引言

国家气象站降水量数据的记录方式有两种，一是自动观测(如双阀容栅式雨量传感器、称重式雨量传感器等)，即现代自动气象站自动记录的逐分钟雨量资料；二是人工观测，主要指以雨量自记纸形式保存的历史降水资料(如虹吸式雨量计等观测方式)，需要采用特殊软件将其数值化为分钟数据。除此之外，气象站也利用雨量筒在降水日人工定时量取降水量用于与自动、自记纸观测降水量的对比分析。从2004年起，我国大部分气象站启动自动观测。2004—2012年，大部分站点自动、自记纸雨量观测同步进行。2012年以后，气象站降水量以自动观测为准，雨量自记纸观测不再纳入考核指标。

目前，分钟雨量资料被广泛应用于城市暴雨强度公式编制及暴雨雨型分析研究中，《室外排水设计规范》^[1]以及《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》^[2]均要求在编制、分析工作中使用长年代历史分钟雨量数据。通常我国气象工作者在进行暴雨公式编制和雨型分析时，假设自记纸、自动观测两部分雨量资料是均一的，继而直接对接构成一个完整序列使用，这显然有失偏颇。同一场雨观测方式、资料处理方法的不同可能导致最终的分钟雨量资料存在一定的差异或者不连续现象。目前，关于自动与人工观测雨量差异分析的研究较多^[3-8]，但这些分析大多基于日雨量进行年、月、日降水量的比较，基于分钟数据的短历时雨量差异分析的研究至今鲜有报道。

自动气象站分钟雨量数据与雨量自记纸经过信息化处理后得到的分钟雨量数据之间存在着怎样的规律或者差异？对这一问题的探讨有助于对降水资料更合理地利用。

1 资料和方法 1.1 资料

选取武汉、黄陂、黄石三气象站自动、自记纸观测同期雨量资料进行分析。其中自动观测分钟雨量数据来自台站制作的分钟数据文件(J文件)，自记纸观测分钟雨量数据由自记纸经过中国气象局下发的“降水自记纸彩色扫描数字化处理系统”信息化处理得到。此外，结合每日20—20时雨量筒观测数据，与同期自动、自记纸数据进行比照。武汉、黄陂、黄石三气象站采用资料年限分别为2006—2008、2007—2008、2005—2008年。

1.2 方法

(1) 以3站合计9 a自动、雨量自记纸观测两套分钟雨量数据为基础，对年、月、日降水量累加求和，并进行偏差程度的比较；选定暴雨日(自动观测日雨量≥ 50.0 mm)，从自动、自记纸观测两套分钟雨量数据中滑动提取出历时5 min的雨量序列进行偏差程度及相关性的比较；从自动、自记纸观测两套分钟雨量资料中分别逐年提取出5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min降水历时的前八个最大雨量值进行偏差程度的比较。

(2) 对自动、自记纸观测降水量进行比较的同时，参考雨量筒同期数据。

2 差异分析 2.1 年降水量的对比分析

自动站、自记纸、雨量筒三种观测方法年降水量存在差异的原因，除了仪器测量原理的不同、观测方法状态不同，观测时间的不一致也是其中一个重要因素^[6]，就年降水量的比较来看，冬季下雪结冰的情况下，自动站雨量传感器无法感应固态降水，采集器显示的实时分钟雨量数据为零；自记纸观测如虹吸式雨量计在冬季停止观测，没有自记纸雨量资料；雨量筒照常观测。将自动、自记纸、雨量筒观测非同期观测的雨量资料剔除后分别对武汉、黄陂、黄石3站三种观测方式下的年降水量结果进行比较，结果见表 1。从3站数年雨量合计结果来看，自动观测年雨量比自记纸观测结果偏大3.16%，自动、自记纸观测年雨量结果分别比雨量筒偏小1.43%、4.45%。从自动站、自记纸逐年年雨量偏差情况来看，武汉、黄陂基本在5%以内，但是黄石站2006—2008年的偏差均大于10%，这可能与该站自记纸存在缺测情况有关。同一站点在不同年份自动站、自记纸年雨量偏差情况也有不同，自动站年雨量较自记纸偏大的情况居多。

2.2 月降水量的比较

分别对武汉、黄陂、黄石气象站的自动、自记纸、雨量筒月降水量数据进行比较。三种观测方式没有同期进行的月份主要集中在1、2、3、11、12月这些低温雨雪冰冻易发的月份，对这些月份进行剔除后参与月雨量比较的3站同期月份数均为79个月。

