工业生产计标准规范城市暴雨强度公式数据采样新方法_周玉文.pdf
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1、城市暴雨强度公式数据采样新方法周玉文1,姚双龙1,翁窈瑶1,李骥2,李萍3,张晓昕4,王强4(1 北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124;2 北京市排水集团,北京 100044;3 北京市市政工程设计研究总院,北京 100082;4 北京市城市规划设计研究院,北京 100045)摘要:随着计算机技术的发展,降雨资料将由原先的自记雨量记录资料转换成统一格式的逐分钟降雨量记录电子数据。针对这种纸质文件资料电子化、图形文件资料数据化的情况,开发出了新的城市暴雨强度公式数据采样方法,该数字化采样方法可以与气象局提供的电子数据进行无缝衔接,采用年多个样法和年最大值法两种方法选取样本。该方法避免了
2、人为取样的主观性,同时大大减轻了样本采集的工作量,提高了统计资料的可靠性与统计方法的合理性以及公式推求的效率和正确性。关键词:暴雨强度公式;降雨;样本采样中图分类号:TU99文献标识码:B文章编号:1000 4602(2012)06 0009 04New Method for Data Sampling on Urban Storm Intensity FormulaZHOU Yu-wen1,YAO Shuang-long1,WENG Yao-yao1,LI Ji2,LI Ping3,ZHANG Xiao-xin4,WANG Qiang4(1 School of Architecture an
3、d Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China;2 Beijing Drainage Group Co Ltd,Beijing 100044,China;3 BeijingGeneral Municipal Engineering Design and Research Institute,Beijing 100082,China;4 BeijingUrban Planning and Design Institute,Beijing 100045,China)Abstract:With the
4、development of computer technology,rainfall data will be converted into uni-form-format electronic data by minute rainfall record from the original rainfall data Given the digitali-zation of paper and graphical documents,a new data sampling method on urban storm intensity formulawas developed The di
5、gital sampling method can be seamless with the electronic data provided by bureauof meteorology,two storm sample selection methods(the annual maximum value method and annualmulti-sampling method)are used to select rainfall data samples The method avoids the subjectivity ofmanual sampling and greatly
6、 reduces the workload of collecting samples to improve the reliability of statis-tics,the rationality of statistical method,the efficiency and accuracy of formula derivationKey words:storm intensity formula;rainfall;sample selection降雨资料是推求暴雨强度公式的基础资料,其对降雨记录情况的真实与否会直接影响暴雨强度公式推求的准确性。降雨的传统基础资料主要是自记雨量计记
7、录资料,自记雨量记录资料上记录着每场降雨的降雨曲线,从该曲线上可以确定出降雨的起讫时间、雨量大小、降雨强度等的变化过程。传统的降雨资料采样方法是人工在自记雨量纸上进行读数采样,该方法采样直观,但采样结果受人为因素的影响较大。随着资料年限的增长和计算机技术的发展,国家气象局主持编制了降雨记录的数据采集软件,该软件可以将纸质文件资料电子化、图形文件资料数9第 28 卷第 6 期2012 年 3 月中 国 给 水 排 水CHINA WATER WASTEWATERVol 28 No 6Mar 2012wwwwwwGB标准规范建筑电力农业工业食品市政行业路桥化工钢结构工环保汇编据化。从资料数量与资料格
8、式的角度讲,传统的采样方法显然已经不再适用,因此迫切需要一种针对新的降雨数据格式以及海量数据资料的采样方法。1数字化采样新方法数字化采样新方法国家气象局编制的降水自记纸数字化处理系统将传统的自记雨量纸的降雨图形信息转换成统一格式的逐分钟降雨量记录电子数据,这对推求暴雨强度公式的样本采集提出了新的要求,需要一种新的采样方法来与新的降雨数据格式进行衔接。1.1国家气象局数值化软件简介2004 年国家气象局主持编制了降雨记录的数据采集软件,该软件可以将纸质文件资料电子化、图形文件资料数据化,从而达到气象资料信息化的要求。通过该软件的处理,可以将标准格式的自记雨量计用记录纸的图形信息转换成统一格式的逐
