1 引言
地面观测资料的疏密程度对灾害性天气准确监测， 及降水等气候资源的优化应用有重要影响。为了更精细地监测不同区域的气象灾害和气候资源等条件， 中国气象部门从21世纪初开始， 不断补充和优化观测站网布局， 目前全国已建成超过6万个区域气象站点， 远远超过现有2400多个人工值守气象站的规模， 站点密度的增加减少了复杂地形下无法进行人工连续观测的盲区， 极大促进了中小尺度天气系统及气象灾害性天气的监测能力。江海生等（2009）研究了小区域降水与地质灾害发生的关系， 建立了相应的预报方程， 增强了山洪地质灾害的预报能力。顾岩梅和王付华（2009）对比大兴安岭不同季节的气温和降水资料时发现， 在复杂区域， 加密观测资料更能准确地体现气候的真实变化。代刊等（2010）认为， 加密站能及时捕捉对流发生前北京市整层大气的变化和能量累积。沈澄等（2015）应用高密度气象站分析表明， 短时强降水的空间分布具有明显的城郊差异。林婧婧等（2017）研究认为， 局地强降水对甘肃河西走廊绿洲植被覆盖有较大影响。金丽娜和李雄飞（2021）用区域站数据获得了西安市热岛和冷岛的精细化分布。
但区域气象站建设过快， 设备、 技术和管理的不足也日渐突现， 出现了一定数量的数据质量问题， 主要表现为缺测和奇异值。为了更好应用加密观测数据， 国内外学者们对气象水文数据的质量控制进行了大量研究， 并以多种方法进行数据极值界限判别和订正。Eischeid et al（1995）、 Peterson et al（1998）、 Sciuto et al（2009）、 Feng et al （2004）和Van et al（2015）对全球及区域尺度的气候资料进行了质量控制和空间数据精细插值研究。何健等（2011）认为气象要素极值随地理区域和季节的不同而变化， 所以区域气象站极值的确定要参考该地区长期观测资料的最大值或最小值。孙林花等（2015）和韩海涛等（2021）开展了针对甘肃省区域站实时资料问题研究， 评估了站点位置变化对资料均一性的影响。国内学者应用高度订正方法确定了区域站气温的界限值， 应用气候界限检查值、 时间一致性、 空间一致性检查等多种方法， 分别对中国及广东省区域站气象资料开展了质量分析研究（周青等， 2015； 王雯燕等， 2017； 伍红雨等， 2020）。Park et al（2002）对朝鲜半岛的夏季极端降水进行了分析， 翟盘茂和任福民（1999）、 章文波和刘宝元（2003）， 张玉虎等（2015）对中国、 省域及江河流域尺度的降水极值变化开展了研究。以上方法为区域站资料的科学应用提供了有益的参考。
近年来， 甘肃省建成了2100多个区域气象站， 形成了覆盖高原山地、 荒漠戈壁、 河谷盆地等不同地理环境的高密度监测网， 相比现有的81个国家级人工值守气象站， 站点数量增加了20多倍。然而， 甘肃省区域气象站建设也存在设备不统一、 观测频率不一致， 原始观测数据存在一定数量的质量问题。为了去伪存真， 发挥这些高密度观测数据在极端降水事件中的监测作用， 精准评估甘肃省降水的时空分布， 本文以国家级气象站质控数据作为参考， 研究检测区域站数据的实用性， 并对比两种站点降水资料在时空分布上的差异。
2 研究区概况
甘肃地处黄土高原、 青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带， 省内气候类型多样， 从南向北包括亚热带季风气候、 温带季风气候、 温带大陆性干旱气候和高原山地气候四大类型； 气象灾害种类多， 其中干旱居首位； 是气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区。甘肃省水资源匮乏、 降水稀少、 地域差异显著。全省年平均降水量412 mm（1991 -2020年平均）， 低于全国年平均降水量（632 mm）的2/3； 其中， 河西150 mm， 不足全国平均的1/4， 河东470 mm， 仅为全国的3/4； 全省年降水资源量1370×108 m3， 为全国倒数第5位。全省季节降水分配差异显著， 夏半年（4 -9月， 即汛期）降水占全年总量的80%~90%， 暴雨等极端性降水事件基本上发生在汛期。
3 数据来源及研究方法
3.1 数据来源及预处理
