贵阳站自动与人工观测降水量差异分析

2022-09-29吴有恒闵昌红吴世美白永坤

中低纬山地气象 2022年4期

吴有恒，闵昌红，吴世美，张杰，白永坤

(贵州省贵阳市气象局，贵州贵阳 550001)

0 引言

降雨资料在天气预报、气候分析中起着关键作用，应用非常广泛。贵阳基准站从2003年开始使用翻斗式雨量传感器自动观测降水量，2004—2012年自动翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量计同步观测。2012年以后，全国气象站降水量以自动观测为准，虹吸自记观测不再考核。但同年贵阳基准站被定为长期保留人工器测观测任务的气象台站之一，恢复虹吸雨量计等人工器测自记记录观测任务。通过对本站长期连续的3种观测方式的降水资料进行比较，统计自动与人工观测差值的分布情况，分析系统偏差原因，以数据、图表展现本站降水观测中的误差大小与分布，为今后雨量观测设备维护、校准等工作中提供参考。

1 资料和方法

1.1 仪器和资料

使用贵阳站自动翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量计2004—2020年同期(4—11月)观测降水量进行分析。3种观测方式的承水器口径都为20 cm口径，安装在同一观测场内不同的位置，人工观测无降水时，降水量为0，降雨量<0.05 mm时，用微量表示，自动观测无降水或降水量<0.1 mm时用0表示。

对自动、人工、虹吸自记3种观测方式的年、月、日降水量及自动与虹吸自记观测小时降水量进行对比，2004年11月未启用虹吸雨量计，该月不作分析。气象观测项目除辐射、自动观测日照以地方平均太阳时24时为日界外，其余观测项目均以北京时20时为日界。跨日界降水是指降水过程持续至次日，人工定时观测降水量在20时之前完成，但自动观测降水量在20时正点完成，所以该日自动与人工观测日降水量差值会很大，遇跨日界降水，就以过程降水累计量进行统计。

1.2 方法

①由于自动观测用的翻斗雨量器比人工观测用的雨量筒机械结构复杂，引起降雨测量误差的渠道更多[1]，故以人工雨量筒观测记录为准，计算自动和人工观测差值。在《地面气象观测规范》[2]表3.1自动气象站技术性能要求表中，降水准确度为0.4 mm(≤10 mm)，4%(>10 mm)，若自动与人工观测差值不在此范围，则认为偏差超常[3]。

②样本容量较大时，假设自动与人工观测日降水量差值变量遵从正态分布。在显著水平α=0.05下，若样本的峰度系数g1、偏度系数g2满足：|g1|>1.96Sg1、|g2|>1.96Sg2，则拒绝假设，变量不遵从正态分布。其中均方差：

(1)

(2)

式中n为样本容量。

2 差异分析

2.1 年降水量对比

从17 a年降水量偏差均值来看，自动分别比人工、虹吸自记测值偏大1.7%、2.2%，虹吸比人工测值偏小0.5%。从3种观测方式年降水量差值段内个数统计来看，偏差基本在±5%以内，但2011年、2012年、2013年自动比人工、虹吸自记测值偏差均大于5%，2012年偏差最大为8.5%。从17 a年降水量差值分布情况看(表2)，自动大于人工观测的年份占71%；自动与人工观测的年降水量差值在±5%以内的年份占82%。

表1 年降水量偏差(单位：%)Tab.1 Annual precipitation deviation (unit:%)

注：D1=(自动观测值-雨量筒观测值)/雨量筒观测值，D2=(自动观测值-虹吸雨量计观测值)/虹吸雨量计观测值，D3=(虹吸雨量计观测值-雨量筒观测值)/雨量筒观测值。下同。

表2 年降水量差值段内的年数(d代表偏差程度)Tab.2 Number of years in the annual precipitation difference section (d represents the degree of deviation)

2.2 月降水量对比

对自动、人工、虹吸自记观测月降水量数据进行比较(图1)。3种观测方式同期进行的月份为每年的4—11月，去掉自动、虹吸自记观测出现故障的2个月，参与对比分析的同期月份有134个月。自动比人工观测偏大的月份为94个月，占总月份数的70.1%，自动比虹吸自记观测偏大的月份为98个月，占总月份数的73.1%，人工比虹吸自记观测偏大的月份数为70个月，占总月份数的52.2%，偏差都集中在±5%以内。134个月中有96个月自动与人工观测差值在±4%以内，占比71.6%；有88个月自动与虹吸自记观测差值在±4%以内，占比65.7%；有125个月人工与虹吸自记观测差值在±4%以内，占比93.3%，人工与虹吸自记测值最接近。

