一体化雨量遥感野外比测实验分析

，

(甘肃张掖水文水资源勘测局，甘肃 张掖 734000)

1 区域概况及实验监测站网

1.1 自然地理分布

黑河流域位于东经96°42′～ 102°04′、北纬39°45′～ 42°40′之间，处于青藏和蒙新高原交接地带，地跨青海、甘肃、内蒙古三省(自治区)，总流域面积12.83万 km2。自上游而下，流域内断续分布着高山高原、平原绿洲及沙漠戈壁。

由于地处亚欧大陆腹地，黑河流域属大陆性气候区，其气候地带性和区域性较为明显。上游祁连山区为高寒半干旱区，中段河西走廊为冷温带干旱区，下游北部山地和戈壁沙漠为温带干旱区。

祁连山地为黑河的发源地，降水多集中于主汛期；流域中、下游降水较为稀少，蒸发能力相应增加。

1.2 降水监测站网

张掖水文水资源勘测局在黑河干流及其支流上共设有10个国家基本水文站，勘测区域涉及甘肃、青海两省，与14个雨量站及若干在建雨量监测点共同组成降水监测网络系统。

本次实验选取不同气候区控制站共7站。黑河干流黄藏寺峡以上分为东西两岔，高山峡谷起伏变化较大，有大片森林、草甸分布，因此本次实验选取上游两岔控制站札马什克、祁连站；黑河二级支流梨园河控制站肃南站，梨园河出山口控制站鹦鸽咀站；浅山区选取黑河三级支流洪水河控制站双树寺站，二级支流山丹河(白石崖河)控制站李桥站；黑河中游降水量较少，为双向不对称倾斜平原区，选取控制站高崖站；下游降水稀少，难以形成较大洪水，因此没有选用。

各站多年平均降水量由祁连山区札马什克站444.9 mm向中游高崖站124.8 mm递减，而多年平均蒸发能力却由札马什克站752.0 mm向高崖站1 554.8 mm递增。

2 野外比测场地及仪器状况

野外实验场为气象观测场，仪器安放均符合《降水量观测规范》要求，降水量能代表水平地面上的天然雨深。

遥感监测使用的雨量传感器为翻斗式JEZ雨雪量计，分辨力为0.2 mm，安装高度1.2 m，其工作原理为器口汇集的降水流经翻斗时，翻斗翻转就会发出通断脉冲，据脉冲信号测得降水量，由计算机完成数据分析、显示、汇总、报警等，从而实现雨量的远程自动遥测。同步比测的是人工雨量器，安装高度0.7 m，记录精度0.1 mm。

JEZ系列雨雪量计适用于年均降水小于800 mm的地区，降雨强度范围为≤4 mm/min，自身排水法误差为不超过±4%。

3 实验数据计算整编

尽管JEZ系列雨雪量计在JDZ雨量传感器的原有基础上，增加了加热膜、温度传感器及其控制器件等，但在降雪期间，由于气温较低，降雪不能完全融化，或耗于蒸发，或融化后有累积滞后现象，因此按5 min滑动提取了5月至9月的汛期降雨数据进行计算分析,摘录段制为24段，记起讫时间输出，使用南方片水文资料整编系统编制成果。

人工雨量数据按4段制记录，数据不按起时间录入，不得跨越的段制为4段，数据及成果经相关部门校核认定，符合规范要求。

由于比测站网自我国地势第一阶梯跨第二阶梯，气候差异较大，因此各站比测时间长短不同，比测实验时间见表1。

4 野外实验数据分析

4.1 测验精度分析

由于实验站点地处河西内陆，经历年资料考证，暴雨均发生于5月至9月之间，各站实验期降水占年降水总量比例见表2，其中产流区各站达80%以上， 浅山区双树寺站及中游高崖站达75%以上，因此本次实验具有较强的代表性，雨量遥感在流域产汇流研究及减灾方面有较强的实用性。

我国颁布的SL21-2006《降水量观测规范》规定，翻斗式自记雨量计记录日降水量与自然排水量之差为±2.0 mm时，应进行记录量的订正，因此认为误差小于±2.0 mm的日降水量无需进行订正，符合观测精度。与注水法检测仪器不同，野外受各种因素影响，落入承雨器中的天然降雨量并不知道，因此假定人工测记降水量为真值，对实验数据进行分析，7站的日降水量绝对误差均在±1.5 mm以内；其中仅李桥站出现一次3.1 mm的最大绝对误差(相对误差12%)。因此即使假定人工测记降水量为真值，遥感监测的日降水量也完全符合规范要求，不合格样本仅一例，占样本总数的0.2%。

对7站实验期降雨总量进行统计，最大累积误差为札马什克站的-19.2 mm，相对误差-4.9%，占全年降水总量的-4.3%；最小累积误差为祁连站-2.7 mm，相对误差-0.7%，仅占全年降水总量的-0.6%，可完全忽略不计。统计见表1。

对7站的降水日数进行对比，当降水量很小时，各站比测的降水日数都不相同，是由于两仪器的分辨力记录不同，达不到分辨力要求的降水不予记录，符合规范要求，并无一例漏测现象。统计见表1。

