自動降水蒸發(fā)儀器在氣象觀測項目中的應用探析

溫 川

（青海省水文水資源測報中心，西寧 810001）

1 研究背景

降水和蒸發(fā)是水文循環(huán)中重要環(huán)節(jié)，是水量平衡計算中不可缺少的水文要素。降水是地表水和地下水水資源的來源。水面蒸發(fā)是研究陸面蒸發(fā)的參證資料。通過長系列收集降水、蒸發(fā)資料，可分析研究降水、蒸發(fā)在流域上的時空分布，在水量平衡計算、旱情分析等方面發(fā)揮著重要作用，為防汛抗旱服務［1］。

CQS.JD01B 型自記雨量計、CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器的主要特點是實現(xiàn)自動測量、采集、存儲資料及遠程傳輸；實現(xiàn)蒸發(fā)量、降水量在線監(jiān)測［2］。該儀器選擇在青海省境內的長江流域、內陸流域的蒸發(fā)代表站（直門達和格爾木水文站）進行試運行。試運行期間，儀器正常穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)無缺測，漏測現(xiàn)象。

2 基本概況

2.1 測站概況

直門達水文站位于青海省玉樹洲稱多縣歇武鎮(zhèn)直門達村，東經(jīng)97°14′北緯33°01′，是長江流域金沙江上段水系通天河干流控制站，蒸發(fā)代表站［3］。格爾木水文站位于青海省海西蒙古族藏族自治州格爾木市東西干渠進水口處，東經(jīng)94°47′，北緯36°18′；是內陸流域格爾木河干流控制站,蒸發(fā)代表站［4］。

2.2 蒸發(fā)觀測場概況

蒸發(fā)觀測場規(guī)格為12m(東西向)×12m(南北向)，場地四周設有1.2m 的圍柵，觀測場內的儀器之間的距離，南北向3.5m，東西向4.0m，與圍柵的距離為3.5m，高的儀器安置在北面，低的儀器順次安置在南面［5］。直門達水文站觀測場遮擋率為16%，地面海拔高程為3539.41m；格爾木水文站觀測場遮擋率為2%，地面海拔高程為2939.20m。

3 CQS.JD01B型自記雨量計、CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器的原理及組成

CQS.JD01B 型自記雨量計主要特點是在保證測量精度的條件下，適應的降雨強度范圍更寬；CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器主要特點是自動連續(xù)觀測水面蒸發(fā)在不同時間段變化規(guī)律的儀器，可直接與已安裝的標準的E601（?618 mm）的蒸發(fā)桶配套使用。。

3.1 CQS.JD01B 型自記雨量計原理及組成

CQS.JD01B 型自記雨量計的工作原理是當翻斗雨量達0.1 mm 時，翻斗翻轉，觸發(fā)磁敏開關（干簧管）,雨量傳感器輸出信號（電脈沖信號）,RTU(雨量遙測終端）接收到信號后控制通信模塊的工作狀態(tài)，通過GPRS/GSM 網(wǎng)絡平臺向中心站發(fā)送雨量數(shù)據(jù)包，中心站采集到雨量數(shù)據(jù)后分析入庫。其結構原理見圖1［6，7］。

圖1 CQS.JD01B 型自記雨量計原理圖

3.2 CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器原理及組成

CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器原理是通過蒸發(fā)桶內的水位下降或升高帶動液位傳感器浮子下降或升高，液位傳感器將浮子下降或升高的高度變化轉換成電信號，再由水位傳感器導線將信號傳送到主機上進行記錄?？刂葡淇傊鳈C直接鏈接雨量信號線和水位傳感器線自動采集雨量、水位信號，通過判斷-分析-計算后得出日降雨量、水位下降高度值、日蒸發(fā)量和某段時間內的累計蒸發(fā)量［8］。

當蒸發(fā)桶內水位下降到48 mm 左右時，遙測蒸發(fā)器自動補水給蒸發(fā)桶，補水到30 mm 左右時，自動停止補水；補水過程不會影響降雨量和蒸發(fā)量。水面遙測蒸發(fā)器還將降雨量、蒸發(fā)量及時間等數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場存儲、顯示，并通過無線通訊發(fā)射裝置定時或加報方式將監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)自動發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上專用服務器內，以供互聯(lián)網(wǎng)上授權用戶調用、查看，隨時掌握水面蒸發(fā)、降雨數(shù)據(jù)。

CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器利用GSM/GPRS網(wǎng)、Internet 互聯(lián)網(wǎng)、計算機組成水面遙測蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)。其結構原理見圖2。

4 CQS.JD01B型自記雨量計、CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器的安裝及日常維護

4.1 CQS.JD01B 型自記雨量計安裝及日常維護

CQS.JD01B 型自記雨量計安裝在預先做平的水泥墩上，根據(jù)圓水泡調整水平。自記雨量計日常維護應保持儀器干凈整潔，特別是翻斗內的整潔，提高降水量采集數(shù)據(jù)的精度，同時保持電路暢通電壓穩(wěn)定，信號發(fā)送穩(wěn)定［9］。

4.2 CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器安裝及日常維護

CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器的安裝主要分為雨量傳感器的安裝、蒸發(fā)桶、水圈、水面蒸發(fā)水位傳感器、室外機箱和機箱內儀器的安裝。蒸發(fā)器日常維護應注意蒸發(fā)桶口緣露出地面30 cm 保持水平；水圈口緣應低于蒸發(fā)桶口5 cm，保持水平；水位傳感器運行正常［10］。

圖2 CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器原理圖

5 降水量蒸發(fā)量資料分析

5.1 降水量蒸發(fā)量資料收集

將CQS.JD01B 型自記雨量計、CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器與傳統(tǒng)降水量、蒸發(fā)量觀測儀器安裝在同一觀測場內，對比儀器的器口高度保持一致。直門達水文站7～9月對遙測儀器和傳統(tǒng)儀器進行同步觀測，共收集67 組降水量資料和92 組蒸發(fā)量資料。格爾木水文站7月～10月對遙測儀器和傳統(tǒng)儀器進行同步觀測，共收集20組降量水資料和113組蒸發(fā)量資料。

5.2 降水量資料分析

5.2.1 降水量分析標準

根據(jù)《降水量觀測規(guī)范》(SL21-90）規(guī)定，在降水強度0.1～4.0 mm/min 范圍內變化時，儀器分辨率為0.1 mm；觀測精度要求為降水量以10 mm 為界，降水量小于10 mm 按絕對誤差計算，不得超過±0.4 mm；大于10 mm 按相對誤差計算，不得超過±4%［11］。以此標準來確定CQS.JD01B 型自記雨量計日降水量的合格率。

降水量以人工觀測為準，對CQS.JD01B型自記雨量計記錄量進行日降水量、月降水量差異性統(tǒng)計分析。

5.2.1 日降水量差異性分析

對日降水量進行差異性分析，直門達水文站7～9月降水日數(shù)共計67 天，其中降水量小于10 mm 的天數(shù)為59天，最大絕對誤差為0.4 mm；降水量大于10 mm的天數(shù)為8天，最大相對誤差為1.0%。該翻斗式雨量計逐日降水量與人工觀測（虹吸式雨量計）逐日降水量對比分析合格率為100%；而且記錄量天數(shù)與排水量天數(shù)一致。格爾木水文站7～9月降水日數(shù)共計共20 天，日降水量全部小于10 mm，最大絕對誤差為0.2 mm；該翻斗式雨量計逐日降水量與人工觀測逐日降水量對比分析合格率為100%；而且記錄量天數(shù)與排水量天數(shù)一致。說明儀器測量精度完全滿足降水量觀測技術要求［12］。

5.2.3 月降水量差異性分析

以人工觀測降水量（虹吸式雨量計）為準，自記雨量計月降水量及最大日降水量比測誤差（詳見表1）。比測期間直門達水文站月降水量最大誤差為3.0%，小于±4%的標準［13］。自記雨量計與虹吸式雨量計觀測的最大日降水量出現(xiàn)時間一致，量值一致。自記雨量計月降水量存在系統(tǒng)偏大現(xiàn)象，在可控范圍之內。

