)超過15min時(shí)均存在B類差異，45min歷時(shí)還出現(xiàn)了C類差異，各歷時(shí)A類差異均在90%以上；莊河歷時(shí)超過5min時(shí)均存在B類或C類差異，60min、120min歷時(shí)同時(shí)出現(xiàn)了B類和C類差異，除120min歷時(shí)A類差異為85.7%外，其余各歷時(shí)A類差異均在 90% 以上；大連 10min、30min、60min、90min歷時(shí)僅出現(xiàn)A類差異，其余各歷時(shí)均出現(xiàn)了B類或C類差異，180min歷時(shí)同時(shí)出現(xiàn)了B類和C類差異，除180min歷時(shí)A類差異為85.7%外，其余各歷時(shí)A類差異均在90%以上。由此可見，各站均以A類差異為最多，B類和C類差異相對(duì)較少；A類和B類差異可能出現(xiàn)在各個(gè)歷時(shí)，歷時(shí)低于20min時(shí)沒有出現(xiàn)過C類差異，較大差異一般出現(xiàn)在較長(zhǎng)歷時(shí)。

4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制

在對(duì)編制暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，需要關(guān)注的是B類和C類差異，從上述統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)這兩類差異明顯少于A類差異。對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制應(yīng)針對(duì)B類和C類差異，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，瓦房店僅出現(xiàn)A類差異，故不再對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行的質(zhì)量控制，首先，記錄長(zhǎng)海、莊河、大連三站數(shù)字化雨量和年報(bào)表雨量之間差異為B類或C類的年份、歷時(shí)以及開始計(jì)算雨量的時(shí)間，然后，對(duì)照開始計(jì)算雨量的時(shí)間翻查并讀取紙質(zhì)雨量，最后，將讀取的紙質(zhì)雨量分別與數(shù)字化雨量、年報(bào)表雨量進(jìn)行比較，輔以翻查數(shù)字化雨量原文件等方法，分析數(shù)字化雨量和年報(bào)表雨量的合理性，從而對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的質(zhì)量控制。通過上述方法，綜合比較及分析結(jié)果，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要存在四種情況，下面將以舉例的方式分別對(duì)其進(jìn)行描述及說明。

其一，以接近紙質(zhì)雨量為準(zhǔn)。根據(jù)計(jì)算數(shù)字化雨量和年報(bào)表雨量開始計(jì)算雨量的時(shí)間，可以判斷二者是否屬于同一降水過程。當(dāng)數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量在同一降水過程中，且出現(xiàn)較大差異時(shí)，應(yīng)分別將其與同期紙質(zhì)雨量進(jìn)行比較，哪一種更接近紙質(zhì)雨量表明該雨量較為真實(shí)，因此應(yīng)以接近紙質(zhì)雨量的為準(zhǔn)。以莊河1990年180min歷時(shí)（表3實(shí)例a）為例，數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量的差異為-5.24mm，二者開始計(jì)算時(shí)間分別為7月7日4:46和4:50，屬于同一降水過程，二者雨量分別為51.76mm和57.0mm，同期紙質(zhì)雨量分別為56.8mm和57.0mm，可見年報(bào)表雨量與紙質(zhì)雨量更為接近，因此應(yīng)以年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。

圖1 (a)瓦房店、(b)長(zhǎng)海、(c)莊河和(d)大連各歷時(shí)A、B、C類誤差出現(xiàn)的頻率

其二，以較大雨量為準(zhǔn)。無論數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量是否在同一降水過程中，二者均與紙質(zhì)雨量較為接近時(shí)，根據(jù)規(guī)范［1-2］編制暴雨強(qiáng)度公式的采樣方法為“年最大值法”，故應(yīng)以較大雨量為準(zhǔn)。分別以長(zhǎng)海1983年20min歷時(shí)（表3實(shí)例b）和莊河1985年60min歷時(shí)（表3實(shí)例c）為同一降水過程和不同降水過程的例子。長(zhǎng)海數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量的差異為6.90mm，二者開始計(jì)算時(shí)間均為9月14日17:36前后的同一降水過程，二者雨量分別為42.8mm和35.9mm，同期紙質(zhì)雨量分別為42.7mm和36.0mm，可見二者均較為接近紙質(zhì)雨量，因此應(yīng)以較大的數(shù)字化雨量為準(zhǔn)。莊河數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量的差異為21.66mm，二者開始計(jì)算時(shí)間分別為8月7日20:51和8月21日7:00，屬于不同降水過程，二者雨量分別為53.36mm和31.7mm，同期紙質(zhì)雨量分別為53.0mm和32.1mm，可見二者均較為接近紙質(zhì)雨量，因此應(yīng)以較大的數(shù)字化雨量為準(zhǔn)。

