稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器在汛期捕獲降水量的差異研究

米凱

摘 要：本文根據(jù)新鄉(xiāng)氣象站2015—2017年各年4月至10月共21個(gè)月164個(gè)降水日的降水資料，對(duì)稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器的差異性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：稱重式降水傳感器比翻斗式降水傳感器統(tǒng)計(jì)的平均月降水量少0.69mm，平均日降水量少0.32mm；稱重式降水傳感器捕獲的降水量開始時(shí)間滯后于翻斗式4.68min；稱重式降水傳感器與翻斗式日降水量呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.998 3。

關(guān)鍵詞：降水量；稱重式降水傳感器；翻斗式降水傳感器；差異；相關(guān)性

中圖分類號(hào)：P414.95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0149-03

The Difference of Precipitation between the Flood Season of

the Weighing and Tipping Precipitation Sensor

MI Kai

（Xinxiang Meteorological Bureau，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： In order to know more clearly the difference between weight relative and tilting rainfall sensors， we analyze the precipitation， precipitation data of 21 months of Xinxiang national basic weather stations in 2015-2017.Statistical methods were used to compare the daily precipitation and monthly precipitation captured by the two sensors and the error of the minute precipitation distribution during individual periods. The following conclusion was drawn： the average monthly precipitation of the weighing type precipitation sensor was less than that of the bucket type precipitation sensor， and the average monthly precipitation was less 0.69mm， and the level of the precipitation sensor was less than that of the inverted bucket type precipitation sensor. The average daily precipitation was less than 0.32mm， and the rainfall initial time of the weighing precipitation sensor lagged behind the bucket type 4.68min， and the weight type precipitation sensor was linearly correlated with the diurnal precipitation， and the correlation coefficient was 0.9983.

Keywords： precipitation；weighing gauge；tipping gauge；difference；correlation

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展及環(huán)境的變化，人們對(duì)天氣的預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害的防御信息需求日益增加。天氣預(yù)報(bào)與預(yù)警服務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于地面觀測(cè)，降水觀測(cè)是地面觀測(cè)最重要的項(xiàng)目之一。降水資料是氣候分析、氣候變化研究和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式等方面的重要基礎(chǔ)資料[1]。降水包括固態(tài)、液態(tài)及混合態(tài)降水。對(duì)于冬季降水觀測(cè)自動(dòng)化問題，中國氣象探測(cè)中心在2006年和2009年冬季兩次組織稱重式降水傳感器的考核實(shí)驗(yàn)，并開展有關(guān)分析評(píng)估[2]，也有學(xué)者對(duì)自動(dòng)站雨量計(jì)資料開展質(zhì)量控制等方法進(jìn)行研究[3]。本文從汛期液態(tài)降水的角度對(duì)稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器進(jìn)行差異對(duì)比，從各方面找出降水量差異的原因，對(duì)今后進(jìn)一步完善設(shè)備性能提供借鑒。

1 儀器的工作原理和觀測(cè)資料

新鄉(xiāng)氣象站當(dāng)前使用的翻斗式降水傳感器即雙翻斗雨量傳感器，型號(hào)SL3-1。其承水口距地面70cm，口徑200mm，測(cè)量降水范圍為0～4mm/min，測(cè)量降水分辨率為0.1mm[4]。由承雨器收集的降水通過漏斗進(jìn)入上翻斗，當(dāng)雨水達(dá)到一定重量時(shí)，由于重力的作用使翻斗反轉(zhuǎn)，水便流入?yún)R集漏斗。降水再從匯集漏斗的節(jié)流管注入計(jì)量翻斗，就把各種強(qiáng)度的液態(tài)降水調(diào)節(jié)為比較均勻的降水強(qiáng)度，以此減少由于降水強(qiáng)度不同而出現(xiàn)的觀測(cè)誤差。當(dāng)計(jì)量翻斗所承接的降水量達(dá)到0.1mm時(shí)，計(jì)量翻斗就會(huì)把積累的降水傾倒入計(jì)數(shù)翻斗中，這樣計(jì)數(shù)翻斗就會(huì)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)翻斗在翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，與其相關(guān)的磁鋼會(huì)對(duì)儀器中的干簧管掃描一次。干簧管因?yàn)楸淮呕a(chǎn)生一次脈沖信號(hào)，采集器就自動(dòng)采集存儲(chǔ)0.1mm降水量。

在非結(jié)冰期，稱重式降水傳感器在新鄉(xiāng)氣象站作為備份雨量傳感器使用。新鄉(xiāng)氣象站當(dāng)前使用的稱重式傳感器是DSC1型傳感器。承水口口徑314cm2，承水口高度120cm，外設(shè)有防風(fēng)圈，傳感器可測(cè)降水量的范圍是0～400mm。測(cè)量分辨率為0.1mm。當(dāng)降水量不大于10mm時(shí)，最大測(cè)量誤差為±0.4mm，當(dāng)降水量大于10mm時(shí)，最大測(cè)量誤差為±4%，每分鐘進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)[4]。DSC1型稱重式降水傳感器是使用壓力應(yīng)變式技術(shù)得到降水?dāng)?shù)據(jù)，即表面粘貼有電阻應(yīng)變片的敏感梁在盛水桶的壓力作用下產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變，其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化。通過檢測(cè)電阻應(yīng)變片的阻值變化，可以得到盛水桶的質(zhì)量，繼而得到降水量。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于2015—2017年各年4月至10月降水日，即河南省規(guī)定的汛期時(shí)間內(nèi)的降水量統(tǒng)計(jì)。此次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了兩種傳感器分別捕獲的日降水和月降水總量及個(gè)別時(shí)段的分鐘降水量分布、某幾次特殊天氣過程時(shí)降水捕獲到的降水的開始時(shí)間。兩種傳感器均在觀測(cè)場(chǎng)正常使用。本文中無降水或降水量小于0.1mm時(shí)，均按無降水輸出。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1 月降水總量差異

