山洪雨量探測(cè)設(shè)備對(duì)比分析

汪 波，李智成

(1.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心供應(yīng)科，福建福州 350008;2.莆田市氣象局信息網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，福建莆田 351100)

由于氣象部門(mén)長(zhǎng)期使用的雙翻斗雨量傳感器，其自身結(jié)構(gòu)和原理方法的局限性上均存在著缺陷，使得降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量倍受質(zhì)疑。2011年開(kāi)展山洪雨量觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè)，該設(shè)備采用0.1 mm、0.5 mm兩種雙翻斗雨量傳感器同時(shí)觀測(cè)。兩種數(shù)據(jù)的形成使得通過(guò)雨量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析得出在不同雨強(qiáng)下，兩種雨量傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差范圍。

1 雙翻斗雨量傳感器

1.1 雙翻斗雨量傳感器介紹

雙翻斗雨量傳感器主要由承水器、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成［1］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙翻斗雨量傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 雙翻斗雨量傳感器工作過(guò)程

首先翻斗雨量承雨器收集雨量，經(jīng)過(guò)上筒過(guò)濾網(wǎng)，注入上翻斗，當(dāng)雨水積到一定量時(shí)，由于水體本身作用力使上翻斗翻轉(zhuǎn)，水進(jìn)入?yún)R集漏斗［2］。降水從匯集漏斗的節(jié)流管注入計(jì)量翻斗，當(dāng)計(jì)量翻斗承受的降水量達(dá)到翻斗一定量時(shí)，計(jì)量翻斗將降水傾倒至計(jì)數(shù)翻斗，使計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次。計(jì)數(shù)翻斗在翻轉(zhuǎn)時(shí)，與相關(guān)的磁鋼對(duì)干簧管掃描一次。干簧管因磁化而瞬間閉合一次。這樣，降水量每達(dá)到一定量時(shí)，其就送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，采集器便自動(dòng)采集存儲(chǔ)降雨量。

1.3 傳感器的對(duì)比分析

兩種雨量傳感器雖設(shè)計(jì)思路及工作原理上相同，即均采用雙翻斗計(jì)數(shù)的方式。但在自身結(jié)構(gòu)上還是存在一定的區(qū)別。(1)翻斗尺寸的不同。由于計(jì)量單位的不同，使得兩種雨量傳感器在上翻斗與計(jì)量翻斗的設(shè)計(jì)尺寸上存在差異。(2)匯集漏斗規(guī)格不同。與0.1 mm雨量傳感器相比，0.5 mm雨量傳感器的匯集漏斗上、下口徑尺寸更大、高度降低，則坡度變小。由于0.5 mm雨量傳感器每次注入?yún)R集漏斗的水量多，這樣的調(diào)整是為減小匯集漏斗單位積水的高度，從而減少水流沖力對(duì)計(jì)量翻斗的影響。(3)計(jì)量翻斗與計(jì)數(shù)翻斗的不同。較0.1 mm雨量傳感器，0.5 mm雨量傳感器將計(jì)量翻斗與計(jì)數(shù)翻斗整合起來(lái)。由于計(jì)數(shù)計(jì)量區(qū)域的空間有限，0.5 mm雨量傳感器計(jì)量翻斗因單位計(jì)量值較大而占用的空間也較大，從而無(wú)法容納兩個(gè)翻斗的空間。同時(shí)也是因?yàn)閱挝挥?jì)量值較大，使得因磁鋼自身重量對(duì)計(jì)量翻斗的影響相對(duì)0.1 mm雨量傳感器要小，因此可通過(guò)容量調(diào)節(jié)螺釘來(lái)減小或避免這方面的誤差。

