WISKI在降水量合理性檢驗中的應用研究

蔡 樂，趙學麗，王亞娟

（北京市水文總站，100089，北京）

降水的形成機制和預報屬于氣象工作的研究內容，水文工作研究降水量時空分布特征和降水資料的整理及應用。降水量合理性檢驗是判斷降水量數據異常的有效方法，也是發布實時水情信息和降水量資料整編的重要前提。傳統的降水量合理性檢驗完全由人工完成，由于數據量很大，檢驗方法規則不統一，插補方式因人而異，從而導致效率低，數據的可靠性和準確性受到影響。因此，結合計算機的使用，尋求一種高效的降水量數據處理平臺，對水情發報和資料整編都具有重要意義。

2007年引進的水文水環境基礎信息管理系統（Water Management Information System Kisters，簡稱 WISKI）成功應用于北京水文、地下水、水環境業務系統。WISKI由德國Kisters公司研發，經過20多年的開發與應用，已成為一個比較完善的軟件產品。該產品具有強大的業務擴展功能，可根據具體工作需要進行二次開發，進而配置出符合實際要求的各類統計、分析和糾錯功能。WISKI平臺的成功搭建為雨量合理性檢驗和插補工作提供了充分條件，同時也為尋求一種全新的水文數據整理模式提供了探索空間。

一、基本思路

WISKI系統在時序數據的基本運算和數據生成方面有獨特之處，具有較強的整體功能和完整性。WISKI本身沒有提供降水量合理性檢測的解決方案，但它提供了時序計算平臺和一系列通用的時序計算方法，可根據需求進行系統的二次開發，使得降水量合理性檢驗的適應性和靈活性更強。

根據合理性檢驗的需求，以獨立的雨量站降水量時序為基本單位，選取相關性最好的雨量站作為關聯站，進行每場次降水量數據的橫向比較，通過數據值之間的定量關系判別異常數據類型，從而完成降水量合理性檢驗，完整實施流程見圖1。

1.數據采集與錯誤數據類型

圖1 WISKI進行降水量合理性分析流程圖

表1 40a長時間序列雨量站之間相關系數所占總體百分比分布表

目前，北京市水文總站在全市范圍內建設了121個遙測雨量站，雨量傳感器的分辨率為0.5mm，并且在雨水情系統建設中首次使用了CDMA—1X網絡作為主信道、GSM為備用信道的傳輸方案，針對目前的硬件設施情況和近年的使用經驗，遙測降水量數據的錯誤主要有以下幾種類型：

①遷站引起數據缺失。由于山區房屋改造，遙測雨量站被迫遷站而引起數據缺失。

②儀器堵塞引起數據異常。遙測儀器出現堵塞，會造成一次降水后遙測數據連續多日維持在一個較小值范圍內，或者無遙測數據。

③設備故障引起數據異常。由于設備故障，在較長時間內沒有遙測數據。

④人為注水調試引起數據異常。人為注水調試的數據一般會人工剔除，但也不免遺漏未剔除的人工注水數據。

⑤RTU硬件原因導致數據異常。由RTU的硬件原因導致的異常，主要表現為“跳數”，即數據出現較大的波動。

降水量合理性檢驗的核心工作就是對有以上問題而導致的異常數據值進行排查。

2.關聯雨量站的選取

（1）相關系數的計算

傳統人工進行雨量合理性檢驗是將同流域或者鄰近雨量站之間的數據進行對比，這種比較多數情況下是可行的，但是缺乏有力的科學根據和足夠的量化數據作支撐。雨量站之間距離的大?。ǖ匦螚l件）是降水是否同步的必要條件，而非充分條件，即關聯性強的雨量站距離一定很近，但距離很近的雨量站關聯性不一定強。我們需要引入一個具體的量化指標來判斷雨量站之間關聯性的強弱，因此，相關系數的計算是必不可少的。

選取長時間序列（1979—2009年）的日雨量值進行兩站之間相關系數計算，同時間的降水量值分別為序列 x1，x2，x3…xn-1，xn和 y1，y2，y3…yn-1，yn，n的數值不取決于兩個時間序列中的任何一個時序數，某時間序列的降水量值不為0，與其對應另一組時序便參與相關系數計算，無雨量取0值。采用EXCEL求相關系數方便快捷，CORREL函數自動將同為空白的信息濾掉，滿足分析的要求。雨量站之間的相關系數分布情況見表1。通過計算可以得出，平原區雨量站之間的相關系數普遍較大，山區雨量站之間相關性不及平原區明顯。通常相關系數大于0.8時，兩組變量有很強的線性相關性，為了考慮山區雨量站相關性略低的影響，選取相關系數大于0.75的雨量站為候選關聯雨量站。