从自动与自记纸观测月雨量偏差程度与对应的月份数情况(图 1)可看出，自动观测月雨量结果在大部分月份比自记纸观测结果偏多，共50个月，占总月份数的63.3%。两者的偏差程度主要在±10%以内，共59个月，占总月份数的74.7%。对于自动较自记纸观测月雨量结果偏大的情况，偏大程度主要集中在0~ 10%之间，占偏大月份总数的68.0%。对于自动较人工观测月雨量结果偏小的情况，偏小程度也主要集中在0~10%之间，占偏小月份总数的82.6%。

从图 2、3自动、自记纸观测月雨量与雨量筒的偏差程度及对应的月份数可以看出，自动观测比雨量筒月雨量结果偏大的月份共47个，偏大程度主要集中在0~10%之间，占参与比较总月份数的58.2%。自动比雨量筒观测结果偏小的月份共32个，偏小程度也主要集中在0~10%之间，占参与比较总月份数的34.2%。所以占总月份数92.4%的月份，自动观测月雨量与雨量筒的偏差程度在±10%以内，这说明两种观测方法下的雨量数据是比较吻合的。人工观测月雨量在大部分月份比雨量筒观测结果偏小，但两者的偏差程度也主要集中在±10%，占总月份数的82.3%。

2.3 日雨量偏差程度对应日数的比较

在自动、自记纸两种观测方式同期进行、且自动观测日雨量大于等于10.0 mm的前提下，将自动、自记纸观测的同期日雨量进行比较，统计两者偏差程度在特定偏差范围内的天数，偏差统计的标准为自动观测日雨量与自记纸的偏大程度在0~10%、10%~20%、大于等于20%；偏小程度在-10%~0、-20%~-10%、小于等于-20%。具体统计结果见下表 2。

由表 2可知，3站多年自动观测日雨量大于等于10.0 mm的情况共有257 d。大部分天数下，自动观测日雨量结果较人工观测结果偏大，这种情况占总天数的64.2%。两者的偏差程度主要集中在±10%的范围内，占总天数的78.2%。

2.4 暴雨日短历时降水过程的比较

暴雨日短历时降水过程的分析方法是：选定暴雨日(自动观测日雨量大于等于50.0 mm)，共20日(已将3站多年自动或自记纸观测分钟雨量数据中有缺测的日雨量进行了剔除)。利用该日自动、自记纸观测两套分钟雨量数据，分别滑动提取每5 min的雨量，对两套短历时雨量序列进行比较。表 3为暴雨日自动、自记纸观测同期雨量、两套短历时雨量序列的偏差及相关系数。由表 3可知，两套雨量序列相关性很好，相关系数在绝大部分暴雨日都大于0.8，个别暴雨日两者的相关系数可以达到0.99 (黄石站2008年5月27日)。从自动、自记纸观测暴雨量的偏差情况来看，自动较自记纸观测日雨量偏大的情况共11场，占总降水场次的55.0%。两者的偏大程度主要集中在±10%之间。从武汉、黄陂、黄石3站的雨量偏差情况来看，武汉站85.7%情况下偏差为负，即暴雨日自动观测雨量较自记纸数据偏小，而黄陂、黄石两站偏差基本为正，这种差异可能与站点的选取有关。

选取武汉站2006年5月9日这一降水过程(20—20点)，利用该日自动站雨量观测及自记纸观测两套分钟雨量数据，分别滑动提取每5 min的雨量，得到雨量随时间的变化图（图 4）。由图 4可以看出，自动、自记纸两套降水迹线非常吻合，这与表 3中两者的相关系数高达0.87一致。在降水历时约195 min的雨峰处，自动站5 min雨量达到了5.2 mm，而自记纸相应雨量值为4.28 mm，可见，雨峰处自动观测5 min雨量大于自记纸，这种情况在其它观测站及暴雨过程中也有出现，这说明在降水较大的情况下，自记纸观测可能存在笔尖下落速度滞后等因素造成观测雨量小于实际值。

2.5 短历时雨量的比较

利用武汉、黄陂、黄石三气象站合计9 a的自动、自记纸观测两套分钟雨量资料，分别逐年提取出5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min降水历时的前八个最大雨量值进行比较。