2.3 日降水量对比

从图2可见，分布图的中心稍微右偏，说明同一观测场内不同位置进行的自动与人工雨量对比观测，不仅存在降水量空间分布不均带来的采样差，还存在测量仪器不同造成的系统偏差[4]。自动比人工观测的日降水量平均偏高0.13 mm，相对偏高1.53%；自动比虹吸自记观测的日降水量平均偏高0.2 mm，相对偏高2.35%；虹吸与人工观测日降水量差值平均为0.0 mm。

图1 月降水量差值段内的月数Fig.1 Number of months in the monthly precipitation difference section

图2 日降水量差值频率分布图Fig.2 Frequency distribution of daily precipitation difference

2.4 小时降水量偏差

2004—2020年4—11月间降水日数有2558 d，其中人工雨量筒观测日降水量为微量0.0 mm的日数有576 d，2004年11月没有启用虹吸雨量计，剩余降水量>0.05 mm的日数有1973 d。

由误差统计表(表3、表4)来看，日降水量≤10 mm的天数最多，占总降水日数的75.2%，其中自动与人工观测误差在±0.4以外的天数在日降水量≤10 mm天数中占6.8%；日降水量>10 mm的天数占总降水日数的24.8%，其中自动与人工观测误差在±4%以外的天数在日降水量>10 mm天数中占26.6%。自动与虹吸自记测值相近但人工与自动观测差值较大，自动、人工、虹吸自记三者观测差值都较大的情况都作为异常数据不做分析，分别占1.3%(日降水量≤10 mm) 及4.7%(日降水量>10 mm)；剩余人工与虹吸自记观测日降水量误差在±0.4(±4%)以内，但自动与人工观测日降水量差值在±0.4(±4%)以外且该日出现自动与虹吸自记观测小时降水量差值也在±0.4(±4%)以外的天数分别占0.9%(日降水量≤10 mm)及13.9%(日降水量>10 mm)。

表3 日降水量(≤10 mm)误差统计Tab.3 Error statistics of daily precipitation(≤10 mm)

表4 日降水量(>10 mm)误差统计Tab.4 Error statistics of daily precipitation(>10mm)

表4中满足条件|R1-R2|/R2>4%、|R2-R3|/R3≤4%、|r1-r2|/r2>4%的日数中自动与虹吸自记观测小时降水量差值在±4%(±0.4)以外的时次，对自动与虹吸自记观测小时降水量差值绝对值与小时降水量、分钟最大雨强、降水持续时间进行相关性分析，皮尔逊相关系数依次为0.783**、0.474**、0.274**，可见小时降水量偏差超常时的差值绝对值与小时降水量呈高度正相关。

2.5 降水量偏差原因分析

2.5.1 空间采样差降水量在空间分布上存在不均匀性，即使安装在相同观测场内不同位置的同型号雨量器也会出现采样误差。经过全国30个标准雨量站7 a对比试验[4]后发现，空间采样差可通过多年平均或累加后滤掉。本站自动翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量计安装在观测场不同位置，同样存在空间采样差，但对于多次测量累计统计不受该误差影响。

2.5.2 系统误差降水量观测仪器构造不同造成系统偏差。试验证明[4]，人工观测用雨量筒系统误差主要为承水口风场变形误差、盛水器和储水瓶内壁的沾湿误差，自动翻斗雨量器及虹吸雨量计也存在上述2种系统误差，但没有储水瓶内壁的沾湿误差，自动翻斗雨量器相比人工雨量筒机械结构复杂，引起测量误差的渠道更多。由图3看出，自动与虹吸自记观测小时降水量偏差超常时的差值集中在0.5～2.0 mm之间，正差值多于负差值，自动翻斗计数受雨强影响很大，雨强较大时，翻斗惯性导致计数增多使得测值偏大；新仪器的翻斗有防水涂层，但使用多年的旧仪器涂层脱落使得翻斗沾水，翻斗承受的降水量还未到0.1 mm就翻转，从而计数增多测值偏大。

图3 自动与虹吸观测小时降水量差值绝对值、分钟最大雨强与小时降水量的散布图Fig.3 Absolute value of hourly precipitation difference between automatic and siphon observation, dispersion diagram of minute maximum rainfall intensity and hourly precipitation

2.5.3 仪器问题导致的偏差从年降水量对比分析来看，2011年、2012年、2013年自动测值相比人工测值分别偏大6.4%、8.1%、5.8%，查看偏差最大的2012年的逐日降水量资料，发现全年自动站日降水量几乎都大于人工测值，存在明显误差，这种系统偏差往往由观测仪器引起[1,5-8]。