Transcript Applied Hydrology Rainfall Analysis - RSLAB-NTU

Applied Hydrology
Rainfall Observation and Analysis
Prof. Ke-Sheng Cheng
Measuring Rainfall
• Tipping bucket raingauge
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2.
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The movement of the
bucket is sensed by
electronic means which is
transmitted to a data
logger recording the event
data.
Tipping bucket mechanism
: 0.2mm or 0.5mm of
rainfall per tip.
Uncertainties in
measurement include
operation in heavy rain
when water may flow into
the compartments while
they are tipping and water
retention in the emptying
compartment.
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• Daily raingauge
A typical daily raingauge in which the rain
collects in a bottle and is emptied into a
measuring cylinder, the measurements
being made daily.
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Design and evaluation of rainfall
networks
• Objective of the network
– Water resources planning or flood forecasting
• The basic network
– Aims to provide reasonable estimates of seasonal
rainfalls or basin-wide average rainfalls which are
mostly used for water resources planning.
• Rainfall network evaluation and augmentation.
• A network of more than 400 tele-recording
raingauges is maintained by CWB.
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Density of rainfall stations for a
minimum network (WMO)
Physiographic Unit
Minimum densities per station (km2 per station)
Non-recording
Recording
Coastal
900
9,000
Mountainous
250
2,500
Interior plains
575
5,750
Hilly/undulating
575
5,750
Small islands
25
250
Urban areas
Polar/arid
10-20
10,000
100,000
Example of rainfall network evaluation and augmentation.
Cheng et al., 2008. Raingauge network evaluation and augmentation using
geostatistics. Hydrological Processes, 22(14): 2554-2564. DOI: 10.1002/
hyp.6851.
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Partitioning storm events from
historical rainfall data series
• Definition of storm events
• Characterizing a storm event
– Duration
– Total depth
• Joint distribution of the duration and total depth
– Average intensity
– Inter-arrival time and inter-event time
• Minimum inter-event time
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A Random Sample of Storm Rainfall
Process
Temporal variation of storm rainfall can be
modeled as a random process.
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Major storm types in Taiwan and
their characteristics
•
•
•
•
Mei-Yu
Convective storms
Typhoons
Winter frontal rainfalls
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• Mei-Yu rainfalls are produced by surface frontal
systems which advance southeastward from southern
China to Taiwan from mid- to late spring through early
to midsummer each year. The fronts are usually
accompanied by a synoptic-scale cloud band with
embedded mesoscale convective systems (MCSs),
extending several thousand kilometers from southern
Japan to southern China with an approximately east–
west orientation (Yeh, et al., 2002). During the passage
of a Mei-Yu frontal system, a few very active mesoscale
convective cells may develop repeatedly, causing heavy
and localized rainfall for the area. Although the
synoptic-scale frontal system may last for a few days,
the MCSs generally have lifetime of a few hours to one
day only.
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Spatial/temporal resolution
requirements of rainfall data
• Flood forecasting/real-time reservoir
operation
– Hourly
– Basin-average or site-specific
• Water resources planning
– Monthly or seasonal
– Basin average or regional average
• Irrigation practice
– Ten-day-period (TDP)
– Site-specific
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Calculation of basin-average rainfalls
• Thiessen-polygon method (Caution should be
exercised if rainfall stations outside of the
drainage basin are to be considered.)
• The isohyetal method
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Rainfall data QA/QC
• Double mass curve
• Outlier detection
– Based on sampling theory
• Checking spatial/temporal dependency
• Checking rainfall-flow consistence
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• Quality control
– The routine use of procedures designed to
achieve and maintain a specified level of quality
for a measurement system.
• Quality Assurance
– A set of coordinated actions such as plans,
specifications, and policies used to assure that a
measurement program can be quantifiable and
produce data of known quality.
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• According to US-EPA, the difference between
quality control and quality assurance is the
following:
quality control is “a system of activities to provide
a quality product" and quality assurance is “a
system of activities to provide assurance that the
quality control system is performing adequately”.
In other words, quality assurance is quality control
for quality control.
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Preparation of data
Before using the rainfall records of a station, it is
necessary to firstly check the data for continuity
and consistency.
 The continuity of a record may be broken with
missing data due to many reasons such as
damage or fault in a raingauge during a period.
 Missing data can be estimated using data of
neighboring stations. In these calculations the
normal rainfall is used as a standard for
comparison.