格爾木水文站月降水量最大誤差為-2.38%，小于±4%的標準，自記雨量計與人工觀測降水量最大日降水量出現(xiàn)時間一致，量值最大絕對誤差為0.1 mm。小于±0.4 mm 的標準，自記雨量計雨量存在系統(tǒng)偏小現(xiàn)象，在誤差控范圍之內。說明CQS.JD01B型自記雨量計可以代替人工觀測降水量（虹吸式雨量計）進行降水量自動監(jiān)測（表1）。

5.3 蒸發(fā)量資料分析

5.3.1 蒸發(fā)量分析標準

根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）規(guī)定，以E601型蒸發(fā)器人工觀測值（或遙測蒸發(fā)器內采用測針人工觀測值）為準，日蒸發(fā)量絕對誤差不超過±0.5 mm［14］，以此標準來確定遙測蒸發(fā)量的合格率。月蒸發(fā)量及時段量誤差按相對誤差計算，相對誤差標準根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SD265-88）第3.1.1 條相關要求，以及《水文測驗實用手冊》（2013 版）中蒸發(fā)器的選用和對比觀測要求，采用一次蒸發(fā)總量偏差不超過±10%，以此標準來確定遙測蒸發(fā)量的合格率［15］。

表1 直門達、格爾木水文站月降水量及最大日降水量誤差分析表

蒸發(fā)量以人工觀測為準，對CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器記錄量進行日蒸發(fā)量、月蒸發(fā)量差異性統(tǒng)計分析。

5.3.2 日蒸發(fā)量差異性分析

對日蒸發(fā)量進行差異性分析，采用同一蒸發(fā)器內遙測蒸發(fā)量與人工觀測量進行對比，直門達水文站日蒸發(fā)量誤差超過±0.5 mm 的有3次，其中7月份2次，8月份1次，最大誤差為1.1 mm（7月21日），其余均在誤差范圍之內，合格率為96.7%。格爾木水文站日蒸發(fā)量誤差超過±0.5 mm 的有3次，其中8月份1次，9月份2次,最大誤差為-0.9 mm（9月20日），其余均在誤差范圍之內，合格率為97.3%［16］。

5.3.3 月蒸發(fā)量差異性分析

對月蒸發(fā)量進行差異性分析，采用同一蒸發(fā)器內月蒸發(fā)量和時段蒸發(fā)量進行對比，誤差均滿足蒸發(fā)器選用和對比觀測相關技術標準要求，一次蒸發(fā)總量偏差不超過±10%［17］，各項指標誤差均在允許范圍之內（見表2）。

直門達水文站月蒸發(fā)量誤差最大為-1.10%（7月份），時段蒸發(fā)量誤差最大為0.50%；合格率為100%。格爾木水文站月蒸發(fā)量誤差最大為-1.3%（7月份），時段蒸發(fā)量誤差0.15%；合格率為100%。各項指標誤差均在允許范圍之內。說明該水面遙測蒸發(fā)器可以代替人工觀測進行蒸發(fā)量自動監(jiān)測。

6 結語

儀器安裝調試后，進行試運行和比測分析，從比測分析結果看，儀器精度較高，結構簡單，操作簡便；在保持電壓穩(wěn)定、網(wǎng)絡暢通情況下；能實現(xiàn)降水蒸發(fā)數(shù)據(jù)遠程自動傳輸。

CQS.JD01B 型自記雨量計通過日降水量差異性分析和月降水量差異性分析，誤差合格率高，計量精度較高，性能穩(wěn)定，精度滿足雨量日常監(jiān)測需要?？纱嫒斯ぃê缥阶杂浻炅坑嫞┻M行降水量自動監(jiān)測。CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器通過日蒸發(fā)量差異性分析和月蒸發(fā)量差異性分析，誤差合格率均達到95%以上。日蒸發(fā)量和月蒸發(fā)量均滿足蒸發(fā)器相關技術標準要求；可代替人工進行蒸發(fā)量自動監(jiān)測。建議CQS.JD01B 型自記雨量計、CQS.FFH-2型水面遙測蒸發(fā)器在青海省內境的長江流域、內陸流域推廣使用。

表2 直門達、格爾木水文站月蒸發(fā)量及時段量誤差分析表