两种降水观测仪实测液态降水对比分析

王 杰，蔡仕博，杨 豪，孙海波，辛 欣，闻 丹

(1.宁波市鄞州区气象局，宁波 315100；2.宁波市气象网络与装备保障中心，宁波 315012；3.宁波市北仑区气象局，宁波 315800)

0 引言

降水指的是从天空降落到地面上的液态或固态(经融化后)的水，降水观测包括降水量的观测和降水强度的观测[1]。目前，随着现代科学技术的蓬勃发展，降水观测方式越来越多样化，卫星、雷达[2-17]、雨滴谱仪[18-22]均可用于观测降水。中国气象台站观测降水以称重降水传感器和翻斗式雨量传感器为主。许多专家和学者对这两种设备进行了大量研究和分析[23-27]。

自2014-01-01起鄞州国家基本气象站(以下简称鄞州站)正式启用DSC1型称重降水传感器，4-10月以SL3-1型翻斗式雨量传感器观测到的降水量为准，称重作为备份；11-3月以称重降水传感器为准，翻斗作为备份，实现了全年降水的自动化观测。称重降水传感器实现了降水(包括固态、液态和混合降水)自动化观测，减轻了观测人员工作量；翻斗式雨量传感器结构设计简单，维护方便，得到了广泛的应用。文章对2016—2020年鄞州站称重降水传感器与翻斗式雨量传感器观测数据进行对比分析，探究称重降水传感器与翻斗式雨量传感器测雨性能，探索两者差异，以期有效发挥降水数据价值。

1 降水资料选取

文章使用的是2016—2020年鄞州站称重与翻斗式雨量传感器观测的液态降水数据，剔除两种仪器故障、微量降水、固态和混合态等降水，只保留有效降水(降水量≥0.1 mm)的过程降水量进行对比分析。两种降水量观测仪器均安装在鄞州站观测场内。

2 工作原理及技术参数

称重降水传感器主要由承水口、盛水桶、称重单元、信号处理单元、外壳、基座、底盘和防风圈等组成。通过测量落到盛水桶中降水的质量，根据水的密度换算成降水的体积，再根据承水口面积计算出盛水桶中收集的降水总量，计算相邻2 min降水总量的差值，得到分钟降水量。仪器承水口直径200 mm，承水口高度150 cm，容量600 mm，分辨力0.1 mm，最大允许误差±0.3 mm(降水量≤10 mm)或者±3%(降水量>10 mm)。

翻斗式雨量传感器主要由承水口、承水器、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。当翻斗有0.1 mm降水时，翻斗翻转1次，干簧管瞬间磁化闭合，完成1次0.1 mm降水信号输出，采集器因此自动采集到0.1 mm的降水量。仪器承水口直径200 mm，承水口高度70 cm，测量范围0～4 mm/min，分辨力0.1 mm，最大允许误差±0.4 mm，降水量≤10 mm。

3 两种降水传感器测量液态降水差异分析

3.1 累计降水量差异

据统计，2016—2020年鄞州站称重降水传感器与翻斗式雨量传感器观测到的累计总降水量分别为7，216.7 mm和7，602.8 mm，总差值为-386.1 mm，相对误差为-5.08%，称重降水传感器观测的降水量小于翻斗式雨量传感器观测到的降水量。从每年来看，累计年降水量的差值分别是-22.4 mm、-51.3 mm、-93.8 mm、-63.9 mm和-154.7 mm，称重降水传感器的降水量均小于翻斗式(表1)。

表1 年累计降水量统计

3.2 季节降水量差异

鄞州气候温润，四季分明。鄞州站春季(3—5月)称重降水传感器与翻斗式雨量传感器观测到的累计总降水量分别为1，683.6 mm和1，774.6 mm，差值为-91.0 mm，相对误差为-5.13%；夏季(6—8月)称重与翻斗累计总降水量分别为3，016.8 mm和3，189.4 mm，差值为-172.6 mm，相对误差为-5.41%；秋季(9—11月)称重与翻斗累计总降水量分别为1，354.6 mm和1，431.7 mm，差值为-77.1 mm，相对误差为-5.39%；冬季(12—2月)称重与翻斗累计总降水量分别为1，161.7 mm和1，207.1 mm，差值为-45.4 mm，相对误差为-3.76%。鄞州站4个季节称重降水传感器观测的降水量均小于翻斗式雨量传感器观测到的量(表2)。

表2 分季降水量统计

3.3 月降水量差异

经统计可知，10月和11月称重累计观测降水量多于翻斗，其余10个月称重累计观测降水量少于翻斗；其中7月两者差值最大，达到104.3 mm，相对误差13.70%，11月差值最小，只有1.3 mm，相对误差也仅0.45%。对月降水数据进行统计分析，称重比翻斗的月降水量平均偏小6.4 mm。

3.4 降水过程差异

中国气象局规定了降水等级标准，因此文章将1次过程的降水雨量数据按照小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(≥50.0 mm)4个等级进行分类和对比，2016—2020年共观测到1207次有效降水，其中小雨984次，中雨151次，大雨56次，暴雨16次，其中小雨次数最多，占81.5%，暴雨最少，只占1.3%。