9、分钟降雨量记录电子数据,这对资料的保存、利用都具有重要意义。1.2数字化降雨过程利用国家气象局的专用数值化软件进行数据采集的最终文件格式,主要包括降雨的年、月、日、时、分以及该时刻的降雨量等,从该文件中可以提取以分钟降雨形式给出的降雨量,对该分钟降雨量进行处理后,也能得到各个历时的最大降雨量。也就是说,该数值化软件将原有自记雨量纸上所记录的降雨图像信息翻译成了对应的降雨数字信息。这样既方便了降雨资料的保存和整理,又完整和充实了推求暴雨强度公式的基础降雨数据,无需再对每年的降雨自记纸进行筛选。1.3数字化采样新方法原始降雨资料信息由原先的图像资料转为现有的数字资料,这不仅在数据形式上有了重大转变
10、,而且在数据数量方面更是有所突破。面对如此大量的降雨数据,原来人工采样的方法已经不能满足新的需求,必须由新的采样方法所替代,而这种新的采样方法必须解决如何划分数字化降雨过程,如何从基础的分钟降雨数据中计算各个历时的降雨量并获取样本等问题。采样方法暴雨资料选样主要有年最大值法和非年最大值法,其中非年最大值法又分为年超大值法、超定量法和年多个样法。目前我国室外排水设计规范(GB 500142006)中建议采用年多个样法,但是发达国家于 20 世纪 70 年代就将年最大值法运用于城市暴雨公式的统计1。年最大值法是按照不同的降雨历时,在全部 N年的统计资料中,每年各选一个最大值作为分析样本。年多个样法
11、是在全部 N 年资料中,按照不同的降雨历时,每年每个历时选择 6 8 个最大值,然后不论年次,将每个历时的降雨样本按大小次序排列,再从中选择资料年数的 3 4 倍的最大值,作为统计的基础资料。分雨标准通过降雨自记纸,可以直观地看出某场降雨的起讫时间。但是随着这种降雨信息由图像转为数字,应建立相应的划分场降雨事件的方法。对于年多个样法,根据城市给水排水设计手册(第 5册),当一次降雨包含前后两段达到选取标准的高强度部分时,若其中间低于 0 1 mm/min 的降雨(包括停止降雨)持续时间超过 120 min,应分为两场降雨事件进行统计。对于年最大值法,由于该法每年每个历时仅取一个最大值,可以将一
12、年的降雨作为一个降雨事件,因此不存在划分场降雨的问题。在按照划分场降雨标准将数字降雨过程划分为场降雨后,即可对每场降雨的分钟降雨样本数据按照不同的历时进行累加计算,从而统计出相应的样本资料。采样输出表格设计新方法采样的输出结果表格主要有三大类:一类是记录每场降雨的信息,主要包括某场降雨每个历时所对应的降雨量、相应雨强、起始时间及最大一分钟降雨量所对应的时刻;第二类是对每年降雨情况的汇总记录,包括详细的降雨时间(年、月、日及时刻),以及该年中每一场“有用”样本降雨在各个历时(5、10、15、20、30、45、60、90、120 min)的雨强,以便对照比较;最后一类主要针对年多个样法选样,即每年
13、各个历时的 8 大雨强排序。2实例分析实例分析2.1应用软件开发与主要功能根据以上对样本采集新方法的要求,应该开发一个相应的采样软件。该软件应能与气象局提供的电子数据进行无缝衔接,其主要功能包括场降雨事件的划分、计算各个历时的降雨量和降雨强度,最终按照年多个样法和年最大值法统计推求暴雨强度公01第 28 卷第 6 期中 国 给 水 排 水www watergasheat comwwwwwwGB标准规范建筑电力农业工业食品市政行业路桥化工钢结构工环保汇编式的降雨样本并将结果文件输出保存。软件架构见图 1。图 1软件架构Fig 1Framework of urban storm intensity
14、 formula softwareFig 1Framework of urban storm intensity formula software2.2主要数据结果软件运行得到的主要数据成果满足采样要求,除了上述用于记录降雨过程与雨量的场降雨数据、年降雨数据等资料外,对应两种采样方法,最终的主要数据成果也分为两类。采用北京市气象局气候中心提供的 1941 年2008 年降雨资料,软件运行结果如下:年最大值法。考虑到与城市排涝工程的衔接,每年取 15 个历时(5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180、240、360、720、1 440 min)的 1 个最大降雨量,N
15、 年共有 15N 个样本组成暴雨资料系列。选样并排序后的成果见表 1。表 1年最大值法选样排序成果Tab 1Sequencing result by annual maximum value methodTab 1Sequencing result by annual maximum value method项目降雨强度/(mmmin1)5 min 10 min15 min20 min30 min45 min 60 min 90 min 120 min 150 min 180 min 240 min 360 min 720 min 1 440 min14 284 3 458 3 369 3 3
16、84 2 987 2 4502 1621 6521 3841 1801 0410 8280 5800 2990 20523 368 2 900 2 706 2 437 1 905 1 5281 2791 1120 9510 8670 8110 6380 4380 2740 15033 238 2 834 2 700 2 205 1 681 1 2821 2040 9840 8150 6910 6420 5220 4260 2130 116661 080 0 959 0 851 0 805 0 583 0 4160 3470 2660 2000 1750 1590 1260 0890 0510
17、030671 064 0 931 0 835 0 701 0 533 0 3950 3170 2470 1930 1710 1480 1250 0850 0500 029681 010 0 869 0 797 0 659 0 484 0 3870 3030 2370 1870 1500 1300 1220 0840 0440 029年多个样法。若取规范规定的 9 个历时(5、10、15、20、30、45、60、90、120 min),每个历时每年选取8 个最大暴雨资料,N 年共72N 个样本,按照历时分别进行排序,并取每个历时的前 4N 个数据,合计 36N 个样本组成暴雨资料系列。当考虑到适