表1 各站比测时间及比测误差统计表

表2 各站比测降雨量占年降水量比例统计表

4.2 实验数据相关性分析

由于实验数据较多，选取祁连、肃南、鹦鸽咀、高崖四站，分别代表深山区、浅山区、出山口、中游区进行分析，其相对误差分别为-0.7%、-1.6%、-6.3%、2.4%。在实验室，JEZ雨雪量计采用排水法测量误差为不超过±4%，在野外状态下，与人工记录量相比，祁连、肃南、高崖站三站的测量误差仍小于±4%，相对于年降水量可以忽略不计。鹦鸽咀站比4%小2.3%，但实验期内并没有超过±2.0 mm 的日量误差，且相对于年降水量仅偏小5.2%，因此无需对计量值进行订正。

分别点绘四站降水量相关图(见图1)，从图中可以看出，各站点据呈明显的带状分布，相关程度极为密切，相关系数分别为1.007 4、0.988 2、0.968 2、1.075 1，判定系数除高崖站为0.996 7外，其它三站均大于0.998，样本点据与回归直线非常接近，显示比测结果良好。

同理对札马什克、李桥、双树寺三站做回归分析，结果一致，札马什克、双树寺站判定系数均为0.997 9，李桥站为0.988 5，点据关系密切。

对7站资料做总体分析，JEZ雨雪量计偏小的样本远大于偏大的样本，说明当降水量小且过程较长时， JEZ雨雪量计记录量系统偏小0.1 mm，属正常器差，并不影响年降水量或暴雨的计量和采集。

图1 祁连、肃南、高崖、鹦鸽咀站降水量比测实验相关图

5 比测实验误差分析

5.1 仪器分辨力误差

JEZ雨雪量计传感器最小分辨力为0.2 mm，达不到0.2 mm翻斗则不翻转，雨量累积到下一时段，或耗于蒸发。一场降雨的误差较小,然而野外实验时，降水多为间歇性，日降水量一般由多场间歇性降水构成，则两仪器测记误差变大。对实测数据分析可以看出，总体误差偏小的原因是由仪器的分辨力不同造成。

SL21-2006《降水量观测规范》条文说明1.0.4规定了降水观测的最小量,在黑河流域使用分辨力为0.2 mm的仪器，符合规范的规定。

5.2 人工测量误差

在人工雨量器计量中，量杯的最小刻度为0.1 mm，但不同的人观读习惯不同，会造成一定的人为误差，有可能并不固定。

5.3 障碍物遮挡误差

野外实验场设在水文站院内，四周或多或少都有一定障外物，对气流运动有阻碍作用，场地不同，仪器安装高度不同，对降水量观测精度都会产生一定的误差。

5.4 风力损失

河西走廊常年风力较为强劲，降水受风力阻碍，空气流动引起风场变形，在器口形成涡流和上升气流，两仪器安装高度不同，因而器口以上的风速也不同，常引起降水迹线偏离而导致误差，一般认为安装高度越低，误差会越小。

5.5 降水量值误差

在野外，天然降水量具有很大的随机性，雨滴的密度与质量都不相同，因而滴落在每个承雨器内的降水量不同，比测时只是把人工记录量做为假定真值来对比，会造成一定的人为误差。

5.6 计量仪器误差

计量仪器本身都会有一定的误差，在出厂及实验前，都对仪器进行了注水检验和调试，但在实际应用中也会产生误差，不同计量仪器产生的误差也不相同，可能是系统性的，也可能是随机性的。

5.7 湿润误差

JEZ雨雪量计与人工雨量器构件不同，承雨及计量部件都要粘滞一些降水。在仪器结构上，人工雨量器的接触面要略大于翻斗的接触面。另外，由于仪器安装区域不同，湿润误差受气温、湿度、风力的影响也较大。

5.8 蒸发误差

人工降水观测时，降雨停止后随时测量，而翻斗中达不分辨力的降水则会耗于蒸发。 在本次实验中，受蒸发影响较大的为中游站。

6 结语

本次野外实验布设在黑河流域，各站所辖集水区为重点产流区或调水控制区域，使用一体化雨量遥感监测降水量，不仅仅是对仪器设备的革新，更是起到暴雨预警的作用。经过实验比测分析，得出以下结论：

(1)目前，在黑河流域使用的降水监测设备为人工雨量器或虹吸式自记雨量计，人工雨量器记录的是4段制量，无法监测到连续的降水强度；虹吸式自记雨量计能记录连续的降水，但受人工干预，构件老化，记录线需人工摘录、校核及挑选，两仪器都需人员常年驻守。使用一体化雨量遥感监测，既可以监测到连续的降水，又可使用程序提取数据直接整编，并实现准确快捷的查询降雨情况。

(2)经黑河流域野外实验，雨量遥感一体化监测可以在水文测站日常测验中使用，且实用性明显，降水量观测符合规范规定的精度要求。

(3)由于冬季气温低，降水稀少，传感器无法检测出微小的降雪强度；降雪融化有滞后现象，因此降雪仍以人工为准，以遥感测量为辅，整编成果为共同编制的逐日表、摘录表及最大降水量表，并辅助说明。

(4)应用自动化遥感监测，使传统的水文测报方式向技术性、知识性的领域转变，一些老旧的水文仪器已不适应现代化自动测报系统的发展，可以进一步扩大站网，从面上提高区域总降水量的观测精度。

(5)使用自动化遥感监测降水，能与其它设备共同构成水文自动监测系统，为防汛、度汛、预警提供实时准确的信息。