在降水强度为小雨时，称重降水传感器和翻斗式雨量传感器观测到的累计降水量分别为1，804.0 mm和1，896.4 mm，差值为-92.4 mm，相对误差-4.87%；中雨时，称重降水传感器和翻斗雨量传感器观测到的累计降水量分别为2，213.7 mm和2，348.4 mm，差值为-134.7 mm，相对误差-5.74%；大雨时，称重降水传感器和翻斗雨量传感器观测到的累计降水量分别为1，868.2 mm和1，974.8 mm，差值为-106.6 mm，相对误差-5.40%；暴雨时，称重降水传感器和翻斗雨量传感器观测到的累计降水量分别为1，330.8 mm和1，383.2 mm，差值为-52.4 mm，相对误差-3.79%。从差值来看，4个等级中称重降水传感器观测到的累计降水量均小于翻斗式雨量传感器的累计降水量，相对误差较为均衡，其中暴雨的相对误差最小，为-3.79%，小雨-4.87%，中雨-5.74%，大雨-5.40%。

3.5 降水过程起止时间差异

经统计，在1207次有效降水过程中，称重降水传感器记录有效降水比翻斗早的有155次，在同1 min有17次，晚的有1035次；称重降水传感器记录降水结束时间比翻斗式雨量传感器早的有591次，在同1 min有232次，晚的有384次。计算后得出，称重降水传感器记录有效降水出现时间平均比翻斗式雨量传感器的时间晚5.3 min，记录降水结束时间要晚0.3 min。称重和翻斗记录有效降水开始时间的差值有969次在±10 min以内，占80.3%，369次在±5 min以内，118次在±2 min以内，有17次在同1 min开始；结束时间的差值有938次在±10 min以内，占77.7%，662次在±5 min以内，409次在±2 min以内，有232次在同1 min结束。总体来说，称重和翻斗记录有效降水起止时间较为同步，大部分在±10 min内。

4 降水数据差异分析

根据上述分析，两种降水观测仪器在原理和结构上均存在不同，因此，在实际观测业务中采集到的降水数据有差异是正常的。

4.1 结构性能和观测原理不同

称重降水传感器安装高度为150 cm，翻斗为70 cm，安装高度不相同，观测记录到的降水数据也会存在差异。同时翻斗雨量传感器机械结构复杂，降水汇集时间长，降水经汇集漏斗流入计量翻斗时，有时降水下落的动量因素造成翻斗内水量不足0.1 mm时就翻转，从而使翻斗记录的降水数据偏多。

4.2 空间差异

降水量在空间分布上不均匀，降水具有较大的局地性和随机性。虽然这两种降水传感器安装在同一观测场内，但仍有一定的距离，空间位置并不完全一致，同时降水也有局地性，如此情况下大概率会引起观测的偏差。

4.3 风的影响

有研究表明，降水观测受风影响引起的误差大小与降水仪器安装高度、收集口大小、形状、风速、降水粒子大小及降水类型有关。称重降水传感器承水口边缘有防风圈，可以减小由于大风影响造成的误差，提高了称重降水传感器在大风条件下的捕获能力。而翻斗式雨量传感器无防风圈，在大风天气时误差将会大于称重降水传感器。

4.4 水分溅入溅出误差等影响

在冬季，台站需要给称重降水传感器添加防冻液和蒸发抑制油，用来防止盛水桶内水结冰和有效抑制水分蒸发，而翻斗式雨量传感器没有添加。称重口径与翻斗一致，但盛水筒较翻斗大，不易造成溅入溅出的误差。

5 结束语

文章利用2016—2020年鄞州站降水观测资料来分析研究称重和翻斗式雨量传感器的测雨性能，得出以下结论：

1)称重降水传感器观测到的降水量要小于翻斗式雨量传感器观测到的降水量，相对误差为-5.08%。

2)分季节来看，称重降水传感器4个季节观测的降水量均小于翻斗式雨量传感器观测到的降水量，相对误差分别为-5.13%、-5.41%、-5.39%和-3.76%。

3)分月来看，称重比翻斗观测到的月降水量平均偏小6.4 mm。10月和11月称重累计观测降水量要多于翻斗，其余10个月称重累计观测降水量均少于翻斗；其中7月两者相对误差最大，达到13.70%，11月最小，仅0.45%。

4)降水强度为小雨、中雨、大雨和暴雨时，称重降水传感器观测到的累计降水量均小于翻斗式雨量传感器的累计降水量，相对误差分别为-4.87%，-5.74%，-5.40%和-3.79%，较为均衡。

5)称重降水传感器记录有效降水出现时间平均比翻斗式雨量传感器的时间晚5.3 min，记录降水结束时间晚0.3 min，起止时间差值主要集中在±10 min以内，其中有969次开始时间在±10 min以内，占80.3%，结束时间的差值有938次在±10 min以内，占77.7%，总体来看起止时间较为同步。

6)造成两种降水观测设备数据差异主要是因为两种仪器结构性能和观测原理不同，同时空间差异和风、水分溅入溅出所造成的误差也会对降水量的观测造成影响。