18、应汇水时间较长的情况时,可以增加 150 min 和 180min 的资料。选样并排序后的结果见表 2。表 2年多个样法选样排序结果Tab 2Sequencing result by annual multi-samping methodTab 2Sequencing result by annual multi-samping method项目降雨强度/(mmmin1)5 min10 min15 min20 min30 min45 min60 min90 min120 min150 min180 min14 2843 4583 3693 3842 9872 4502 1621 6521 38
19、41 1801 04123 3682 9002 7062 4371 9051 5281 2791 1120 9510 8670 81133 2382 8342 7002 2051 6811 2821 2040 9840 8220 7100 6422701 0480 8270 6880 6050 4740 3670 3020 2260 1840 1570 1352711 0460 8220 6870 6030 4720 3640 3020 2260 1840 1570 1352721 0460 8200 6870 6030 4720 3610 3020 2250 1840 1550 1352.3
20、误差分析北京市 1980 年版的原暴雨强度公式所采用的数据来源于气象局提供的 1941 年1980 年原始自记雨量数据,采集手段为利用人工在自记雨量计记录纸上读取(简称“人工”)数据;现仍用该气象局提供的原始数据,但其提供的源数据为利用国家气象局数值化软件对自记雨量计用记录纸上的降雨图形资料数值化后的电子数据(简称“机读”)。这两种资料来源一致(均为气象部门提供),在资料年限上也是统一的(1941 年1980 年),具有可比性。差率计算式为:差率=(人工数据 机读数据)/人工数据 100%。11www watergasheat com周玉文,等:城市暴雨强度公式数据采样新方法第 28 卷第 6
21、 期wwwwwwGB标准规范建筑电力农业工业食品市政行业路桥化工钢结构工环保汇编通过比较发现,数值化后的机读数据绝大部分小于1980 年版公式的人工数据。按照9 个历时(5、10、15、20、30、45、60、90、120 min),每个历时共取160 个样本,共有 1 440 组比较样本。其中相等的仅为 1 个,大于原公式数据的为 40 个,小于原公式数据的样本组为 1 399 个。表 3 为两组数据各个历时的平均值大小比较,可以看出两组数据的差距随着历时的增加而呈现下降的趋势,但是所有历时的人工数据均值都要大于机读数据的均值。表 3人工与机读数据均值比较Tab 3Comparison of
22、 manual data and computer-calculated dataTab 3Comparison of manual data and computer-calculated data项目历时/min510152030456090120人工均值/(mmmin1)1 6761 3341 1170 9720 7810 6140 5120 3900 321机读均值/(mmmin1)1 4971 2161 0440 9220 7490 5930 4950 3760 310比例/%10 688 856 545 144 103 423 323 593 43由上述比较结果可以说明,机读数据与
23、人工数据之间存在着差值,其趋势是机读数据小于人工数据。出现差值的原因可能有两点:一是软件处理的系统偏差;二是虹吸处理方式的不同,主要是在虹吸修正时的雨量数值摊入方式与降雨过程线的处理方法不同。3结语结语降雨信息数字化采样方法可以与气象局提供的电子数据进行无缝衔接,并且避免了人为取样的主观性,同时大大减轻了采集样本的工作量,提高了统计资料的可靠性与统计方法的合理性以及公式推求的效率和正确性。暴雨强度公式数据采样的新旧方法所取得的数据资料之间存在着一定的差值,其趋势是新方法的机读数据小于旧方法的人工数据,这可能是由软件处理的系统偏差或虹吸处理方式的不同所致。综上所述可知,计算机和数字化信息技术的发
24、展必将淘汰传统手工收集样本的方法,而类似的气象原始资料数据很可能是经过气象部门降水自记纸数字化处理系统数值化处理的;再者目前先进的降雨观测设备亦可以直接提供电子化数据。所以,降雨信息数字化采样技术必将普遍应用于今后的工作与研究当中。参考文献:1 顾春新 城市短历时暴雨强度公式及参数的确定方法研究 D 南京:河海大学,2007E mail:wengyaoyao emails bjut edu cn收稿日期:2011 10 1321第 28 卷第 6 期中 国 给 水 排 水www watergasheat comwwwwwwGB标准规范建筑电力农业工业食品市政行业路桥化工钢结构工环保汇编国家标准
25、化发展纲要主要内容如下。标准是经济活动和社会发展的技术支撑,是国家基础性制度的重要方面。标准化在推进国家治理体系和治理能力现代化中发挥着基础性、引领性作用。新时代推动高质量发展、全面建设社会主义现代化国家,迫切需要进一步加强标准化工作。为统筹推进标准化发展,制定本纲要。一、总体要求(一)指导思想。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,深入贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神,按照统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局要求,坚持以人民为中心的发展思想,立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局,优化标准化治理结构,增强标准化治理效能,提升标准国际化水平
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