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
The normal rainfall is the average value of
rainfall at a particular date, month or year over a
specified 30-year period. The 30-year normals
are recomputed every decade. Thus the term
normal annual precipitation at station A means
the average annual precipitation at A based on a
specified 30-years of record.
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Estimation of missing data
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Test for record consistency
Some of the common causes for inconsistency
of record include:
 Shifting of a raingauge station to a new location,
 The neighborhood of the station undergoing a
marked change.

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Double-mass curve technique

The checking for inconsistency of a record is
done by the double-mass curve technique. This
technique is based on the principle that when
each recorded data comes from the same
parent population, they are consistent.


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A group of n (usually 5 to 10) base stations in the
neighborhood of the problem station X is selected.
Annual (or monthly mean) rainfall data of station X
and also the average rainfall of the group of base
stations covering a long period is arranged in the
reverse chronological order (i.e. the latest record as
the first entry and the oldest record as the last entry in
the list).
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
It is apparent that the more homogeneous the
base station records are, the more accurate will
be the corrected values at station X. A change in
slope is normally taken as significant only where
it persists for more than five years.
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水文觀測及資料分析講習會
水文資料的收集、處理與應用
鄭克聲
台灣大學生物環境系統工程學系教授
兼水工試驗所特約研究員
課程綱要
緒論
水文觀測站網設計
水文觀測人力之編制體系
資料觀測與收集程序
資料校核與編碼
資料處理
資料儲存與擷取
資料傳佈
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一、緒 論
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緒論
(1/4)
台灣地區因地理位置與天然環境因素，
旱澇災害幾乎年年有之。近年來又因環
保與防災議題逐漸受到社會大眾之重視，
且各目的用水量需求日增，導致水資源
工程設施與各水利相關業務經常成為討
論與爭議之焦點。包括防災、供水、環
境、生態、經濟等水資源相關業務越受
重視，也越挑戰水利從業人員之專業知
識。
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緒論
(2/4)
從觀測站網之規劃、觀測儀器之校準、
觀測自動化，到即時資料傳輸、即時分
析並提供防災資訊等，不僅個別的水文
工作人員必須瞭解現代水文觀測儀器之
特性，熟習其操作及後續之分析方法與
理論外，水利事業主管機關亦必須建立
一套完善的水文資料觀測體系。
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緒論
(3/4)
現代化社會對水文資訊與作業之需求特
點為精確性、即時性與周延性。
欲達到上述需求則必須建立一套完善的
水文資料觀測體系，包括水文資料觀測
人力之編制體系、水文觀測站網規劃與
建立、水文資料處理、分析作業，及水
文資料管理系統等。
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緒論
(4/4)
水文資訊系統應密切結合基層觀測、資
料校核及分析、水文資料管理系統等三
部分。
一個現代化之社會應將水文觀測視為必
須投資的基本工作，以因應未來各種工
程、環境、農業，甚至災害保險等應用
需求。
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水文資訊系統各項單元
（改編自WMO，1994）
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二、水文觀測站網設計
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水文觀測站網設計概念
水文觀測站網之設置必須考慮下述問題：
擬觀測之水文參數
觀測站設置地點
觀測頻率
觀測站網應維持多久
觀測資料之準確度
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由於觀測站網僅在有限的時間、空間點
觀測，必然無法避免因觀測誤差而導致
之不確定性(uncertainty)。水文觀測之不
確定性可利用觀測誤差之統計特性描述
之。故統計理論與分析方法常被應用於
水文站網設計，而基本概念即在於降低
水文觀測之不確定性。
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Error may be random or systematic.
Statistical precision refers to the dispersion
of repeated observations about their own
mean.
Statistical accuracy refers to the dispersion
of estimates about the true value.
Accuracy includes two components:
statistical precision and bias.