2 數(shù)據(jù)理論闡述

當(dāng)前使用的新型雨量觀測(cè)站采用0.1 mm與0.5 mm兩種雙翻斗雨量傳感器共同觀測(cè)的方式來(lái)精確數(shù)據(jù)。從理論角度分析，雙翻斗雨量傳感器，其工作的系統(tǒng)誤差主要出現(xiàn)在初始承雨誤差、翻斗工作誤差以及末端承雨誤差3個(gè)方面。初始承雨誤差是指單位雨量筒口面積初始降雨量不大于翻斗承雨量，致使雨量滯留在翻斗中造成誤差。翻斗工作誤差是指雨量翻斗在工作過(guò)程中，兩側(cè)翻斗切換過(guò)程，雨量濺射流失等現(xiàn)象造成的系統(tǒng)誤差，該誤差隨著翻斗次數(shù)增多而增大，應(yīng)呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。末端承雨誤差是指單位雨量筒口面積降雨量結(jié)束臨界時(shí)降雨量不大于翻斗承雨量，致使雨量滯留在翻斗中造成誤差。同時(shí)，若相鄰兩次降雨時(shí)間間隔不長(zhǎng)，頭一次滯留的雨量未完全蒸發(fā)，將加大第二次雨量觀測(cè)的系統(tǒng)誤差。

對(duì)0.1 mm與0.5 mm兩種雙翻斗雨量傳感器分析。在雨強(qiáng)較小時(shí)，由于翻斗雨量的初始承雨誤差與末端承雨誤差過(guò)大，而翻斗工作誤差過(guò)小，系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)為初始承雨誤差與末端承雨誤差，此時(shí)0.5 mm翻斗雨量系統(tǒng)誤差應(yīng)明顯＞0.1 mm翻斗雨量。而隨著雨強(qiáng)的增大，翻斗翻轉(zhuǎn)的次數(shù)增多，翻斗工作誤差也隨之增大。當(dāng)處在大雨強(qiáng)狀態(tài)時(shí)，翻斗工作誤差將遠(yuǎn)大于初始承雨誤差與末端承雨誤差，因此系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)為翻斗工作誤差。這時(shí)0.1 mm翻斗雨量系統(tǒng)誤差應(yīng)＞0.5 mm翻斗雨量。

綜上可看出，只有滯留雨量生成的誤差會(huì)造成增大實(shí)際雨量的觀測(cè)值，而初始承雨誤差、末端承雨誤差以及翻斗工作誤差均會(huì)造成雨量的損耗，從而導(dǎo)致減小實(shí)際雨量的觀測(cè)值。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2012年4月份以來(lái)，莆田市逐步進(jìn)入汛期，降雨量明顯增多?，F(xiàn)將我市4月1日至5月20日共50天(降雨天數(shù)為28天)所有的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共生成34 384時(shí)次單雨站數(shù)據(jù)，過(guò)濾去無(wú)雨量數(shù)據(jù)以及檢測(cè)維修等部分異常數(shù)據(jù)28 473時(shí)次，形成可用數(shù)據(jù)5 911時(shí)次。以氣象部門(mén)長(zhǎng)期使用0.1 mm翻斗雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，其中1 mm/h以下(含1 mm/h)數(shù)據(jù)有4 029時(shí)次。10 mm/h以下(1～10 mm/h，含10 mm/h)數(shù)據(jù)1 696時(shí)次。25 mm/h以下(10～25 mm/h，含 25 mm/h)數(shù)據(jù) 158時(shí)次。25 mm/h以上數(shù)據(jù)28時(shí)次。具體結(jié)果如表1所示。

表1 4月份以來(lái)0.1 mm雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 數(shù)據(jù)分析

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，4月份以來(lái)我市1 mm/h降雨量達(dá)到4 029時(shí)次，占69%，10 mm/h降雨量達(dá)到1 696時(shí)次，占28%，該段雨強(qiáng)大小的雨量數(shù)據(jù)量相對(duì)充足，對(duì)段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析相對(duì)具有一定的代表性。

4.1 逐數(shù)據(jù)分析

將逐時(shí)次0.1 mm雨量數(shù)據(jù)與0.5 mm雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)相對(duì)0.1 mm雨量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差值。

