一體化雨量遙感野外比測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

，

(甘肅張掖水文水資源勘測(cè)局，甘肅 張掖 734000)

1 區(qū)域概況及實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)

1.1 自然地理分布

黑河流域位于東經(jīng)96°42′～ 102°04′、北緯39°45′～ 42°40′之間，處于青藏和蒙新高原交接地帶，地跨青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(自治區(qū))，總流域面積12.83萬(wàn) km2。自上游而下，流域內(nèi)斷續(xù)分布著高山高原、平原綠洲及沙漠戈壁。

由于地處亞歐大陸腹地，黑河流域?qū)俅箨懶詺夂騾^(qū)，其氣候地帶性和區(qū)域性較為明顯。上游祁連山區(qū)為高寒半干旱區(qū)，中段河西走廊為冷溫帶干旱區(qū)，下游北部山地和戈壁沙漠為溫帶干旱區(qū)。

祁連山地為黑河的發(fā)源地，降水多集中于主汛期；流域中、下游降水較為稀少，蒸發(fā)能力相應(yīng)增加。

1.2 降水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)

張掖水文水資源勘測(cè)局在黑河干流及其支流上共設(shè)有10個(gè)國(guó)家基本水文站，勘測(cè)區(qū)域涉及甘肅、青海兩省，與14個(gè)雨量站及若干在建雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)共同組成降水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本次實(shí)驗(yàn)選取不同氣候區(qū)控制站共7站。黑河干流黃藏寺峽以上分為東西兩岔，高山峽谷起伏變化較大，有大片森林、草甸分布，因此本次實(shí)驗(yàn)選取上游兩岔控制站札馬什克、祁連站；黑河二級(jí)支流梨園河控制站肅南站，梨園河出山口控制站鸚鴿咀站；淺山區(qū)選取黑河三級(jí)支流洪水河控制站雙樹寺站，二級(jí)支流山丹河(白石崖河)控制站李橋站；黑河中游降水量較少，為雙向不對(duì)稱傾斜平原區(qū)，選取控制站高崖站；下游降水稀少，難以形成較大洪水，因此沒(méi)有選用。

各站多年平均降水量由祁連山區(qū)札馬什克站444.9 mm向中游高崖站124.8 mm遞減，而多年平均蒸發(fā)能力卻由札馬什克站752.0 mm向高崖站1 554.8 mm遞增。

2 野外比測(cè)場(chǎng)地及儀器狀況

野外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)為氣象觀測(cè)場(chǎng)，儀器安放均符合《降水量觀測(cè)規(guī)范》要求，降水量能代表水平地面上的天然雨深。

遙感監(jiān)測(cè)使用的雨量傳感器為翻斗式JEZ雨雪量計(jì)，分辨力為0.2 mm，安裝高度1.2 m，其工作原理為器口匯集的降水流經(jīng)翻斗時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)就會(huì)發(fā)出通斷脈沖，據(jù)脈沖信號(hào)測(cè)得降水量，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、顯示、匯總、報(bào)警等，從而實(shí)現(xiàn)雨量的遠(yuǎn)程自動(dòng)遙測(cè)。同步比測(cè)的是人工雨量器，安裝高度0.7 m，記錄精度0.1 mm。

JEZ系列雨雪量計(jì)適用于年均降水小于800 mm的地區(qū)，降雨強(qiáng)度范圍為≤4 mm/min，自身排水法誤差為不超過(guò)±4%。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算整編

盡管JEZ系列雨雪量計(jì)在JDZ雨量傳感器的原有基礎(chǔ)上，增加了加熱膜、溫度傳感器及其控制器件等，但在降雪期間，由于氣溫較低，降雪不能完全融化，或耗于蒸發(fā)，或融化后有累積滯后現(xiàn)象，因此按5 min滑動(dòng)提取了5月至9月的汛期降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,摘錄段制為24段，記起訖時(shí)間輸出，使用南方片水文資料整編系統(tǒng)編制成果。

人工雨量數(shù)據(jù)按4段制記錄，數(shù)據(jù)不按起時(shí)間錄入，不得跨越的段制為4段，數(shù)據(jù)及成果經(jīng)相關(guān)部門校核認(rèn)定，符合規(guī)范要求。

由于比測(cè)站網(wǎng)自我國(guó)地勢(shì)第一階梯跨第二階梯，氣候差異較大，因此各站比測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短不同，比測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間見表1。

4 野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)驗(yàn)精度分析

由于實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)地處河西內(nèi)陸，經(jīng)歷年資料考證，暴雨均發(fā)生于5月至9月之間，各站實(shí)驗(yàn)期降水占年降水總量比例見表2，其中產(chǎn)流區(qū)各站達(dá)80%以上， 淺山區(qū)雙樹寺站及中游高崖站達(dá)75%以上，因此本次實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的代表性，雨量遙感在流域產(chǎn)匯流研究及減災(zāi)方面有較強(qiáng)的實(shí)用性。