2.5.1 第一个最大雨量提取结果的比较

对自动、自记纸观测各历时下3站多年第一个最大雨量值进行平均以及相关比较，具体结果见表 4。从表可知，自动观测各历时下第一个最大雨量值的多年平均结果均较人工观测偏大，例如5 min历时下，自动观测第一个最大雨量值的平均结果为12.15 mm，自记纸的相应结果为9.82 mm，自动比人工的偏大程度达到了23.7%。不过随着降水历时的增大，自动比人工的偏大程度有着逐渐减小的趋势，例如到了历时180 min时，自动比人工的偏大程度达仅为4.4%。自动、自记纸观测在观测原理、方式上均存在差异，特别在降水强度很大的情况下，以自记纸形式保存观测记录的虹吸式雨量计等可能存在笔尖下落速度滞后于信号传输速度而造成实际记录小于真实值；自动观测在实际翻斗翻动过程中，由于沾水没有彻底清除而保留的极小部分雨量也可能造成翻斗在实际雨量不足0.1 mm的情况下发生翻斗，从而造成自动雨量观测数据的偏大^[5-8]。这些因素都可能造成自动较自记纸观测雨量结果的相对偏大，特别是在短历时(如5、10 min)、强降水情况下。

2.5.2 次大雨量提取结果的比较

对自动、人工观测各历时每年的次大雨量值(第2~8个最大值)提取结果也做了比较。比较结果见下图 5-6。自动、人工观测各历时第2~8个最大雨量值多年平均结果的偏差见表 5。

图 5为自动、人工观测各历时第2个最大雨量值3站多年平均结果的比较，从图中可以看出，除了历时180 min，各历时下从自动观测分钟雨量数据中提取的第2个最大雨量值3站多年平均结果均比人工观测相应值偏大，特别是在历时20 min时，偏大程度达到了11.0%(表 5)。图 6为自动、人工观测各历时第3个最大雨量值3站多年平均结果的比较，比较情况与图 5类似，即各历时下从自动观测分钟雨量数据中提取的第3个最大雨量值3站多年平均结果基本比人工观测相应值偏大，两者的具体偏差结果见表 5。由表 5可以看出，除了个别历时外(如表中灰显部分)，自动观测分钟雨量数据中提取的第2~8个最大雨量值3站多年平均结果基本均大于人工观测相应值。偏大程度主要集中在10%以内，最大偏大程度可以达到13.46%。

3 结果与讨论

利用武汉、黄陂、黄石三气象站合计9 a的自动、自记纸观测同期分钟雨量数据，通过一系列对比分析发现：

(1) 从3站数年雨量合计结果来看，自动观测年雨量比自记纸观测结果偏大5.84%。从3站数年月雨量分析结果来看，自动观测月雨量结果在大部分月份比自记纸观测结果偏多，两者的偏差程度主要在±10%以内，占总月份数的74.7%。

(2) 从日雨量偏差程度对应日数的比较来看，大部分天数下，自动观测日雨量结果较自记纸观测结果偏大，这种情况占总天数的64.2%。两者的偏差程度主要集中在±10%的范围内，占总天数的78.2%。

(3) 从暴雨日短历时降水过程的比较来看，将3站多年自动或自记纸观测分钟雨量数据中有缺测的日雨量进行了剔除后, 3站多年自动、自记纸观测两套暴雨日短历时(历时5 min)雨量序列高度相关。自动较自记纸观测日雨量偏大的情况占总降水场次的55.0%，两者的偏大程度主要集中在±10%之间。

(4) 从短历时雨量提取结果的比较来看，自动观测各历时下第1个最大雨量值的多站多年平均结果均较自记纸观测偏大，5 min历时下的偏大程度达到了23.7%，随着降水历时的增大，偏大程度呈逐渐减小趋势，历时180 min下的偏大程度仅为4.4%；自动观测分钟雨量数据中提取的第2~8个最大雨量值3站多年平均结果基本均大于自记纸观测相应值。

(5) 从自动、自记纸、雨量筒观测在年雨量、月雨量的比较可看出，自动观测与雨量筒两种观测方法下的雨量结果更为吻合。

此外，在资料分析过程中也发现，基于分钟雨量数据的自动、自记纸两种观测方式下雨量的对比，除了观测原理的不同，仪器故障、虹吸雨量计人工维护不到位等情况带来的分钟雨量数据缺测是造成本文自动、自记纸观测雨量存在较大差异的重要原因。在进行暴雨强度公式编制、暴雨雨型分析提取短历时雨量的过程中，建议与气象站历史报表数据中观测员人工读取的各历时每年最大雨量值进行比对，以保证数据的准确无误。