自动降水蒸发仪器在气象观测项目中的应用探析

温 川

（青海省水文水资源测报中心，西宁 810001）

1 研究背景

降水和蒸发是水文循环中重要环节，是水量平衡计算中不可缺少的水文要素。降水是地表水和地下水水资源的来源。水面蒸发是研究陆面蒸发的参证资料。通过长系列收集降水、蒸发资料，可分析研究降水、蒸发在流域上的时空分布，在水量平衡计算、旱情分析等方面发挥着重要作用，为防汛抗旱服务［1］。

CQS.JD01B 型自记雨量计、CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器的主要特点是实现自动测量、采集、存储资料及远程传输；实现蒸发量、降水量在线监测［2］。该仪器选择在青海省境内的长江流域、内陆流域的蒸发代表站（直门达和格尔木水文站）进行试运行。试运行期间，仪器正常稳定，监测数据无缺测，漏测现象。

2 基本概况

2.1 测站概况

直门达水文站位于青海省玉树洲称多县歇武镇直门达村，东经97°14′北纬33°01′，是长江流域金沙江上段水系通天河干流控制站，蒸发代表站［3］。格尔木水文站位于青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市东西干渠进水口处，东经94°47′，北纬36°18′；是内陆流域格尔木河干流控制站,蒸发代表站［4］。

2.2 蒸发观测场概况

蒸发观测场规格为12m(东西向)×12m(南北向)，场地四周设有1.2m 的围栅，观测场内的仪器之间的距离，南北向3.5m，东西向4.0m，与围栅的距离为3.5m，高的仪器安置在北面，低的仪器顺次安置在南面［5］。直门达水文站观测场遮挡率为16%，地面海拔高程为3539.41m；格尔木水文站观测场遮挡率为2%，地面海拔高程为2939.20m。

3 CQS.JD01B型自记雨量计、CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器的原理及组成

CQS.JD01B 型自记雨量计主要特点是在保证测量精度的条件下，适应的降雨强度范围更宽；CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器主要特点是自动连续观测水面蒸发在不同时间段变化规律的仪器，可直接与已安装的标准的E601（ϕ618 mm）的蒸发桶配套使用。。

3.1 CQS.JD01B 型自记雨量计原理及组成

CQS.JD01B 型自记雨量计的工作原理是当翻斗雨量达0.1 mm 时，翻斗翻转，触发磁敏开关（干簧管）,雨量传感器输出信号（电脉冲信号）,RTU(雨量遥测终端）接收到信号后控制通信模块的工作状态，通过GPRS/GSM 网络平台向中心站发送雨量数据包，中心站采集到雨量数据后分析入库。其结构原理见图1［6，7］。

图1 CQS.JD01B 型自记雨量计原理图

3.2 CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器原理及组成

CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器原理是通过蒸发桶内的水位下降或升高带动液位传感器浮子下降或升高，液位传感器将浮子下降或升高的高度变化转换成电信号，再由水位传感器导线将信号传送到主机上进行记录。控制箱总主机直接链接雨量信号线和水位传感器线自动采集雨量、水位信号，通过判断-分析-计算后得出日降雨量、水位下降高度值、日蒸发量和某段时间内的累计蒸发量［8］。

当蒸发桶内水位下降到48 mm 左右时，遥测蒸发器自动补水给蒸发桶，补水到30 mm 左右时，自动停止补水；补水过程不会影响降雨量和蒸发量。水面遥测蒸发器还将降雨量、蒸发量及时间等数据进行现场存储、显示，并通过无线通讯发射装置定时或加报方式将监测的实时数据和历史数据自动发送到互联网上专用服务器内，以供互联网上授权用户调用、查看，随时掌握水面蒸发、降雨数据。

CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器利用GSM/GPRS网、Internet 互联网、计算机组成水面遥测蒸发自动监测系统。其结构原理见图2。

4 CQS.JD01B型自记雨量计、CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器的安装及日常维护

4.1 CQS.JD01B 型自记雨量计安装及日常维护

CQS.JD01B 型自记雨量计安装在预先做平的水泥墩上，根据圆水泡调整水平。自记雨量计日常维护应保持仪器干净整洁，特别是翻斗内的整洁，提高降水量采集数据的精度，同时保持电路畅通电压稳定，信号发送稳定［9］。

4.2 CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器安装及日常维护

CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器的安装主要分为雨量传感器的安装、蒸发桶、水圈、水面蒸发水位传感器、室外机箱和机箱内仪器的安装。蒸发器日常维护应注意蒸发桶口缘露出地面30 cm 保持水平；水圈口缘应低于蒸发桶口5 cm，保持水平；水位传感器运行正常［10］。

图2 CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器原理图

5 降水量蒸发量资料分析

5.1 降水量蒸发量资料收集

将CQS.JD01B 型自记雨量计、CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器与传统降水量、蒸发量观测仪器安装在同一观测场内，对比仪器的器口高度保持一致。直门达水文站7～9月对遥测仪器和传统仪器进行同步观测，共收集67 组降水量资料和92 组蒸发量资料。格尔木水文站7月～10月对遥测仪器和传统仪器进行同步观测，共收集20组降量水资料和113组蒸发量资料。

