不同雨强下两种仪器测量结果对比分析

2019-01-11边玛罗布央美达瓦泽仁旦增卓玛

西藏科技 2018年12期

边玛罗布央美达瓦泽仁旦增卓玛

（那曲市气象局，西藏那曲 852000）

关键字：称重式雨量器翻斗式雨量器不同雨强

现在气象台站几乎都使用翻斗式雨量计、称重式雨量计和雨量器作为降水测量的仪器。降水观测是最重要的地面气象观测内容之一，降水量既是最重要气象要素之一，同时也是气候的重要标志。

主要研究内容收集不同降水过程的两种仪器的降水资料，并对降水过程进行分类；统计不同雨强下两种仪器结果的特征；模拟不同强度的降水，测试两个仪器的感应；对两种不同测量结果进行研究分析。翻斗式雨量器和称重式雨量器在不同雨强的测试结果进行对比分析，对两种仪器进行进一步的分析、讨论和研究。称重式降水传感器是通过载荷原件对盛水筒内质量变化的快速响应测量,与传统的翻斗式降水测量方法不同[1]。

降水的观测是一个很重要的地面气象观测的项目之一，它为气象防范和减少气象灾害、天气预报、气候的诊断与分析和对大气科学发展、研究供应了不一样的基础资料[1]。降水数据是气候变化的探讨、天气动力分析与研究、数值天气预报的不同模式、水分平衡的衡量、水文模型等方面重要意义的信息，是雷达与卫星的定标、水库的管理资料、工程方面的设计等各个方向的基础依据。探讨降水量的准确性和真实性对科学研究、基本生活等各方面都有着重要的意义。中国的气象台站都用过各种的雨量传感器以及不一的使用高度，不过一般都使用的是20厘米口径，使用高度一般为70厘米的台站普通雨量器来收集降水量。中国所使用的降水数据和一些探索研究与业务单位在实际工作中发现降水数据的准确性差，给研究等方面带来了很多不便的影响[2]。称重式降水传感器对雪、冰雹、雨和混合态的降水自动化观测，能够克服目前气象台站雪、冰雹人工观测造成的时效性差、观测频次低等缺点，有利于提高雪、冰雹观测的准确性和效率，减少观测人员的工作量[3]。一直用翻斗式雨量器，所以对这两种仪器的对比有着很重要的意义。

在称重式降水传感器与雨量器实测降水量对比分析中了解到称重式对固态降水传感器具有测量准确、稳定性高、数据实时性强等特点。由于观测方法与仪器原理不同，两者具有着一定的不同点[4]。在称重式降水传感器与雨量筒降水量误差分析中则讲到了关于称重式雨量传感器的测量原理和对雨量筒的对比分析方法与结论，以及称重式雨量计的维护与误差原因和防范。在翻斗雨量计误差实验研究及改正措施中讲到了翻斗式雨量计的测量原理、分类、误差和与其它仪器对比。经过误差修改方法后的翻斗雨量计为具有准确性、可靠性、低功耗的自动式存储雨量观测仪器[5]。在几种降水测量仪器的讨论分析中三种降水观测仪器各有其优缺点，为保证降水测量的代表性和精确度建议长期共存。也用了和好的办法来对比，从三种仪器的测量原理误差来分析[6]，不同降水测量设备测量不同的降水量，降水强度时，结果是不同的。利用可靠的不同雨强下的降水资料实测降水量，对称重式雨量器和翻斗式雨量器的各个数据资料进行处理、分析、分类和总结。同样的对比方法对人工测试，模拟实验的数据资料进行处理、分析、分类和总结，然后对不同降水仪器和不同雨强下的实际降水量和模拟实验测试的降水量的结果进行相互的对比分析和总结。

1 仪器介绍

1.1 称重式雨量传感器

1.1.1 简介。称重式雨量传感器通过对降水质量变化的快速响应测量降水量，基于载荷测量技术原理设计。称重式雨量传感器既可以使智能传感器连接在别的采集系统上，也可以传出开关量信号传到现有的自动气象站。称重式雨量传感器基于单独点测压原理设计，由部分硬件和处理软件组成，其硬件可分成称重单元、处理单元和外围组件，既可以传出开关信号取代或模拟翻斗式雨量传感器传入现有的各种自动气象站中，也可以作为智能传感器连接在新型自动气象站上[3]。

