Applied Hydrology Rainfall Observation and Analysis Prof. Ke-Sheng Cheng

Measuring Rainfall Tipping bucket raingauge 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. 11/24/2018

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. 11/24/2018

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. 11/24/2018

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 Small islands 25 Urban areas 10-20 Polar/arid 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. 11/24/2018

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 11/24/2018

A Random Sample of Storm Rainfall Process Temporal variation of storm rainfall can be modeled as a random process. 11/24/2018

Major storm types in Taiwan and their characteristics Mei-Yu Convective storms Typhoons Winter frontal rainfalls 11/24/2018

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. 11/24/2018

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 11/24/2018

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 11/24/2018

Rainfall data QA/QC Double mass curve Outlier detection Based on sampling theory Checking spatial/temporal dependency Checking rainfall-flow consistence 11/24/2018

Quality control Quality Assurance 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. 11/24/2018

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. 11/24/2018

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. 11/24/2018

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. 11/24/2018

Estimation of missing data 11/24/2018

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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. 11/24/2018

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. 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). 11/24/2018

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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. 11/24/2018

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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 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 11/24/2018

一、緒 論 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 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。 11/24/2018

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。 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。 11/24/2018

水文資訊系統各項單元 （改編自WMO，1994） 11/24/2018

二、水文觀測站網設計 11/24/2018

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    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 11/24/2018

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。 11/24/2018

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. 11/24/2018

Mean Squared Error,MSE 11/24/2018

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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。 11/24/2018

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。 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。 11/24/2018

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 11/24/2018

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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 11/24/2018

三、水文觀測人力之編制體系 11/24/2018

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) 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

四、資料觀測與收集程序 11/24/2018

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。 11/24/2018

五、資料校核與編碼 11/24/2018

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。 11/24/2018

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 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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 11/24/2018

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。 11/24/2018

觀測資料超過下列數值或範圍時，則列為可疑資料。 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 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

六、資料處理 11/24/2018

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。 11/24/2018

資料更新 定期更新 非定期更新 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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

七、資料儲存與擷取 11/24/2018

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。 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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

八、資料傳佈 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 11/24/2018

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。 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。 11/24/2018

水文資訊系統之終極目標 建立一個資訊的無障礙空間 11/24/2018