本研究以甘肃省内81个国家级人工值守气象站（以下简称为本站）， 及省内所有的2139个区域气象站（文后简称区域站）为分析对象； 资料序列为2011 -2020年共10年的日降水记录。甘肃省气象观测规范要求区域气象站降水的观测时段为每年3 -10月， 而不同海拔地区的起止时间有所不同， 为保证研究一致性， 研究选取本站和区域站同期4 -9月的资料进行分析， 数据来源于甘肃省气象信息与技术装备保障中心。本站数据已经过多级审核， 可直接使用； 而区域站多处于野外偏远地方， 因无人看守、 电池异常及其它未知原因常出现空值、 极端偏大或偏小的奇异值等问题， 所以要开展数据质量控制， 对不合常规的数据进行判别， 采取订正或者剔除， 以保证研究结果的科学可靠。本研究中区域站数据的质量控制步骤， 一是确定极大值界限， 进行空间一致性判别和时间一致性判别， 剔除奇异极大值； 二是去除观测记录缺测较多的站点， 保证计算结果的精准度。极大值界限确定， 近10年甘肃省区域站监测到较为可信的日最大降水量为258 mm， 国家站60年来监测到的最大日降水量为190.2 mm； 结合相关文献及甘肃省国家气象站降水极值和区域站降水的最大数值分析， 本研究设定了甘肃省区域站日降水量最大界限为300 mm， 研究中剔除日降水量>300 mm的异常记录。数据缺测偏多站点的处理， 经研究数据预分析， 当某站点数据缺测率超5%时， 分析结果与数据完整时结果差异会达到5%的显著水平； 因此本研究舍弃记录总缺测率超过5%的站点。另外， 由于甘南州区域气象站数量过少［图1 ， 该图及文中所涉及的地图是基于自然资源部标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）3333号的甘肃省地图制作， 底图无修改］， 本文对甘南不做分析（除去甘南， 全省有75个国家站参与研究）。经过以上步骤， 最终有1253个区域站参与研究， 占原始站点总数的58.6%； 甘肃高质量数据比例低于任芝花（2010）和侯灵等（2019） 的研究。
3.2 研究方法
本站和区域站数量差别巨大， 为了客观比较其降水时间和空间分布的差异， 研究主要以统计平均值对比、 分区域（市州）对比， 极端数值对比， 分析两类数据的一致性和差异性； 以GIS空间分析方法研究两类数据的空间相似度； 综合分析甘肃省降水的新特征。
4 结果与分析
4.1 汛期及各月降水量
2011-2020年甘肃省汛期（4 -9月）降水年际波动幅度较大（图2 ）， 而区域站和本站汛期平均降水量在各年度非常接近。甘肃省区域站汛期平均降水量在297.5~464.2 mm， 年较差为166.7 mm； 本站降水范围为302.1~454.1 mm， 年较差为152.0 mm。区域站年较差为其平均值的43.5%， 本站为其平均值40.0%， 表明区域站降水的变化幅度更大。区域站汛期降水量多年平均为382.9 mm， 本站为379.7 mm， 差值为3.2 mm； 各年最多相差16.6 mm。区域站和本站逐月平均降水量特征一致， 7月最大、 8月次之、 4月最小（图3 ）； 区域站月降水量在31.7~87.1 mm， 本站为30.4~86.4 mm。区域站和本站各月平均降水量相差在0.6~2.4 mm， 差值微小。
区域站和本站降水的年际和各月波动趋势和变化幅度基本一致， 两者数量差异很小， 区域站的年际和月间比本站波动略大。经显著性对比分析， 区域站和本站的汛期降水量、 月降水量的平均值在数量上没有明显差异， 均未通过显著性检验。
4.2 不同区域降水差异
表1 代表地市的区域站及本站各年度汛期降水量Table 1 Annual precipitation of representative municipalities in flood season |
| 地区 | 类型 | 各年度汛期降水量/mm | 标准偏差 /mm | 变异 系数 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2011年 | 2012年 | 2013年 | 2014年 | 2015年 | 2016年 | 2017年 | 2018年 | 2019年 | 2020年 | ||||
| 酒泉 | 区域站 | 69.1 | 75.8 | 98.1 | 50.6 | 86.7 | 111.8 | 68.0 | 67.9 | 101.1 | 35.8 | 23.5 | 0.31 |
| 本站 | 65.4 | 95.7 | 76.1 | 54.0 | 75.9 | 105.0 | 72.2 | 81.9 | 131.8 | 33.1 | 27.3 | 0.35 | |
| 武威 | 区域站 | 274.3 | 254.6 | 162.1 | 255.4 | 218.9 | 229.4 | 229.2 | 278.7 | 288.7 | 218.2 | 37.6 | 0.16 |
| 本站 | 298.3 | 307.7 | 186.5 | 297.3 | 234.5 | 269.8 | 252.9 | 332.2 | 328.0 | 239.5 | 46.5 | 0.17 | |
| 兰州 | 区域站 | 268.6 | 329.5 | 295.6 | 324.8 | 209.3 | 299.8 | 242.6 | 404.1 | 335.7 | 282.1 | 54.2 | 0.18 |