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Mean Squared Error,MSE
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理想之觀測站網設計應是在設立測站之
前即已確定要觀測之水文參數與測站數
目、位置等。然而許多水文觀測資料之
應用，卻是在規劃觀測站網時所未預期
的；例如長期雨量觀測資料可用以研究
氣候變遷之影響，流量站之紀錄可用以
研究土地利用改變對逕流量之影響。
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現代化社會對資訊的需求，使得資訊成
為一項商品，而水文資訊正是為應用於
水資源工程規劃設計而必須投資生產之
商品。為生產水文資訊而需要的投資則
是基本站網(basic network)之設立。
我們應將基本水文資料之收集，視為為
確保未來不受旱澇或其他災害威脅而需
購買之社會保險。
基本站網是在兼顧經費與提供基本水文
資訊需求下，所需要之最少站數。
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基本站網通常無法提供細部水資源工程
規劃或經營管理所需之水文資訊，而必
須視經費與資料需求而逐步擴充其站網
密度。
世界氣象組織對雨量及河川流量基本站
網所建議之最小站網密度
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觀測站網設計原則
降低各測站資料間之重複資訊(redundant
information)
增加站網之資訊量(訊息熵，information entropy)
主要之研究方法：
Geostatistical approach (Kriging)
Information entropy approach
傳統上分別建立雨量站網及流量站網
整合性水文觀測站網
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三、水文觀測人力之編制體系
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水文觀測人力分級
水文觀測人力應依其工作性質與內容而
有不同之專業技術要求，並據以建立人
力編制體系。
世界氣象組織(WMO)對水文實務觀測人
力區分為三級：
專業水文技師(Professional hydrologists)
水文技士(Hydrological technicians)
水文觀測員(Hydrological observers)
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專業水文技師(Professional hydrologists)
具大學生物環境工程、土木、農業工程、
水利、地質、地球物理及其他相關科系
畢業資格，且從事水文或水資源相關專
業工作。專業水文技師之工作範圍包括
主管水文業務、水文研究與訓練、水文
分析模式與程式之開發、水資源計畫之
水文設計及水文資料分析。
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水文技士(Hydrological technicians)
具專科畢業資格且曾從事水文專業工作
或參加水文訓練課程。水文技士之工作
為協助水文技師並監督指導水文觀測員
之工作。明確而言，水文技士可擔任特
殊（非經常性）之水文觀測、資料收集、
校核、編碼與處理、水文儀器之安裝與
水文觀測員之訓練。
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水文觀測員(Hydrological observers)
具國中畢業資格且曾受水文技術訓練。
水文觀測員之工作為觀測並記錄水文資
料及現場儀器維護。
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水文觀測員常駐測站附近並負責現場之
經常性水文觀測。
水文技士一般配屬區域辦公室並負責特
殊目的之水文觀測、儀器安裝、維護與
資料品管作業。
專業水文技師則配屬中心辦公室，負責
水文資料品管、分析、專案設計與規劃
研究等。
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四、資料觀測與收集程序
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觀測站網設計並建立完成之後，必須依循一套
制式之資料觀測、收集與儀器檢查維修程序，
以確保觀測資料之品質。
水文觀測員從事資料觀測與收集時應遵循標準
作業程序（Standard Operation Procedures,
SOP），並必須特別注意下列各項：
作業細部時程順序（chronological order）之登錄
標準記錄格式
站名識別與測站描述資訊
儀器狀況描述
固定觀測時間
定期將觀測報告交至業務主辦單位。
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五、資料校核與編碼
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水文資料品質良窳攸關後續工程規劃設
計之成敗。資料觀測、登錄或傳輸過程