我國(guó)頒布的SL21-2006《降水量觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，翻斗式自記雨量計(jì)記錄日降水量與自然排水量之差為±2.0 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行記錄量的訂正，因此認(rèn)為誤差小于±2.0 mm的日降水量無(wú)需進(jìn)行訂正，符合觀測(cè)精度。與注水法檢測(cè)儀器不同，野外受各種因素影響，落入承雨器中的天然降雨量并不知道，因此假定人工測(cè)記降水量為真值，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，7站的日降水量絕對(duì)誤差均在±1.5 mm以內(nèi)；其中僅李橋站出現(xiàn)一次3.1 mm的最大絕對(duì)誤差(相對(duì)誤差12%)。因此即使假定人工測(cè)記降水量為真值，遙感監(jiān)測(cè)的日降水量也完全符合規(guī)范要求，不合格樣本僅一例，占樣本總數(shù)的0.2%。

對(duì)7站實(shí)驗(yàn)期降雨總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最大累積誤差為札馬什克站的-19.2 mm，相對(duì)誤差-4.9%，占全年降水總量的-4.3%；最小累積誤差為祁連站-2.7 mm，相對(duì)誤差-0.7%，僅占全年降水總量的-0.6%，可完全忽略不計(jì)。統(tǒng)計(jì)見表1。

對(duì)7站的降水日數(shù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)降水量很小時(shí)，各站比測(cè)的降水日數(shù)都不相同，是由于兩儀器的分辨力記錄不同，達(dá)不到分辨力要求的降水不予記錄，符合規(guī)范要求，并無(wú)一例漏測(cè)現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各站比測(cè)時(shí)間及比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 各站比測(cè)降雨量占年降水量比例統(tǒng)計(jì)表

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，選取祁連、肅南、鸚鴿咀、高崖四站，分別代表深山區(qū)、淺山區(qū)、出山口、中游區(qū)進(jìn)行分析，其相對(duì)誤差分別為-0.7%、-1.6%、-6.3%、2.4%。在實(shí)驗(yàn)室，JEZ雨雪量計(jì)采用排水法測(cè)量誤差為不超過(guò)±4%，在野外狀態(tài)下，與人工記錄量相比，祁連、肅南、高崖站三站的測(cè)量誤差仍小于±4%，相對(duì)于年降水量可以忽略不計(jì)。鸚鴿咀站比4%小2.3%，但實(shí)驗(yàn)期內(nèi)并沒(méi)有超過(guò)±2.0 mm 的日量誤差，且相對(duì)于年降水量?jī)H偏小5.2%，因此無(wú)需對(duì)計(jì)量值進(jìn)行訂正。

分別點(diǎn)繪四站降水量相關(guān)圖(見圖1)，從圖中可以看出，各站點(diǎn)據(jù)呈明顯的帶狀分布，相關(guān)程度極為密切，相關(guān)系數(shù)分別為1.007 4、0.988 2、0.968 2、1.075 1，判定系數(shù)除高崖站為0.996 7外，其它三站均大于0.998，樣本點(diǎn)據(jù)與回歸直線非常接近，顯示比測(cè)結(jié)果良好。

同理對(duì)札馬什克、李橋、雙樹寺三站做回歸分析，結(jié)果一致，札馬什克、雙樹寺站判定系數(shù)均為0.997 9，李橋站為0.988 5，點(diǎn)據(jù)關(guān)系密切。

對(duì)7站資料做總體分析，JEZ雨雪量計(jì)偏小的樣本遠(yuǎn)大于偏大的樣本，說(shuō)明當(dāng)降水量小且過(guò)程較長(zhǎng)時(shí)， JEZ雨雪量計(jì)記錄量系統(tǒng)偏小0.1 mm，屬正常器差，并不影響年降水量或暴雨的計(jì)量和采集。

圖1 祁連、肅南、高崖、鸚鴿咀站降水量比測(cè)實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖

5 比測(cè)實(shí)驗(yàn)誤差分析

5.1 儀器分辨力誤差

JEZ雨雪量計(jì)傳感器最小分辨力為0.2 mm，達(dá)不到0.2 mm翻斗則不翻轉(zhuǎn)，雨量累積到下一時(shí)段，或耗于蒸發(fā)。一場(chǎng)降雨的誤差較小,然而野外實(shí)驗(yàn)時(shí)，降水多為間歇性，日降水量一般由多場(chǎng)間歇性降水構(gòu)成，則兩儀器測(cè)記誤差變大。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，總體誤差偏小的原因是由儀器的分辨力不同造成。

SL21-2006《降水量觀測(cè)規(guī)范》條文說(shuō)明1.0.4規(guī)定了降水觀測(cè)的最小量,在黑河流域使用分辨力為0.2 mm的儀器，符合規(guī)范的規(guī)定。