（2）雙累計分析

通過長時間序列求得的相關系數可有效反映日降水量數據相關性，關聯雨量站的選取還需要在相關性較強的雨量站之間選擇數據一致性好的。WISKI自帶的雙累計分析為數據一致性檢查提供了有效方式。選取5分鐘時段的雨量值進行雙累計曲線分析，通過分析雙累計曲線可知，相關系數高的雨量站之間雙累積曲線形態一般較好，但也存在極個別特殊情況。浦洼站與十渡站40年降水量資料相關系數為0.92，但是雙累計曲線形態不如與黃塔站的好，浦洼站與黃塔站40年降水量資料相關系數為0.88。

通過相關系數的計算和雙累積曲線分析，每個雨量站選取相關系數高、雙累積曲線形態較好的3個雨量站為其關聯站，在WISKI中建立日雨量檢查時序，配置該時序的源信息，時間序列配置為待檢驗雨量站及其關聯站的日降水量值。

3.規則的制定

降水量合理性檢驗規則的制定是一個突破傳統，由定性分析向定量分析轉變的一個步驟?？蓞⒖棘F成的降水量合理性檢查原則極少，降水量合理性檢驗規則的制定參考以往的工作經驗進行。針對降水量數據可能出現的錯誤情況，共制定了如下幾種異常值類型，并且統一編碼，用異常代碼的形式展示。將該雨量站的錯誤類型總體分為降水量大于0與等于0兩大類，再細化分具體的異常類型（見表2）。

表2 雨量站遙測數據異常代碼統計表

表3 5月降水量合理性檢查成果表（部分）（異常值成立:true，不成立:false）

4.成果輸出

WISKI將所有的測量值和計算值都以時序數據方式保存，每個時序數據對應于一個站點的指定參數，可以配置多種數據輸出模式，根據參數與時段生成相關的報表，并且可以設置在指定的時間自動生成報表，為成果自動輸出提供了一個合理的解決方案。由于降水量合理性檢查沒有具體的定量指標來判別異常值一定成立，所以最終輸出的成果還需要進行人工校核，但如果在檢驗規則較為完善的前提下，人工校核的工作量就會很小。首先經WISKI平臺自動將疑似異常值的數據從海量的降水量數據庫中挑出，再根據人工的經驗對WISKI挑選的異常值進行排查，可有效減少數據的遺漏，進而達到提高效率、減少錯誤的目的。

二、應用實例

表3是運用WISKI生成的5月降水量合理性檢查成果表的部分信息，經人工校核，WISKI自動生成的成果表1/2以上的異常值均成立，并且無一異常值被遺漏。

三、結 語

①二次開發WISKI使其應用于雨量合理性檢驗是可行的。這種全新的數據處理方式將以往大量繁雜的人工工作通過計算機平臺實現，減輕了工作強度，提高了時效性，同時也提高了水文資料處理的先進性、科學性，具有積極的意義。

②由于WISKI平臺二次開發具有很強的靈活性，雨量合理性檢驗規則可根據實際需求具體制定，并可以根據工作經驗不斷完善，使其更接近于真實的降水情況。當然，使用計算機平臺進行水文資料的處理代替了大量人工工作量，但其中人的作用還是不可或缺的，還需要經驗豐富的水文工作人員對從海量數據中提取的異常值進行排查。這樣人工經驗和計算機運用得到了有機結合，提高了水文數據處理的可靠性。

③WISKI應用于雨量合理性檢驗僅是二次開發WISKI平臺的探索之一。根據水文工作的實際需求對WISKI進行有目的的二次開發，可實現很多水文數據的分析計算功能。除WISKI之外的一些平臺也可經過開發代替部分人工勞作，可應用到水文數據的處理工作中，促進水文行業信息化技術的發展。

[1]降水量測驗規范（SL 21—2006）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]水文資料整編規范（SL 247—1999）[M].北京：中國水利水電出版社,2000.

[3]趙學麗，池宸星，吳海山.WISKI在北京水文數據管理中的應用[J].北京水務，2008（6）.

[4]吳金塔.水文遙測數據智能糾錯及插補技術在洪水預報中的應用研究[J].水利水電科技，2005（11）.