区域站降水空间回归质量控制方法和应用

摘要 区域站降水资料在水资源管理、灾害预测预警和区域可持续发展研究等方面的地位已越来越重要。然而，空间降水插补、质量控制一直是个难题。该文详细介绍了区域站逐小时降水资料插补、空间回归质量控制方法，并结合湖北省2006年-2008年938个区域站、84个国家站的逐小时降水量资料，应用该质量控制方法检验，制作区域站日降水资料数据集。结果表明：空间回归检验方法适用于对单一要素的检验，能够有效检验出可疑数据，对降水空间变化比较大的要素，该方法有较好的检验效果。

关键词空间回归检验；插补；质量控制；降水

中图分类号 P4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0191-02

0 引言

我国南方地区地形复杂，夏季降水频繁、暴雨多，常引发泥石流、滑坡等地质灾害，降水为泥石流和滑坡灾害的主要诱因之一，如果能了解较小尺度上的降水情况，则对局地泥石流、滑坡防御减灾具有重大的意义。然而，气象观测站点有限，观测的降雨量只代表点处的降雨，唯有对区域内有限的观测站点的降水数据进行插值，获取较高空间分辨率的区域降水量信息。另外，由于区域气象站运行方式为无人值守，数据采集以及传输受到电力、通信条件的限制，数据质量一直是广大资料使用人员和业务管理者关注的课题。针对降水资料时间和空间分布不连续性特点，采用空间回归方法、数据持续性、分位数分析等原理，设计区域站降水资料的质量控制流程，制作区域站日降水资料数据集。

1 空间回归检验方法

空间回归检验方法，是以参考站的观测值来判断被检验站的观测值是否在一定可接受的范围之内。选取与被检验站最近的一批邻近站，以邻近站和被检验站的一元回归方程的均方根误差为依据，最终确定最小均方根误差的5个邻近站为参考站。给均方根误差小的参考站以大的权重来计算被检验站观测值的加权估计值和估计值的加权标准差。用加权估计值和估计值的加权标准差确定被检验站实测值的范围，如果超出范围，则认为数据可疑。

具体计算步骤如下：

1）选取月缺测率

2）读取被检台站全月逐日降水数据，全月降水数据没有变化的该月台站被剔除；

3）将被检台站全月逐日降水数据序列，逐对计算参考站与被检验站之间的相关系数，并进行相关系数的显著性检验，对于没有通过显著性检验的台站，从参考站中剔除（相关系数标准为0.6）；

4）如果参考站少于5个，则该被检验站不再做进一步的空间检查。

5）逐对建立被检验站与各参考站的回归方程， 为被检验站逐日要素估计值，为参考站逐日要素值；

6） 对每一对回归方程的均方根误差由小到大排序后，找到前5个最小值。即确定有最小均方根误差的5个参考站；

7）求每对被检验站与参考站建立的回归方程的均方根误差s。

其中，s为均方根误差，为被检验站某日的实测值，为被检验站该日的估计值，因为是一元回归方程，m = 1，n 为日数；

8）计算被检验站的加权估计值。

，

其中， 为相应的该日估计值，n为站数(由于挑选的是5个站，所以n = 5)， 为所选5站的均方根误差；

9）求估计值的加权标准差

，

；

10）检验被检验站实测值，如果超出范围，认为数据可疑。，为质量控制参数，简称质控参数。

每个被检验值重复（8）-（10）步，逐值检查。

2 区域站降水质量控制和应用

2006年-2008年湖北省938个区域站、84个国家站的逐小时降水量资料为例，采用空间回归检验方法对其进行质量控制，制作2006-2008年湖北省区域站日降水资料数据集。

操作步骤如下：

1）RIIiiiMM.YYY文件解析，统计逐小时、日降水量

解析区域站全月逐分钟降水量值文件（RIIiiiMM.YYY），用分钟降水量统计逐小时降水量、历时值，08时到08时日降水量、历时值，20时到20时日降水量、历时值入数据库。

小时降水量统计，如果某小时中有一分钟数据缺测（文件中标识为“//”）则该小时为缺测；有一分钟没有观测数据（文件中标识为 “ -”）则该小时没有观测数据。

日降水量统计，分为20时到20时日降水量和08时到08时日降水量两类。如果某日（24个时次）降水量缺测或没有记录多于1个时次，则该日降水量缺测；只有一次缺测或没有记录时，该时次的雨量以无降水代替，即降水量=0，再累加统计该日降水量。

2）选取邻近站

选取邻近站的条件为：

（1）拔高相差200m以上不能作为邻近参考站；

（2）两站距离超过80km以上不能作为邻近参考站。

设第一点A的经度LonA、 纬度LatA，第二点B的经度LonB、纬度LatB，按照0度经线的基准，东经取经度的正值，西经取经度负值，北纬取90-纬度值，南纬取90+纬度值，则经过上述处理过后的两点被计为(MLonA， MLatA)和(MLonB， MLatB)。根据三角推导，计算地球上两点间的距离公式：

R*Arccos(C)*Pi/180

其中，R=6371.004，地球的平均半径，

Pi=3.1415926，圆周率，

C=sin(MLatA)*sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)。

3）逐小时降水量插补

逐小时降水量进行插补条件：

（1）被检区域站某月缺测率小于30%（缺测率大于等于30%不进行插补操作）；

（2）选择三个邻近站同期的资料对被检区域站逐小时缺测的资料进行插补。

所选邻近站包含，与被检区域站距离最近的一个邻近国家站和月缺测率小于5%的两个邻近区域站。如果三个邻近站该小时（指缺测数据时间）的前后2小时降水量均为0，则被检区域站该小时降水量为0，插补标记为32700。

以月、站为单位，统计区域站插补后逐小时降水量资料月缺测率。

4）用插补后分钟降水量统计逐小时降水量、历时值，08时到08时日降水量、历时值，20时到20时日降水量、历时值入数据库。具体方法同步骤（1）。

5）采用上述空间回归检验方法，对插补后的日降水量数据进行质量控制。记录质量控制结果以及没有达到质量控制条件的台站资料情况。

6）制作区域站日降水资料数据集

（1）将质量控制后的数据按月生成区域站日降水资料数据集，格式为：区站号、日期、20时到20时日降水总量、08时到08时日降水总量、小时最大降水量（20时到20时为日界）。数据集中，插补后得到的数据用 “原始数据+20000”表示，见图1；

（2）该月所有被检台站、未作质量控制的台站、做过质量控制台站情况说明；

（3）做过质量控制台站的详细情况，例如：区站号、所在市、所在地区、站名、地址、经度、纬度、拔海高度、仪器型号、仪器出厂单位、建站时间、资料开始传送时间。

图1 制作区域站日降水资料数据集

参考文献

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