其三，采用代替資料。在翻查自記紙雨量資料的過程中注意到對(duì)于一些較大的降水過程自記紙上有時(shí)會(huì)標(biāo)注因儀器故障等原因該段雨量應(yīng)采用實(shí)測(cè)等資料代替，此時(shí)應(yīng)以年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。以大連1985年120min歷時(shí)（表3實(shí)例d）為例，數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量的差異為-14.45mm，二者開始計(jì)算時(shí)間分別為7月9日18:44和8月19日15:10，屬于不同降水過程，二者雨量分別為56.75mm和71.2mm，同期紙質(zhì)雨量分別為55.8mm和26.7mm，紙質(zhì)雨量明顯小于同期年報(bào)表雨量，在自記紙上標(biāo)注著8月19日14～18時(shí)降水采用遙測(cè)雨量自記代替，年報(bào)表在編制時(shí)考慮到了這些在自記紙上的說明，并進(jìn)行了相應(yīng)資料的替換，因此應(yīng)以年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。

其四，自記紙不清晰。自記紙存在不清晰的情況，這種情況可能是由于年代久遠(yuǎn)而導(dǎo)致的字跡模糊，也可能是由于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水而導(dǎo)致的自記線過于密集，此時(shí)應(yīng)以當(dāng)時(shí)記錄為準(zhǔn)，即采用年報(bào)表雨量。以大連1983年45min歷時(shí)（表3實(shí)例e）為例，數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量的差異為6.08mm，二者開始計(jì)算時(shí)間分別為7月31日1:04和0:35前后的同一降水過程，二者雨量分別為53.18mm和47.1mm，同期紙質(zhì)雨量分別為36.4mm和41.7mm，紙質(zhì)雨量均較小，究其原因，為出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致自記線密集，年報(bào)表雨量的確定時(shí)間為當(dāng)年，而數(shù)字化雨量的確定時(shí)間則為近年，因此應(yīng)以確定時(shí)間更接近發(fā)生時(shí)間的年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。

表3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制實(shí)例

5 結(jié)論和討論

本文通過將數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量進(jìn)行比較，分析二者差異最大、最小值及出現(xiàn)頻率情況進(jìn)而了解二者一致性，并對(duì)二者之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而確定各站各歷時(shí)不同大小的差異出現(xiàn)的頻率，再通過翻查紙質(zhì)雨量、數(shù)字化雨量和年報(bào)表雨量對(duì)存在較大差異的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和質(zhì)量控制，以實(shí)例的形式列舉了四種較為常見的需要對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的情況，得到以下結(jié)論。

（1）通過將瓦房店、長(zhǎng)海、莊河和大連四站同年同歷時(shí)的數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量進(jìn)行差值比較，發(fā)現(xiàn)二者之間的差異最小為0，最大可達(dá)30.45mm。四站差異最大值4.31 mm、13.51 mm、22.41 mm和30.45 mm分別出現(xiàn)在5min、45min、45min和180min歷時(shí)。四站差異為0的情況在21a中分別出現(xiàn)過6次、2次、1次和2次。

（2）將數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量之間的差異按大小分類后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，各站差異多小于5mm，達(dá)到5mm以上的較少；小于10mm的差異可能出現(xiàn)在各個(gè)歷時(shí)，達(dá)到10mm以上的沒有在20min以下的歷時(shí)出現(xiàn)過，較大差異一般出現(xiàn)在較長(zhǎng)歷時(shí)。

（3）當(dāng)數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量在同一降水過程中，且差異達(dá)5mm以上時(shí)，應(yīng)以接近同期紙質(zhì)雨量的雨量為準(zhǔn)。無論數(shù)字化雨量與年報(bào)表雨量是否在同一降水過程中，二者均接近同期紙質(zhì)雨量時(shí)，應(yīng)以較大者為準(zhǔn)。

（4）記錄雨量的自記紙上有時(shí)會(huì)標(biāo)注因儀器故障等原因某時(shí)段雨量應(yīng)采用實(shí)測(cè)等其它資料代替，此時(shí)應(yīng)以年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。記錄雨量的自記紙可能存在不清晰的情況，此時(shí)應(yīng)以較為接近當(dāng)時(shí)記錄的年報(bào)表雨量為準(zhǔn)。

本文僅對(duì)差異達(dá)到5mm以上的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了翻查、分析和質(zhì)量控制，是否需要對(duì)差異小于5mm的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制仍需在今后的工作中驗(yàn)證。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，紙質(zhì)資料逐漸向電子資料轉(zhuǎn)變，對(duì)于過去的紙質(zhì)資料進(jìn)行數(shù)字化逐漸成為十分重要的工作，紙質(zhì)資料會(huì)因年代久遠(yuǎn)而出現(xiàn)紙張變質(zhì)、字跡變淡變模糊等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會(huì)成為數(shù)字化工作中的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，盡早完成數(shù)字化工作是一種較好的解決途徑，但考慮其工作量較大，仍會(huì)是今后工作中的一項(xiàng)較為重大的挑戰(zhàn)。