對(duì)兩種傳感器分別捕獲的各月降水總量進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。圖1是稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器捕獲的各月降水總量比較的柱狀圖。對(duì)比時(shí)間為2015—2017年3年中4月至10月各月的總降水量。經(jīng)過對(duì)比分析可知：①在21個(gè)月樣本中，翻斗式捕獲的降水量稍大于稱重式，比例占85.7%。基本上對(duì)降水量的捕獲是大致一致的；②在大雨時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)的速率較快，在翻轉(zhuǎn)的過程中會(huì)因?yàn)樯戏放c計(jì)量翻斗同步翻轉(zhuǎn)中造成雨量損失[2]。

2.2 月雨強(qiáng)差值分布

統(tǒng)計(jì)好各月降水量之后，按月降水雨強(qiáng)的分布，共21組對(duì)比樣本。其中，2016年7月因月降水量過大（>500mm），不參與對(duì)比。其余20次有效對(duì)比。圖2是稱重式與翻斗式降水傳感器在月降水各雨強(qiáng)的差值分布圖。20個(gè)降水樣本中，月平均絕對(duì)誤差為3.19m；月降水量的多少和兩種儀器的相對(duì)誤差呈反比。

2.3 日差值頻次分布

統(tǒng)計(jì)164次降水日，以稱重式和翻斗式日捕獲降水量做差值，具體見圖3。從圖3中可以看出，翻斗式捕獲的降水量偏多。計(jì)算出164天日平均絕對(duì)差值為0.32mm。164組樣品中，有28組數(shù)據(jù)，稱重式捕獲降水量大于翻斗式，占比例17%。由于測(cè)量原理和方法不同，兩者的數(shù)據(jù)存在一定差異。造成這種現(xiàn)象的原因主要是：在發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)現(xiàn)象，稱重式降水傳感器承水口頂部外圍有防風(fēng)圈，在發(fā)生降水現(xiàn)象時(shí)，稱重式降水傳感器減少了大風(fēng)對(duì)降水的影響[5]。

2.4 兩種儀器觀測(cè)的日降水量相關(guān)系數(shù)

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件[6]對(duì)164組日降水量進(jìn)行相關(guān)分析，圖4為稱重觀測(cè)和翻斗觀測(cè)的日降水量的相關(guān)分布。從圖4可以看出，翻斗式觀測(cè)的日降水量緊密圍繞稱重式成一條直線分布，呈現(xiàn)線性相關(guān)，利用最小二乘法計(jì)算出相關(guān)系數(shù)為0.998 33，達(dá)到0.01顯著性水平[7]，稱重式與翻斗式降水傳感器相關(guān)方程為：[y=1.013 19x+0.275 19]。

2.5 稱重式降水的滯后性

在164個(gè)降水日樣本中，取日降水量大于4mm的降水日，共50日。統(tǒng)計(jì)的164日降水日數(shù)中，對(duì)比每個(gè)降水日，采集降水樣品的第一分鐘開始時(shí)間。稱重式相對(duì)于翻斗式采集到的降水第一分鐘相對(duì)滯后時(shí)間統(tǒng)計(jì)見圖5。初步得出以下結(jié)論：稱重式降水傳感器略微延遲于翻斗式降水傳感器，其相對(duì)于翻斗式采集到的降水第一分鐘平均滯后4.68min。這主要是因?yàn)榉Q重式降水傳感器在初始獲得降水量質(zhì)量增加后，會(huì)結(jié)合溫度、風(fēng)等多種因素對(duì)質(zhì)量增加的情況進(jìn)行連續(xù)性觀察，判斷其是否為偶然干擾[5]，而這種數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法和過程使得降水量數(shù)據(jù)被寫入數(shù)據(jù)文件的時(shí)間比實(shí)際降水發(fā)生的時(shí)間滯后。由此，可在一定程度上判定稱重式降水傳感器對(duì)降水量的捕獲具有嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

根據(jù)新鄉(xiāng)氣象站2015—2017年各年4月至10月共21個(gè)月164個(gè)降水日的稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器進(jìn)行了各方面的數(shù)據(jù)對(duì)比。得出以下結(jié)論：①稱重式降水傳感器比翻斗式降水傳感器記錄的平均月降水量少0.69mm，平均日降水量少0.32mm；②稱重式降水傳感器捕獲的降水量開始時(shí)間滯后于翻斗式；③稱重式降水傳感器與翻斗式日降水量呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.998 3。

相關(guān)分析表明，在實(shí)際業(yè)務(wù)中，稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器記錄的數(shù)據(jù)差異較小，可互為備份，提高降水觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

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