| 本站 | 228.5 | 291.1 | 282.9 | 353.6 | 203.6 | 278.6 | 279.4 | 469.1 | 353.0 | 294.2 | 74.4 | 0.25 | |
| 陇南 | 区域站 | 541.7 | 487.2 | 605.1 | 378.4 | 389.3 | 367.8 | 494.8 | 528.4 | 527.0 | 666.7 | 98.2 | 0.20 |
| 本站 | 551.6 | 526.8 | 644.3 | 410.7 | 446.6 | 393.7 | 518.3 | 555.5 | 568.4 | 725.0 | 101.9 | 0.19 | |
| 庆阳 | 区域站 | 367.1 | 443.9 | 545.8 | 462.3 | 305.6 | 281.1 | 424.6 | 530.1 | 452.7 | 432.5 | 86.0 | 0.20 |
| 本站 | 395.9 | 457.1 | 642.8 | 526.8 | 354.4 | 347.2 | 534.5 | 609.9 | 554.6 | 482.1 | 102.2 | 0.21 | |
4.3 最大月降水量对比
极端降水是一个区域水资源利用和暴雨洪涝灾害风险防御的重要参数。本文以各站点降水的历史月最大降水值为例， 对比两类站点极端降水的差异， 这种差异可为灾害防御提供更精准的参考。表2 为各市州2011 -2020年月最大降水量出现的区域和时间， 从表2 中可以看出， 白银、 定西、 兰州、 陇南、 庆阳和武威6个市行政区域内， 本站和区域站月最大降水发生在相同县区， 而其余市州月极端降水发生在不同区域； 月极端降水发生在同年同月的仅有临夏、 庆阳和武威3个市州。最大降水主要出现在6 -8月， 其中又以8月最多。从降水量来看， 各市州区域站的月极端降水量均大于本站， 白银、 张掖2市州两类站点的差异较小， 在25~50 mm， 其余市州的差异都超过70 mm， 其中临夏州的差异达到了471.8 mm。临夏州区域站月最大降水量为本站的255%， 该区域站海拔较本站高230 m， 水平距离仅40 km左右， 临夏境内多山地， 复杂地形对降水影响较大。卢珊等（2020， 2022）和李生辰等（2022）在青海高原和黄土高原区域的暴雨和极端降水研究也认为在高原边坡等复杂区域， 受水汽输送的异常变化容易产生极端降水， 与本文分析结果相似。
表2 各市州月最大降水出现的区域和时间Table 2 Positions and time of maximum monthly precipitation in each municipality |
| 地区 | 类型 | 县区 | 经度/（°E） | 纬度/（°N） | 海拔/m | 降水量/mm | 时间（年-月） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 白银 | 区域站 | 会宁 | 105.14 | 35.59 | 1817 | 281.7 | 2018-07 |
| 本站 | 105.06 | 35.68 | 1739 | 230.3 | 2017-08 | ||
| 定西 | 区域站 | 岷县 | 104.03 | 34.30 | 2500 | 494.9 | 2016-06 |
| 本站 | 104.02 | 34.43 | 2315 | 242.0 | 2020-08 | ||
| 酒泉 | 区域站 | 肃州 | 98.67 | 39.87 | 1388 | 263.9 | 2013-06 |
| 本站 | 肃北 | 94.87 | 39.52 | 2137 | 140.1 | 2012-06 | |
| 兰州 | 区域站 | 榆中 | 104.00 | 35.77 | 2646 | 441.8 | 2011-08 |
| 本站 | 104.14 | 35.87 | 1874 | 211.5 | 2018-08 | ||
| 临夏 | 区域站 | 和政 | 103.35 | 35.43 | 2136 | 776.1 | 2018-08 |
| 本站 | 临夏 | 103.18 | 35.58 | 1917 | 304.3 | 2018-08 | |
| 陇南 | 区域站 | 康县 | 105.76 | 33.01 | 840 | 760.3 | 2016-07 |
| 本站 | 105.6 | 33.33 | 1221 | 541.1 | 2020-08 | ||
| 平凉 | 区域站 | 灵台 | 107.65 | 35.07 | 976 | 417.9 | 2013-07 |
| 本站 | 崆峒 | 106.66 | 35.53 | 1468 | 313.5 | 2020-08 | |
