基于CFD定量评估雨量筒的风场效应

郑景元 邓宇 刘文星

摘 要：本研究基于计算流体动力学（CFD）仿真对雨量筒风场效应进行定量评估，分析传统雨量筒在不同风速和雨滴粒径下的雨滴收集效率和误差来源。结果表明，通常有风、小雨的情况下，传统雨量筒的收集效率随风速增大而降低，随雨滴粒径的增大而增大，这可以为自动气象站降水量观测数据的准确性提高提供重要参考依据。

关键词：雨量筒;风场效应;雨滴粒径;雨滴收集效率

中图分类号：TU119.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0140-03

Abstract： Based on computational fluid dynamics （CFD） simulation， the wind field effect of the rain gauge is quantitatively evaluated， and the raindrop collection efficiency and error source of the traditional rain gauge under different wind speeds and raindrop sizes are analyzed in this study. The results show that under the conditions of wind and light rain， the collection efficiency of the traditional rain gauge decreases with the increase of wind speed， and increases with the increase of the size of raindrops， which can provide an important reference for improving the accuracy of the precipitation observation data of automatic weather stations..

Keywords： rain gauge;wind field effect;raindrop size;raindrop collection efficiency

降水量是天气预报中的一个重要参数，高质量的降水资料可以为水资源利用及灾害预警的计算和分析提供可靠依据。随着气象现代化业务体系的全面建设，自动气象站基本使用翻斗式雨量传感器开展液态降水地面观测业务，但是翻斗式雨量传感器的测量误差比其他气象观测仪器高，导致获取的降水量数据不够精确。迄今为止，国内外许多气象学者对于地面降水量测量做了多方面的误差分析。王展宏分析了翻斗式雨量计误差产生的原因，在此基础上，提出调整翻斗感量、减小翻斗倾角、增大承雨口面积等措施，从理论上解决了翻斗式雨量计误差偏大的问题[1]。李耀宁等根据北京朝阳气象站近几年的雨量测量数据，分析了各种雨量计在不同降水情况下产生误差的原因以及仪器本身性能和不可预见故障造成的误差[2]。蔡钊等通过数值模拟指出雨量计器口上方是风场畸变的主要区域，并尝试改进Alter防风圈来提高降水收集率[3]。黎明琴等指出，由于风场变形，普通雨量器对雨和雪的收集率分别偏少2%～10%和10%～50%[4]。目前，国内研究主要集中于各类雨量计数据的对比分析。本文主要采用CFD仿真定量评估雨量筒的风场效应，直观地展现降水量测量误差。

1 传统雨量筒的风场效应及订正方法

当前，我国各地广泛使用雨量筒，其本身作为外部高出地面、内部存在空洞的柱体，一定程度上改变了四周地形，进而影响四周的风场。针对不同防风标准在翻斗雨量计观测时对风场变形误差的预防作用，朱君等从降水总量随风速波动的变化、设备间的均方差及其相关系数和观测时间灵敏度等方面对观测数据进行分析，数据表明，不同防风标准的翻斗式雨量计对风场变形误差的预防作用存在一定差异，其中，SMALLDIFR翻斗式雨量计具有更高的时间灵敏性，在雨量比较大时，偏斜式雨量计更优[5]。降水期间，由雨量筒自身造成的风场形变会进一步影响周遭雨滴的下落路径，从而使雨滴收集效率产生较大的误差。风场变形误差模拟效果如图1所示。

试验表明，风场变形误差方面，筒的外部形变约占总误差的70%，筒的内部形变约占总误差的30%，特别在大风环境下，所获得的降水量测量值准确性大大降低。目前，减少或消除风场变形误差的方法是在雨量筒的外围加装大型挡风圈，且与雨量筒本体保持独立并分离。但是，大型挡风圈占地面积大，装置笨重，结构复杂，安装要求高，在地势崎岖、地质松软或大风环境地区适用性较低。

2 模拟试验结果与分析

雨滴直径范围为0.1～6.0 mm，由于风场变形主要影响尺寸较小的雨滴的收集，且极小的雨滴所造成的降水量非常小，因此本文利用SolidWorks软件的Flow Simulation功能进行流体力学分析。首先模拟并比较了风速为0～12 m/s、雨滴直径为0.3～1.0 mm时雨量筒的雨滴收集率，具体结果如表1与图2所示。

由表1、图2不难看出，通常有风情况下，雨量筒的收集效率随雨滴粒径的增大而增大;粒径固定时，雨量筒的收集效率随风速的增大而减小，但同时也存在风场使降水量增多的情况。此外，当雨滴直径大于0.7 mm时，不同环境风速对降水收集效率的影响不大，雨滴直径为1 mm下的收集效率已接近1。为验证此結论，下面模拟较大粒径（2～6 mm）下雨量筒的雨滴收集率，结果如表2与图3所示。

模拟结果表明，风速为0～12 m/s，雨滴粒径为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm时，雨量筒的降水收集效率在1附近徘徊，风场效应造成的收集误差显著减小。

3 结论

研究表明，风场效应会显著降低雨量筒的雨滴收集效率，特别是在小粒径、大风速的情况下造成的误差很大，而当雨滴直径大于1 mm时，由风场效应造成的误差显著减小，甚至可以忽略。实际上，风速很大且雨滴很小的情况较少。一般来说，风场效应造成的误差保持在2%～10%。这种雨量筒的风场效应会导致降水量收集数据不够精确，影响降水地面观测业务。本研究成果可以为降水误差的校准提供一定参考。

参考文献：

[1]王展宏.翻斗式雨量计的误差分析与改进[J].水利信息化，2012（4）：53-56.

[2]李耀宁，陶立新，黄湘.不同雨量计测值误差分析[J].气象科技，2011（5）：670-672.

[3]蔡钊，刘九夫，李薛刚，等.风场对雨量计收集降水影响的流体动力学研究[J].水利水电科技进展，2019（6）：17-23.

[4]黎明琴，任芝花，邹耀芳.横向雨量器的设计及由风引起的降水测量误差订正[J].应用气象报，2001（2）：188-195.

[5]朱君，曹晓钟，雷勇，等.不同防风标准雨量计的观测差异[J].成都信息工程学院学报，2014（4）：365-369.