1.1.2 结构与工作原理。称重式雨量传感器的测量原理是通过载荷原件对承水筒内降水量质量变化的快速响应来测量降水量，称重式雨量传感器主要由承水口、内筒、外壳、处理单元及载荷原件、底座、收集容器等部件组成，基本组成如图1所示。

图1 称重式雨量传感器的原理结构图

称重式雨量传感器既可以作为独一的传感器连接在自动气象站上，也可以作为单一的降水观测仪器使用，使观测结果准确化、观测数据不断化，有利于提高雪、冰雹降水观测的准确性和效率，减少观测人员的工作量，更进一步提高观测效率和观测质量[1]。

1.2 翻斗式雨量传感器

1.2.1 简介。翻斗式雨量传感器是一种气象、水文仪器，用来衡量降水量，同时将降水量转换成以被测量形式表示出的数字信息，以满足数据传输、资料处理、时间记录和数字显示等需要。翻斗式雨量计按翻斗数将类型可分为单翻斗雨量计和双翻斗雨量计，也有按分辨率分，分辨率为降水量观测器观测记录的最小量。按照降雨量观测规范规定，根据当地的具体情况，选用适当分辨率的翻斗雨量计。

1.2.2 结构与工作原理。由于双翻斗雨量计计量精度比较高，目前中国气象站测量降雨量一般都用双翻斗雨量传感器。双翻斗雨量传感器主要由承水口、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。承雨口承载的雨水通过漏斗进入上翻斗，当雨水量到一定量时，由于水的重力作用使上翻斗翻转，雨水进入汇集漏斗。水量从汇集漏斗的小水管进入计量翻斗，当计量翻斗受到的降水量的重量达到翻斗感量时。计量翻斗会将所降的水翻倒到计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在翻转时，与它相关的磁钢对干簧管扫描一次，干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这样，降水量每次达到0.1毫米时，就送出去一个开关信号，采集器就自动采集存储0.1毫米降水量，如图2所示。

图2 双翻斗式雨量传感器结构图

翻斗式雨量计，分为固态存储器和传感器两部分。传感器是一个翻斗式机械双稳态称重机构，它采用中间隔板间开的两个完全对称的三角容器，中间隔板可绕水平轴翻转，类似于杠杆原理。工作时两侧的三角容器一个接着一个接水，当一侧容器装满一定雨水时，由于水的重量作用翻转，降水倒出，随着降水的持续性，将翻斗不断地轮流翻转。在翻斗轴上有固定的磁钢，在漏斗的偏下有固定的干簧继电器或霍尔原件，在翻斗翻转过程中磁钢的位置两个装置之间往复运动，当磁钢接近干簧继电器或霍尔元件时开关闭合，离开一定距离时，开关断开，于是就产生一个计数脉冲。固态存储器则负责将传感器传来的脉冲计数，然后以各种方式记录下来[5]。

2 实际降水对比

2.1 实际数据及数据统计

2.1.1 实测数据。采用的数据是从2014年10月30日至2015年3月31日的每分钟、每小时、每天每月的称重式雨量计、翻斗式雨量计的降水量数据。经过处理的降水量数据没有因为测量时间不同而引起的差异，降水期间两种仪器都状态正常。对实测的两种仪器的降水量分别统计降水次数，每次降水次数相互间的时间差最长小于等于5小时，再对每次降水次数的过程降水量进行降雨强度的划分。从表1可见。

表1 降水强度的划分

根据表1的降水强度划分，统计2014年10月30日至2015年3月30日的称重式雨量计的11次降水过程，如表2所示。

表2 称重式雨量计降水次数及强度划分

表3 翻斗式雨量计降水次数及强度划分

再对同样时间段的翻斗式雨量计的11次降水过程的数据进行分析，如表3所示。

对两种仪器的降水过程同时段、同等级的降水构成进行分析和对比，两种仪器的降水次数在同时段同等级共有11次降水过程，小雨7次、中雨2次、大雨1次、暴雨1次、大暴雨和特大暴雨没有。称重式雨量计降水次数为11次，翻斗式雨量计降水次数为11次，而同时间的降水次数为11次，所以翻斗式雨量计与称重式雨量计一致率为100%.月一致率称重式观测降水量只与人翻斗式降水量比较，当降水量小于等于10.0毫米时，两者差值小于等于0.4毫米，降水量大于10.0毫米时，两者差值百分率小于等于4%，则为一致。月一致率（%）=对比差值小于一致率范围的次数/有效总次数*100%，从实测数据统计出各月的一致率见表 4[4]。