5.2 人工測(cè)量誤差

在人工雨量器計(jì)量中，量杯的最小刻度為0.1 mm，但不同的人觀讀習(xí)慣不同，會(huì)造成一定的人為誤差，有可能并不固定。

5.3 障礙物遮擋誤差

野外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)設(shè)在水文站院內(nèi)，四周或多或少都有一定障外物，對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，場(chǎng)地不同，儀器安裝高度不同，對(duì)降水量觀測(cè)精度都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

5.4 風(fēng)力損失

河西走廊常年風(fēng)力較為強(qiáng)勁，降水受風(fēng)力阻礙，空氣流動(dòng)引起風(fēng)場(chǎng)變形，在器口形成渦流和上升氣流，兩儀器安裝高度不同，因而器口以上的風(fēng)速也不同，常引起降水跡線偏離而導(dǎo)致誤差，一般認(rèn)為安裝高度越低，誤差會(huì)越小。

5.5 降水量值誤差

在野外，天然降水量具有很大的隨機(jī)性，雨滴的密度與質(zhì)量都不相同，因而滴落在每個(gè)承雨器內(nèi)的降水量不同，比測(cè)時(shí)只是把人工記錄量做為假定真值來(lái)對(duì)比，會(huì)造成一定的人為誤差。

5.6 計(jì)量?jī)x器誤差

計(jì)量?jī)x器本身都會(huì)有一定的誤差，在出廠及實(shí)驗(yàn)前，都對(duì)儀器進(jìn)行了注水檢驗(yàn)和調(diào)試，但在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)產(chǎn)生誤差，不同計(jì)量?jī)x器產(chǎn)生的誤差也不相同，可能是系統(tǒng)性的，也可能是隨機(jī)性的。

5.7 濕潤(rùn)誤差

JEZ雨雪量計(jì)與人工雨量器構(gòu)件不同，承雨及計(jì)量部件都要粘滯一些降水。在儀器結(jié)構(gòu)上，人工雨量器的接觸面要略大于翻斗的接觸面。另外，由于儀器安裝區(qū)域不同，濕潤(rùn)誤差受氣溫、濕度、風(fēng)力的影響也較大。

5.8 蒸發(fā)誤差

人工降水觀測(cè)時(shí)，降雨停止后隨時(shí)測(cè)量，而翻斗中達(dá)不分辨力的降水則會(huì)耗于蒸發(fā)。 在本次實(shí)驗(yàn)中，受蒸發(fā)影響較大的為中游站。

6 結(jié)語(yǔ)

本次野外實(shí)驗(yàn)布設(shè)在黑河流域，各站所轄集水區(qū)為重點(diǎn)產(chǎn)流區(qū)或調(diào)水控制區(qū)域，使用一體化雨量遙感監(jiān)測(cè)降水量，不僅僅是對(duì)儀器設(shè)備的革新，更是起到暴雨預(yù)警的作用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比測(cè)分析，得出以下結(jié)論：

(1)目前，在黑河流域使用的降水監(jiān)測(cè)設(shè)備為人工雨量器或虹吸式自記雨量計(jì)，人工雨量器記錄的是4段制量，無(wú)法監(jiān)測(cè)到連續(xù)的降水強(qiáng)度；虹吸式自記雨量計(jì)能記錄連續(xù)的降水，但受人工干預(yù)，構(gòu)件老化，記錄線需人工摘錄、校核及挑選，兩儀器都需人員常年駐守。使用一體化雨量遙感監(jiān)測(cè)，既可以監(jiān)測(cè)到連續(xù)的降水，又可使用程序提取數(shù)據(jù)直接整編，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快捷的查詢降雨情況。

(2)經(jīng)黑河流域野外實(shí)驗(yàn)，雨量遙感一體化監(jiān)測(cè)可以在水文測(cè)站日常測(cè)驗(yàn)中使用，且實(shí)用性明顯，降水量觀測(cè)符合規(guī)范規(guī)定的精度要求。

(3)由于冬季氣溫低，降水稀少，傳感器無(wú)法檢測(cè)出微小的降雪強(qiáng)度；降雪融化有滯后現(xiàn)象，因此降雪仍以人工為準(zhǔn)，以遙感測(cè)量為輔，整編成果為共同編制的逐日表、摘錄表及最大降水量表，并輔助說(shuō)明。

(4)應(yīng)用自動(dòng)化遙感監(jiān)測(cè)，使傳統(tǒng)的水文測(cè)報(bào)方式向技術(shù)性、知識(shí)性的領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，一些老舊的水文儀器已不適應(yīng)現(xiàn)代化自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展，可以進(jìn)一步擴(kuò)大站網(wǎng)，從面上提高區(qū)域總降水量的觀測(cè)精度。

(5)使用自動(dòng)化遙感監(jiān)測(cè)降水，能與其它設(shè)備共同構(gòu)成水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為防汛、度汛、預(yù)警提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息。