中均可能產生錯誤，故必須建立一套資
料品管之程序。
資料校核與編碼登錄是由水文技士在收
到水文觀測員之觀測報告後進行。
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資料品管
資料品管必須從儀器及測站之選用與維
護開始，以確保高品質資料之取得。
測站檢查
資料之初步檢查
資料偵錯
資料品管結果處理
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測站檢查
測站之地理位置、地形等環境因子皆可
能影響觀測結果，故測站本身即如一項
觀測之裝備，必須定期檢查，以保障觀
測儀器之正常功能與測站環境條件之一
致性。
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測站檢查之項目應包括：
發現並記錄測站之任何改變，必要時應拍照
記錄之。
改善或恢復測站之觀測狀況，例如移除雨量
測站附近之遮蔽物如大樹等。
檢查儀器之功能，並做適當之調整或修復。
檢查觀測記錄本。
若發現觀測資料經常發生錯誤，應教導水文
觀測員觀測程序與經常性儀器維護。
測站檢查之時機除每年定期檢查外，並應於
重大水文事件發生之後為之。
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資料之初步檢查
收到資料報告後，應儘速登錄。
確保測站與相關觀測資訊（如觀測日期，測站
狀況）之完整與正確性。
檢查資料之完整性。
檢查觀測員之計算是否正確。
檢查並比較觀測員之報告與記錄資料是否一致。
遺失資料檢測與補遺。補遺資料應明確標示，
並說明其計算方式。
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資料偵錯
資料偵錯一般是利用電腦，並依資料之
特性而採用不同偵錯方法。
資料偵錯應於每次定期資料更新時同步
為之。
資料偵錯軟體之開發為專業水文技師之
工作項目之一。
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資料偵錯方式
例如可利用水文資料在一段時距內之變化，建
立水文資料之數學或統計推估式，並比較觀測
值與推估值之差異。若此差異值超過一給訂之
容許量，則應對該水文觀測值再進行仔細檢查。
河川流量具有時間上連續且空間上相關之特性，
故可利用各流量站間觀測資料關係之一致性檢
查(inter-station consistency check)進行資料偵錯。
亦可先針對單一測站之流量選定其影響因子，
並利用影響因子各種狀況下河川流量之容許範
圍進行資料偵錯。
7/16/2015
偵錯軟體需能自動標記(flag)所發現之可
疑資料，並將該資料及其被偵測得之原
因列印於報告中。
資料偵錯軟體並可利用繪圖或列表方式
幫助分析人員判斷可疑資料及其成因，
例如雙累積曲線(double-mass curve)，等
值線圖(isolines plot)等。
7/16/2015
偵錯軟體之偵錯方式可分三種類型：
邏輯判斷
數值統計特性
物理及統計相關特性
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邏輯判斷：
邏輯上不可能發生之情況，例如降雨量
或流量為負值，流量站之座標位置落於
所屬流域之外，資料觀測日期不介於1至
31之間，或數值型之資料卻出現文字(如
民國90年)等。
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數值統計特性：
觀測資料超過下列數值或範圍時，則列
為可疑資料。
資料之變動區間(range)
連續時間相鄰資料之最大可能差異
相鄰測站觀測資料之最大可能差異
7/16/2015
物理及統計相關特性：
利用統計迴歸分析瞭解不同水文參數間
之相關特性，例如降雨量與水位之關係，
溫度與蒸發量之關係。物理特性之檢查
則如流量應不大於尖峰降雨強度與集水
面積之乘積，觀測降雨量應小於可降水
量等。
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除了上述方法外，對亦可針對個別之水
文變數而有特別之偵錯處理。例如降雨
量之變異性極高，當前述方法偵測得可
疑資料時，可利用雷達觀測之回波影像
輔助判斷該資料是否確屬錯誤。水位流
量資料之時間序列圖，亦可幫助發現可
疑之流量資料。
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7/16/2015
資料品管結果處理
更正之資料應註記於原始紀錄紙，並由更正者
簽名，但原始紀錄仍應予以保持。
錯誤資料之更正應追蹤擴及原始紀錄之影本及
任何該錯誤資料之衍生資料。
知會原始資料觀測者。若資料之錯誤是因儀器
功能不正常或觀測員未依標準作業程序觀測所
形成之系統性錯誤，則應由水文技士儘速進行
測站檢查。
建立測站記錄簿或檔案，並記錄錯誤資料之狀
況及成因。比較各測站之記錄簿，可瞭解各測
站之觀測品質。
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資料編碼
水文資料編碼之目的在使資料標準化與簡單化。
編碼系統之建立與工作內容應注意以下各點：
確定需予編碼之資料。經常使用之資料如站名、測站所屬
流域名稱、觀測水文量、分析方法、計量單位、儀器類型、
資料品質等均應建立其標準編碼。
資料編碼應特別考慮資料觀測尺度。