可以看出，在各階段雨強(qiáng)下均存在正向、負(fù)向相對(duì)誤差值。在小雨強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)為初始承雨誤差、末端承雨誤差以及計(jì)量單位誤差，正向相對(duì)誤差值，這說(shuō)明0.5 mm雨量翻斗計(jì)量單位偏大，無(wú)法感應(yīng)到小雨量值所造成的。而負(fù)向相對(duì)誤差值(即0.1 mm雨量數(shù)據(jù)＜0.5 mm雨量數(shù)據(jù))，說(shuō)明上一次0.5 mm雨量翻斗滯留的雨量未蒸發(fā)完全，影響了該次雨量數(shù)據(jù)觀測(cè)，故形成了負(fù)向系統(tǒng)誤差。

由于小時(shí)內(nèi)雨量的增大，相對(duì)誤差值數(shù)據(jù)逐漸增多，主要原因是小時(shí)內(nèi)雨量的增大，翻斗翻轉(zhuǎn)的次數(shù)增多，翻斗工作誤差也隨之增大，而0.1 mm雨量翻斗的統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)次數(shù)是0.5 mm雨量翻斗的5倍，則誤差出現(xiàn)的概率也相應(yīng)增加，此時(shí)0.1 mm雨量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差也相比于0.5 mm雨量數(shù)據(jù)驟然增大，形成0.1 mm雨量數(shù)據(jù)逐漸＜0.5 mm雨量數(shù)據(jù)的情況。

4.2 相對(duì)差平均誤差統(tǒng)分析

將所有相對(duì)誤差值按照雨強(qiáng)大小進(jìn)行分類，逐段求差平均值，接著對(duì)所有差平均值進(jìn)行比較形成散點(diǎn)式坐標(biāo)圖，如圖2所示，橫坐標(biāo)為雨強(qiáng)大小，縱坐標(biāo)為相對(duì)差平均誤差值。

圖2 0.1 mm雨量與0.5 mm雨量相對(duì)差平均散點(diǎn)式坐標(biāo)圖

可以看出，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，相對(duì)差平均誤差值也逐漸增加，呈現(xiàn)負(fù)值漸進(jìn)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著雨強(qiáng)增大，0.1 mm雨量數(shù)據(jù)逐漸＜0.5 mm雨量數(shù)據(jù)。而當(dāng)降雨量＞25 mm/h，由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量不足，出現(xiàn)了大幅度的跳變現(xiàn)象，故暫不比較。

4.3 絕對(duì)差平均誤差分析

將所有相對(duì)誤差值取模值，得到相對(duì)于0.1 mm雨量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差值，接著按雨強(qiáng)大小進(jìn)行分類，逐段求差平均值，對(duì)所有差平均值進(jìn)行比較形成散點(diǎn)式坐標(biāo)圖，如圖3所示。橫坐標(biāo)為雨強(qiáng)大小，縱坐標(biāo)為絕對(duì)差分誤差值。

圖3 0.1 mm雨量與0.5 mm雨量絕對(duì)差平均散點(diǎn)式坐標(biāo)圖

從圖中可看出，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，絕對(duì)差平均誤差值也逐漸增加，由于對(duì)相對(duì)誤差值取模，避免了正負(fù)誤差值相互抵消的問(wèn)題，使得整個(gè)坐標(biāo)圖呈現(xiàn)正值漸進(jìn)上升的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著雨強(qiáng)增大，0.1 mm雨量數(shù)據(jù)與0.5 mm雨量數(shù)據(jù)偏差也隨之增大。而當(dāng)降雨量＞25 mm/h，由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量不足，出現(xiàn)了大幅度的跳變現(xiàn)象，故暫不比較。

綜上所述，實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與系統(tǒng)數(shù)據(jù)理論闡述基本吻合?？煽闯觯S著單位小時(shí)內(nèi)雨強(qiáng)數(shù)據(jù)的增大，0.1 mm與0.5 mm兩種雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)之間可能出現(xiàn)偏差的幾率增大，同時(shí)偏差值也相對(duì)增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

山洪雨量觀測(cè)設(shè)備通過(guò)對(duì)比分析在不同雨強(qiáng)下觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異性，可發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在一定的關(guān)系。為未來(lái)通過(guò)數(shù)據(jù)處理、數(shù)學(xué)建模以及硬件設(shè)備等多種方式下提高雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量工作打下了基礎(chǔ)。

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