表4 翻斗式雨量计与称重式雨量计一致率

从表4可以看出有降水的时候，月一致率达到了81.81%.这就表明了称重式雨量计和翻斗式雨量计所测得降水量的同步性好，所以两种仪器有较好的可比性。

2.2 小时数据对比

2.2.1 暴雨。根据采用的数据统计两个仪器同时间段有一个暴雨等级的降水过程，是从2015年3月17日13时至18日09时，此次降水过程称重式雨量计的降水量为60毫米，翻斗式雨量计的降水量为59.8毫米。

图3 暴雨时两种仪器降水量实测对比

根据图3所示，两种仪器降水量的趋势完全相同。但是降水过程中翻斗式雨量计落后于称重式雨量计的时段有15-17时、21时至23时、07时、09时，而称重式雨量计落后于翻斗式雨量计的时段有13-14时、18-20时、00-02时、05时。在两种雨量计测试的降水量中03时、04时、06时、08时时候测试结果相同无差异，结合降水量的趋势图和数据对比两种仪器的测试结果几乎相同，此次降水过程总降水量也只相差0.2毫米。再计算以翻斗式雨量为标准的相对误差，设翻斗式雨量计为R1，称重式雨量计为R2，根据相对误差的公式（R1-R2/R1*100%）。相对误差为0.33%.

2.2.2 大雨。根据采用的数据统计两个仪器同时间段有一个大雨等级的降水过程，是从2014年11月23日23时至24日17时，此次降水过程称重式雨量计的降水量为37毫米，翻斗式雨量计的降水量为39.7毫米。

两种仪器的降水量趋势大致的相似，但是此次降水过程的降水量最高值的时间不同且相差0.3毫米。从01时至03时、从05时至07时、然后从14时至15时和23日23时、24日10时翻斗式雨量计所测的降水量比称重式雨量计所测的高一点，其余每个小时降水过程除24日13时没有降水外，称重式雨量计测量的降水量比翻斗式的高一点，两种仪器的总降水量相差为2.7毫米。再次利用相对误差的公式（R1-R2/R1*100%），相对误差为6.80%.

2.2.3 中雨。根据采用的数据统计两个仪器同时间段有两个中雨等级的降水过程，是从2014年11月27日11时至00时、2015年2月20日03时至19时。两次降水过程称重式雨量计的降水量为11.2毫米、10.8毫米，翻斗式雨量计的降水量为12.4毫米、11.7毫米。

两次降水过程两种仪器的降水量差和相对误差分别为1.2毫米和9.67%、0.9毫米和7.69%.

2.2.4 小雨。根据采用的数据统计两个仪器同时间段有一个小雨等级的降水过程，是从2014年11月8日02时至10时。此次降水过程称重式雨量计降水量为5.3毫米，翻斗式雨量计的降水量为5.6毫米。

图4 小雨时两种仪器降水量实测对比

从图4可以看出两种仪器测得的降水量趋势大致相似，刚开始时候称重式雨量器落后一些，05时和08-10时也是同样的状况。但是06-07时称重式雨量器先于翻斗式雨量器，剩下的两个小时两种仪器测得的降水量是相同的。两种仪器总降水量相差0.3毫米，相对误差为5.35%.

根据采用的数据统计两个仪器同时间段有小雨等级的降水过程，是从2014年10月31日01时至14时、11月1日17时至21时、11月25日07时至14时、2015年2月22日23时至次日03时。这些降水过程称重式雨量计的降水量分别为4.5毫米、2.3毫米、2.9毫米、2.1毫米，翻斗式雨量计的降水量分别为4.4毫米、2.4毫米、2.6毫米、2.1毫米。

两种仪器的降水量差和相对误差分别为0.1毫米和2.27%、0毫米和0%、0.3毫米和11.53%、0.1毫米和4.16%.