資料編碼登錄是由水文技士在收到水文觀測員之觀測資料
後進行。
資料編碼應儘量配合或採用既有且常用之編碼方式。
觀測記錄紙或相關分析報告中應包括編碼說明。
水文觀測人員應熟習編碼之使用。
7/16/2015
資料觀測尺度之重要性
不同觀測尺度之資料反映不同之水文歷
程特性。
『台北地區明天降雨之機率為70%』。
空間尺度：台北部地區約1,000平方公里
時間尺度：24小時
切勿混淆使用不同尺度之資料。例如斷
面平均流速與點觀測流速；衛星推估雨
量與測站觀測雨量。
7/16/2015
六、資料處理
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水文資料處理是將原始觀測資料以適當
的格式與有效率的儲存方式建立資料管
理系統，以使資料使用者可容易且順利
地擷取所需的資料。
前節所述之資料校核與編碼為資料處理
之第一階段工作，而後續的資料處理應
包含資料更新、定期報告之編印、遺失
資料之補遺、衍生性資料之產生等。此
部分工作可由專業水文技師負責。
7/16/2015
資料更新
定期更新
定期更新之週期因資料收集頻率而異。例如
時雨量資料可能每日或每週更新，地下水位
觀測資料則可能每月更新之。
非定期更新
非定期更新則可能因重大水文事件或影響水
文特性之特殊事件之發生而必須觀測並儘速
更新水文資料；亦可能因資料品管程序發現
錯誤資料而必需予以更新。
7/16/2015
定期報告之編印
水資源業務單位常定期編印報表或報告
（例如水文年報或雨量、流量站之月報
表），以供內部或一般大眾參考。資料
庫管理系統應具有自動編輯並生產固定
格式報告之功能。
7/16/2015
資料補遺
水文資料經常因儀器故障或不可抗拒因
素而無法測得資料。遺失之資料可參考
鄰近測站或本身測站之時間序列資料，
以數學或統計方法推估之。補遺資料需
特別予以標記，並說明其補遺方法及採
用之資料。
7/16/2015
衍生性資料之產生
衍生性資料是指可利用原始觀測資料，
並配合數學、統計或物理關係而計算得
之資料，例如降雨事件之平均降雨強度
可由總雨量及延時計算而得，日雨量必
須由時雨量加總而得。又如進行大斷面
流量測量時，可由垂線(verticals)上各點
觀測流速及垂線控制面積計算整個斷面
之平均流量；流量率定曲線之繪製、列
表，或率定曲線方程式之套配。
7/16/2015
衍生性資料是否必須儲存於資料庫中應
考慮以下因素：
該衍生性資料之被擷取頻率。
產生該衍生性資料之複雜度，包括演算法及
需使用之原始資料項目。
資料庫設置之目的是僅要提供基本資料或是
要完整儲存各項原始及衍生性資料。
7/16/2015
七、資料儲存與擷取
7/16/2015
原始觀測資料應仔細、完整地保存。
對於記錄紙或圖面的觀測資料可經數位
掃瞄後儲存於適當的儲存設備如光碟片，
以便隨時提供使用者索取資料。
現代的資訊科技使得數量龐大的資料可
被儲存於體積微小的光碟片中。
7/16/2015
觀測儀器的進步，也使得資料觀測、收
集的工作愈加精細（例如採樣間距縮小，
觀測站數增加），並產生大量的觀測與
衍生資料。
由於資料數量龐大，無可避免的造成特
定資料的搜尋與擷取的困難，故資料庫
中對查詢屬性的編碼與連結設計極為重
要。
網際網路的發展也使得資料擷取的方式
可透過網路下載方式為之。
7/16/2015
資料擷取之設計需注意以下各點：
應有多種資料擷取之原則，例如可以水文變
數種類、流域別、測站別、時間週期、資料
間距，或前述各項之組合進行資料擷取。
具有對資料進行時間、空間內插與加總之功
能。
具有計算簡單統計量之功能。
具有多種輸出格式選項。
可選擇各種擷取資料之輸出設備。
7/16/2015
八、資料傳佈
7/16/2015
由於使用者對資料擷取之需求不一而足，故資
料庫系統管理者若要滿足各種資料使用者的特
定需求，則必須進行各種不同組合的搜尋方式，
造成資料庫管理與資料提供上的巨大負擔。
例如要自一個資料庫中擷取淡水河流域火燒寮站民
國79年八月份的日雨量及蘭陽溪流域南山站民國81
年7月份的日雨量資料，則必須在資料庫之日雨量
資料檔中分別搜尋淡水河及蘭陽溪流域，再對個別
流域搜尋火燒寮或南山站，最後再對各站搜尋特定
月份的資料。若需求之測站數目及資料時距較多，
則將造成資料提供者作業上的負擔。
7/16/2015
資料庫管理系統應先規劃標準之資料提
供格式與儲存設備，並建立資料使用說
明檔案與資料查詢程式。例如常用之光
碟片可儲存約700MB之資料，若將水文
資料依據不同類別，以標準格式儲存於
數片光碟片中，則資料需求者僅需指定
哪些類別之光碟，而資料提供者亦僅需
燒錄特定之標準產品即可。
7/16/2015
資料傳佈除了被動提供使用者所需資料
外，亦應主動出版簡訊(news letter)與報
告(report)。簡訊與報告可定期出刊，亦
可針對特殊水文事件出版特刊(special
report)。簡訊出版之週期較短，報告則視
其內容而可有不同之出版週期。
應建立出版品目錄，以供使用者查詢購
買。
7/16/2015
資料與報告出版品之價格應合理。
應與相關研究單位資料建立密切合作關
係，以擴充資料庫內容。
建立資料倉儲中心(Data Repository
Institute)制度，以創造一個良好的水文
研發環境。
7/16/2015
水文資訊系統之終極目標
建立一個資訊的無障礙空間
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