开垦河站TRM-ZS9型中尺度自动气象站雨量器应用研究

冯公伟

（昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100）

1 引言

降水量观测是水文领域重要的观测指标之一,其观测的准确程度是由当地天气、降水量、地面湿度、风速、地形地貌等因素的决定的[1],因此获得准确的观测数据来反映实际降水量是比较困难的。目前普遍采用人工观测的方式来进行降水量的观测,所采用的观测仪器为人工观测雨量器。另外还有一些半自动的的观测仪器,如翻斗式雨量器和称重式雨量器等[2]。然而由于翻斗式雨量器仅能观测液态降水,对于冬季固态降水的观测是不可行的,制约了全自动降水观测。称重式雨量器是利用电子秤称出降水的重量,然后自动计算出降水量,可实现全年降水量的自动观测[3],但是李林等[4]通过对称重式雨量器和人工观测对比表明,在中雨和大雨过程中称重式雨量器称重式传感器的的精度还有待进一步研究,后来张红英等[5]也给出了同样的结论。可以看出,目前进行全自动降水量观测仍然还存在一定的局限性,有待进一步开发新的降水量观测设备。

近年来在新疆的开垦河水文站开始使用一种TRM-ZS9型中尺度自动气象站雨量器来进行降水量的观测并与人工观测降水量进行对比,研究该雨量器的观测精度。

2 研究区域及观测设备

2.1 开垦河站基本情况

开垦河属于发源于新疆的内流河,位于新疆北部,流经奇台东北灌区。开垦河水文站位于开垦河发源地沙尔勒克达坂下游30 km,设立于1956年10月,属国家基本二类水文站,是新疆维吾尔自治区重要的水文站和中央报汛站[6]。开垦河站的气象场位于出山口地带,海拔高度1502 m,规格为16 m×20 m,观测场距离建筑物约40 m,区域代表性较好,能够对该区域的风速、降雨量、降雪量、蒸发量等水文参数进行监测。

2.2 TRM-ZS9 型中尺度自动气象站雨量器

该自动气象站是按照国际气象组织WMO 气象观测标准研究开发生产的多要素自动观测站,由气象传感器,气象数据记录仪,气象环境监测软件三部分组成,可实现无人值守自动化运行,能够监测风向、风速、温度、湿度、气压、雨量等多项常规气象要素,具有自动记录、报警和数据通讯等功能。该气象站对于降水量的测量,观测精度可达到±0.4 mm,测量的降水范围最大可达999.9 mm,可实现全天24 小时的自动监测。

2.3 测量方法

2.3.1 注水试验测试

该雨量器在进行正式测量之前,需要对其进行校正,以便确认是否进行正常工作,常用的测试方法为注水试验,检测过程如下：2020年4月22日,用量筒量取10 mm 的清水,在2.5 分钟内注入到雨量器中,这一步的目的是模拟每分钟4 mm 的自然降水强度过程。重复这一注水过程3 次,每次记录雨量器显示的降水量,最后取平均值。结果表明自动雨量器显示的平均降水量为9.8 mm,误差为0.2 mm,未超过允许误差±0.4 mm,且每次测量的误差也未偏离0.4 mm,表明该雨量器能够进行正常的降水量测量。

2.3.2 正式测量

观测时间：2020年5月13日至8月29日时间。使用该雨量器和人工观测雨量器进行同步对比观测。在观测的时间内,人工观测和该自动气象站测降水天数均为47日。观测时严格按规范执行气象站雨量器的使用,获得的数据准确、可靠。

3 结果分析

3.1 观测结果

在47 天的降水时间内,采用该雨量器和人工观测雨量器的观测结果见表1。

表1 开垦河（三）站自动气象站雨量器与人工观测降水量对比表

从表1可以看出,人工雨量器观测降水天数47日,总降水量为356.3 mm；该自动气象站雨量器测得降水天数47日,总降水量为362.2 mm,两者的绝对误差为-5.9 mm,误差-1.66%,小于仪器标准所规定的±4%的误差。观测到发生最多降水量的日期为6月5日,人工观测降水为40.7 mm,自动气象站雨量器测量降水为43 mm,两者相差2.3 mm,分析造成这种误差的原因主要是开垦河外部环境的影响。

3.2 误差回归分析

可通过以下四种参数评估两组数据的相关程度,进行回归预测。

（1）两种观测方法之间的平均绝对误差Am可按下式计算

式中：Eai为第i 次人工降水量值,mm；Emi为第i 次TRMZS9 型中尺度自动气象站雨量器观测值,mm；N 为观测的总次数。

（2）平均相对误差Rm可按下式计算

（3）均方根误差RMES

（4）Person 相关系数Rp

根据表1测得的数据,采用上述四种方式对两组数据进行回归分析。计算结果见表2。

表2 开垦河站TRM-ZS9 型中尺度自动气象站雨量器与人工观测数据回归分析表

由表2可知,TRM-ZS9 型中尺度自动气象站雨量器观测与人工观测数据平均绝对误差Am仅有0.42 mm,代表离散程度的均方根误差RMES 为0.115 mm,而两者的相关性系数Rp达到了0.997。均方根误差越接近于0,Person 相关系数Rp越接近于1,表明两组数据差异越小。因此,使用该雨量器在开垦河站测量的降水量值能够较为准确的反映实际情况。

两者的差异也能通过如图1所示的该雨量器和人工同步观测的降水数据系列直观的表示出来。从图中可以看出该雨量器与人工观测两者获得的数据相关性非常好,证明自动雨量器观测数据值是较为可靠的。增长规律呈现出线性增长的趋势,可通过下列的式子线性表示。

图1 开垦河站TRM-ZS9 型中尺度自动气象站雨量器与人工观测降水值相关图

两者线性拟合的相关程度R2为0.9942,相关性很好。因此经过相关关系公式（5）率定后,该雨量器观测值能够较为准确的反映降水情况,误差接近0.0 mm,与人工降水量观测值非常接近,满足《地面气象观测规范》[7]要求,相关关系公式合理,可作为开垦河站自动雨量器降水量观测值修正使用。

综上所述,该雨量器在安装、调试准确后,且保证电源充足设备不发生故障和无特殊天气的情况下与人工观测降水量数据非常接近,绝对误差小,可以替代人工观测在气象站使用。

4 结论

为验证TRM-ZS9 型中尺度自动气象站雨量器观测降水数据的准确性,本文采用自动雨量器与人工观测雨量器在2020年5月13日至8月29日进行降水量观测,共获得47日的降水量数据,对比分析可得出以下结论：

（1）两者的相关性系数达0.997,均方根误差RMES 为0.115 mm,表明该雨量器观测值基本准确；

（2）经人工雨量器观测值的修正,获得的关系曲线可用于该雨量器观测值的优化,从而获得较为准确的观测值。

在运用自动雨量器进行观测时,应每年进行注水试验,且根据天气情况,不定期进行校检,校检记录应符合要求。该气象站雨量器应用于其它流域时应重新率定关系曲线。