2.3 分钟数据对比

2.3.1 分钟数据的一致率。对2014年10月30日至2015年3月31日的数据进行分钟数据的对比。对以上11种不同雨强时的两种仪器测量的每分钟数据，两种仪器在相同时间内测量出的数据，若两个数据相同，则一致。

表5 不同雨强下翻斗式雨量计与称重式雨量计一致率

从表5可以看出来，雨强与两种仪器测量结果的关系，雨强越小两种仪器的每分钟一致率越高，而雨强越大两种仪器的每分钟一致率越低；每次降水过程的时间越短，两种仪器降水量的一致率越高，而降水过程时间越长，每分钟降水一致率越低。经过数据对比，雨强越强的降水过程时间再短，也同样对两种仪器每分钟的降水测量一致率无影响，一致率不高；反而雨强越小的降水过程时间越长两种仪器每分钟降水测量一致率越高；而时间相同则雨强越小，一致率越高。

3 不同雨强测试

3.1 实验数据统计和处理

采用的数据是经过一周时间来测试不同雨强对两种仪器的响应。对两种仪器分别做了两组实验，根据表6每组都有六种不同雨强的测试，每种雨强所取得测试的值分别是（按照小时累积降水量）：特大暴雨45毫米、大暴雨30毫米、暴雨15毫米、大雨8毫米、中雨4毫米、小雨2毫米，以这个值为标准的做测试。每次测试大约10-40分钟，为了不同雨强的数据不混合，每次不同雨强的实验间隔大约10分钟左右，对两种仪器测试的降水量分别统计，再次对比和分析。

表6 不同雨强下两种仪器测试的数据

3.2 不同雨强下实验数据的对比

笔者分别对每组测试做对比、分析，先对第一组测试实验数据做对比，认定当测试值小于10毫米时，若差值小于0.4毫米，则一致；当测试值大于等于10毫米时，若差值百分率小于4%则一致[4]。

表7 不同雨强下两种仪器测试的一致率（第一组）

从表7可见，翻斗式雨量计和称重式雨量计的测试值与标准值的一致率很高，两种仪器的测试值与标准值的一致率完全一致。只有大雨时的测试值与标准值不一致，所以大雨时的测试实验存在一定的测量以及模拟时的人为误差。证明两种仪器在不同雨强时降水量测量结果的一致率很高，通过相对误差的方法对比分析，相对误差=（标准值-测试值）/标准值*100%.

从翻斗式雨量计测试值的相对误差表可以看出，大雨时的相对误差最大，而暴雨时的相对误差最小，特大暴雨、大暴雨、中雨时的相对误差相近，相差不大，但是小雨时的相对误差偏高。

称重式雨量计的相对误差在小雨、大雨时的比较高，特大暴雨和大暴雨时相对误差比较相近，但是比翻斗式雨量计的相对误差要小一些，而暴雨和中雨的相对误差高了一些，比翻斗式雨量计的相对误差要高一倍或一倍以上。

经过第一组测试实验，再加上两种不同雨强下两种仪器的数据对比、分析。以标准值与测试值的一致率来看，不同雨强下两种仪器测试的降水量几乎一致。经过相对误差对不同雨强下两种仪器降水量的测试值对比，发现特大暴雨和大暴雨时的测试值称重式雨量计相对误差更小，而除了大雨时相对误差相等外，其他三种雨强下翻斗式雨量计测试值的相对误差更小，而且小了一倍或一倍以上。

表8 不同雨强下两种仪器测试的一致率（第二组）

测试的第二组的测试对比方法跟第一组一样，一致性公式跟第一组一样。

从表8可见，翻斗式雨量计的测试值与标准值的一致率很高，对比后的结果具有很高的可靠性。除了特大暴雨时的测试值与标准值不一致外，其他不同雨强下翻斗式雨量计的测试值与标准值一致。当然还是存在一些测试实验时的人为误差。

第二组称重式雨量计的测试值与标准值一致率各占一半，而且跟不同雨强关系很大，雨强越强则越不一致，雨强越弱则越表现的一致，但是相差也不是很大。跟翻斗式雨量计降水测试值的一致率相比，称重式雨量计降水测试值在大暴雨和暴雨时的一致率不相同。第二组实验发现雨强越强则不一致，反而雨强越弱则越一致。

根据相对误差的公式来对比翻斗式雨量计降水测试的测试值与标准值，从表8中可以看出翻斗式雨量计第二组测试值中大雨和中雨无误差；而小雨时的相对误差最大，暴雨时的相对误差值也比较高，但是误差小于5%.称重式雨量计的测试值相对误差都偏高，且都相近。相对误差最大的是特大暴雨和大暴雨，而最小的是大雨。跟翻斗式雨量计相比，三个暴雨时的相对误差都较大，而不同的是两种仪器的大雨和中雨时相对误差相差很大，翻斗式相对误差更小。