5.2 降水量资料分析

5.2.1 降水量分析标准

根据《降水量观测规范》(SL21-90）规定，在降水强度0.1～4.0 mm/min 范围内变化时，仪器分辨率为0.1 mm；观测精度要求为降水量以10 mm 为界，降水量小于10 mm 按绝对误差计算，不得超过±0.4 mm；大于10 mm 按相对误差计算，不得超过±4%［11］。以此标准来确定CQS.JD01B 型自记雨量计日降水量的合格率。

降水量以人工观测为准，对CQS.JD01B型自记雨量计记录量进行日降水量、月降水量差异性统计分析。

5.2.1 日降水量差异性分析

对日降水量进行差异性分析，直门达水文站7～9月降水日数共计67 天，其中降水量小于10 mm 的天数为59天，最大绝对误差为0.4 mm；降水量大于10 mm的天数为8天，最大相对误差为1.0%。该翻斗式雨量计逐日降水量与人工观测（虹吸式雨量计）逐日降水量对比分析合格率为100%；而且记录量天数与排水量天数一致。格尔木水文站7～9月降水日数共计共20 天，日降水量全部小于10 mm，最大绝对误差为0.2 mm；该翻斗式雨量计逐日降水量与人工观测逐日降水量对比分析合格率为100%；而且记录量天数与排水量天数一致。说明仪器测量精度完全满足降水量观测技术要求［12］。

5.2.3 月降水量差异性分析

以人工观测降水量（虹吸式雨量计）为准，自记雨量计月降水量及最大日降水量比测误差（详见表1）。比测期间直门达水文站月降水量最大误差为3.0%，小于±4%的标准［13］。自记雨量计与虹吸式雨量计观测的最大日降水量出现时间一致，量值一致。自记雨量计月降水量存在系统偏大现象，在可控范围之内。

格尔木水文站月降水量最大误差为-2.38%，小于±4%的标准，自记雨量计与人工观测降水量最大日降水量出现时间一致，量值最大绝对误差为0.1 mm。小于±0.4 mm 的标准，自记雨量计雨量存在系统偏小现象，在误差控范围之内。说明CQS.JD01B型自记雨量计可以代替人工观测降水量（虹吸式雨量计）进行降水量自动监测（表1）。

5.3 蒸发量资料分析

5.3.1 蒸发量分析标准

根据《水面蒸发观测规范》（SL 630-2013）规定，以E601型蒸发器人工观测值（或遥测蒸发器内采用测针人工观测值）为准，日蒸发量绝对误差不超过±0.5 mm［14］，以此标准来确定遥测蒸发量的合格率。月蒸发量及时段量误差按相对误差计算，相对误差标准根据《水面蒸发观测规范》（SD265-88）第3.1.1 条相关要求，以及《水文测验实用手册》（2013 版）中蒸发器的选用和对比观测要求，采用一次蒸发总量偏差不超过±10%，以此标准来确定遥测蒸发量的合格率［15］。

表1 直门达、格尔木水文站月降水量及最大日降水量误差分析表

蒸发量以人工观测为准，对CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器记录量进行日蒸发量、月蒸发量差异性统计分析。

5.3.2 日蒸发量差异性分析

对日蒸发量进行差异性分析，采用同一蒸发器内遥测蒸发量与人工观测量进行对比，直门达水文站日蒸发量误差超过±0.5 mm 的有3次，其中7月份2次，8月份1次，最大误差为1.1 mm（7月21日），其余均在误差范围之内，合格率为96.7%。格尔木水文站日蒸发量误差超过±0.5 mm 的有3次，其中8月份1次，9月份2次,最大误差为-0.9 mm（9月20日），其余均在误差范围之内，合格率为97.3%［16］。

5.3.3 月蒸发量差异性分析

对月蒸发量进行差异性分析，采用同一蒸发器内月蒸发量和时段蒸发量进行对比，误差均满足蒸发器选用和对比观测相关技术标准要求，一次蒸发总量偏差不超过±10%［17］，各项指标误差均在允许范围之内（见表2）。

直门达水文站月蒸发量误差最大为-1.10%（7月份），时段蒸发量误差最大为0.50%；合格率为100%。格尔木水文站月蒸发量误差最大为-1.3%（7月份），时段蒸发量误差0.15%；合格率为100%。各项指标误差均在允许范围之内。说明该水面遥测蒸发器可以代替人工观测进行蒸发量自动监测。

6 结语

仪器安装调试后，进行试运行和比测分析，从比测分析结果看，仪器精度较高，结构简单，操作简便；在保持电压稳定、网络畅通情况下；能实现降水蒸发数据远程自动传输。

CQS.JD01B 型自记雨量计通过日降水量差异性分析和月降水量差异性分析，误差合格率高，计量精度较高，性能稳定，精度满足雨量日常监测需要。可代替人工（虹吸式自记雨量计）进行降水量自动监测。CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器通过日蒸发量差异性分析和月蒸发量差异性分析，误差合格率均达到95%以上。日蒸发量和月蒸发量均满足蒸发器相关技术标准要求；可代替人工进行蒸发量自动监测。建议CQS.JD01B 型自记雨量计、CQS.FFH-2型水面遥测蒸发器在青海省内境的长江流域、内陆流域推广使用。

表2 直门达、格尔木水文站月蒸发量及时段量误差分析表