| 庆阳 | 区域站 | 华池 | 107.92 | 36.50 | 1323 | 548.6 | 2013-07 |
| 本站 | 107.99 | 36.45 | 1420 | 379.3 | 2013-07 | ||
| 天水 | 区域站 | 麦积 | 105.94 | 34.45 | 1200 | 484.6 | 2015-05 |
| 本站 | 清水 | 106.15 | 34.74 | 1416 | 328.0 | 2013-07 | |
| 武威 | 区域站 | 天祝 | 102.91 | 36.99 | 2820 | 275.4 | 2018-08 |
| 本站 | 103.19 | 36.99 | 2485 | 205.0 | 2018-08 | ||
| 张掖 | 区域站 | 高台 | 99.64 | 39.35 | 1428 | 197.9 | 2012-07 |
| 本站 | 民乐 | 100.82 | 38.46 | 2232 | 150.5 | 2019-06 |
4.4 降水概率分布型态
甘肃省区域站和本站降水的平均状态和单站极端数值差异较大， 为对比其量级和分布特征， 利用降水概率分布曲线进行了分析。首先计算两类降水序列的方差， 以1/2个方差为单位递增形成多个分组， 统计各组内的气象站数量， 再以各组内的降水中值和组内数量绘制降水概率分布曲线图（图4 ， 图5 ）。由图4 可见， 区域站汛期降水的分布近似于正态分布型， 降水量主要集中在300~500 mm， 站点比例为78.5%； 本站降水曲线的大部分类似正态分布， 但不规则， 430~480 mm站点比例最高， 约50%。图5 表明， 区域站和本站月最大降水的概率曲线都倾向于右向正偏态分布（曲线尾部向右）， 区域站分布最接近标准偏态型； 区域站和本站月最大降水量都在100~300 mm占有很高的站点比例， 区域站月最大降水400 mm以上站点明显减少， 而本站大于300 mm 以上的站点就急剧下降， 表明区域站极端降水的阈值比本站大， 高值范围更大。
从平均数量来看， 汛期降水区域站总体平均为382.9 mm， 本站为379.7 mm， 相差3.2 mm； 区域站月最大降水量总平均为233 mm， 本站为206 mm， 相差27 mm； 平均数量相差不是很明显。而在极大值方面两类站点的差别却极其显著， 如， 汛期最大降水区域站为917.5 mm （陇南市武都区五马镇）， 本站最大为710.7 mm（陇南市康县）， 相差206.8mm； 月最大降水区域站达776 mm（临夏州和政城关镇）， 本站为541 mm（陇南市康县）， 相差235 mm。区域站汛期降水和月最大降水的极端值均远超本站， 这个显著增量， 使得区域洪涝灾害防御增加了难度和风险。
4.5 暴雨日数
武威市及其以西地区气象站24 h降水大于29.9 mm计为1个暴雨日， 武威市以东区域大于49.9 mm计为1个暴雨日（甘肃省暴雨预警信号管理办法）， 近10年甘肃省所有区域站监测到的暴雨日数总和为6932天， 而本站所有暴雨日数总和为305天； 区域站暴雨日数单站最多达46 d·（10a）-1（陇南市武都区裕和镇）， 而本站最多17 d·（10a）-1（陇南市康县）（图6 ）， 差别达2.7倍。从图6 可以发现， 甘肃省暴雨多发生在102°E -108°E， 暴雨日数极大值在106°E附近， 区域站和本站暴雨日数的高发区比较一致， 分布形势也很相近。区域站各站暴雨日数平均为5.53 d·（10a）-1， 本站各站平均为4.69 d·（10a）-1。两类站点的总暴雨日数、 单站平均及单站最大数均表明， 区域站能收集和记录到更多本站监测不到的强降水事件。这与国内有关研究结论相似， 即国家级观测站少， 分辨率低， 降水的极端性往往会被低估（伍红雨等， 2020）。
4.6 空间分布与相关
本文借鉴了张红杰等（2009）的研究方法， 以克里金法将研究选取的75个本站和1253个区域站降水资料插值到1 km分辨率的网格点上， 得到区域站和本站的精细化降水分布图（图7 ， 图8 ）， 总体上两类站点降水量都呈现出东多西少和南多北少的特征。图7 表明区域站和本站汛期降水在甘肃省西部偏北地方最少， 为20~100 mm， 东部和南部降水较多， 为300~800 mm。图8 表明月最大降水仅有东南少部分地方可以达到300 mm以上， 西部和偏北地方大部都少于100 mm。综合图7 和图8 可以发现， 区域站降水空间分布表现得更为细致， 呈现出更多分散的小斑块高值区和低值区， 而本站降水分布等值线简单平滑， 高值和低值区多呈连片分布。
为量化两类站点降水的空间相似程度， 将取得的1 km分辨率降水数据以5 km为最小空间距离， 利用ArcGIS软件随机生成了3339个验证点， 分别提取两类站点的验证点数据， 计算了本站和区域站降水量的空间相关系数（表3 ）。表3 表明， 区域站和本站降水空间相关系数以全省为整体区域的数值最高， 达到0.92~0.95， 且通过了0.05显著性水平检验。汛期降水相关性较高的区域为张掖和武威市； 较低的区域为酒泉、 平凉和庆阳市； 该相关特征可能与复杂地形有关， 酒泉市海拔落差大， 以山谷地形为主， 平凉和庆阳市多为丘陵沟壑， 因此分布稀少的国家站很难反映复杂地形下降水的细节特征。月最大降水相关性与汛期降水又有所不同， 陇南山区本站和区域站的相关性较高， 而酒泉、 平凉、 庆阳和兰州等地相关数值较低。方锋等（2014）分析了城市化和地形对降水的影响， 发现城镇化率较高的大城市、 化工城市和复杂地形的城市对降水发生有明显的作用， 其分析与本研究结果有相似之处， 这也表明降水的产生机制非常复杂， 气候背景、 大城市环境、 化工业排放及地形因素等均可能对极端性降水产生作用。
表3 不同区域范围的区域站与本站降水相关系数Table 3 Correlation coefficient of precipitation between regional stations and national stations |
| 区 域 | 酒泉 | 张掖 | 武威 | 白银 | 兰州 | 临夏 | 定西 | 陇南 | 天水 | 平凉 | 庆阳 | 全省 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 汛期降水 | 0.35 | 0.9a | 0.96a | 0.75 | 0.68 | 0.8a | 0.79 | 0.55 | 0.74 | 0.62 | 0.33 | 0.95a |
| 月最大降水 | 0.38 | 0.46 | 0.86 a | 0.52 | 0.17 | 0.59 | 0.5 | 0.81 a | 0.77 | 0.47 | 0.3 | 0.92a |
上标a表示通过了0.05显著性水平检验 |
4.7 降水空间差值
图9 区域站与本站降水空间差值（单位： mm）Fig.9 Spatial difference of precipitation between the regional station and national station.Unit： mm |
表4 区域站与本站降水差值各等级面积占全省总面积的比例Table 4 Proportion of different grades of precipitation difference between regional stations and national station in total area |
| 类别 | 差值等级 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| <-100 mm | -100~-50 mm | -50.0 mm | 0~50 mm | 50~100 mm | >100 mm | |
| 汛期降水差值各等级面积占比/% | 5.4 | 17.0 | 46.9 | 23.3 | 5.7 | 1.6 |
| 月最大降水差值各等级面积占比/% | 2.0 | 9.1 | 55.6 | 28.0 | 4.1 | 1.2 |
但对比降水空间分布（图7 ， 图8 ）可以发现， 因国家级气象站数量稀少， 其空间插值容易形成大范围的高值区， 导致本站有一定范围降水量存在被夸大的可能， 特别是酒泉、 庆阳和陇南等市。
5 结论
通过甘肃省区域气象站和国家级气象站降水对比， 研究得出了两种密度站点的汛期及各月降水量， 极端降水， 降水分布形态及空间相似性等异同特征。主要结论如下：
（1） 甘肃区域站和国家站汛期及各月降水的平均值非常接近， 无显著性差异， 表明区域站和本站均能表现全省降水时空分布的整体状况。
（2） 在降水的极端特征方面， 区域站的单站极端值显著高于国家站极端值， 特别是地形复杂的山区和东部黄土高原， 区域站汛期降水总量、 月极端降水量和暴雨日数最多可分别高出国家站30%， 43%和171%。
（3） 甘肃省区域站数量远远大于本站， 因数量和分布优势， 其汛期降水概率曲线分布呈标准正态型， 月极大降水概率曲线呈标准偏态型， 更符合理论分布形态。
（4） 两种站点降水量的空间分布形态非常相近， 但区域站比国家站呈现更多小斑块的高值和低值中心， 两种站点降水的空间差异在甘肃省的东部和南部比较明显。
甘肃省区域站和本站降水的差异主要由复杂地形、 气候背景、 城市环境发展等多因素造成。总体上， 区域气象站数据更精细地描绘了甘肃省的降水特征， 在复杂区域监测到了更多的极端降水事件， 降水极值在数量上相比国家站要高很多， 这些区域的暴雨洪涝灾害防御应以区域气象站数据为参考， 增强基础设施， 提升灾害风险防御能力。