不同雨強下兩種儀器測量結(jié)果對比分析

邊瑪羅布 央美 達瓦澤仁 旦增卓瑪

（那曲市氣象局，西藏 那曲 852000）

關鍵字：稱重式雨量器 翻斗式雨量器 不同雨強

現(xiàn)在氣象臺站幾乎都使用翻斗式雨量計、稱重式雨量計和雨量器作為降水測量的儀器。降水觀測是最重要的地面氣象觀測內(nèi)容之一，降水量既是最重要氣象要素之一，同時也是氣候的重要標志。

主要研究內(nèi)容收集不同降水過程的兩種儀器的降水資料，并對降水過程進行分類；統(tǒng)計不同雨強下兩種儀器結(jié)果的特征；模擬不同強度的降水，測試兩個儀器的感應；對兩種不同測量結(jié)果進行研究分析。翻斗式雨量器和稱重式雨量器在不同雨強的測試結(jié)果進行對比分析，對兩種儀器進行進一步的分析、討論和研究。稱重式降水傳感器是通過載荷原件對盛水筒內(nèi)質(zhì)量變化的快速響應測量,與傳統(tǒng)的翻斗式降水測量方法不同[1]。

降水的觀測是一個很重要的地面氣象觀測的項目之一，它為氣象防范和減少氣象災害、天氣預報、氣候的診斷與分析和對大氣科學發(fā)展、研究供應了不一樣的基礎資料[1]。降水數(shù)據(jù)是氣候變化的探討、天氣動力分析與研究、數(shù)值天氣預報的不同模式、水分平衡的衡量、水文模型等方面重要意義的信息，是雷達與衛(wèi)星的定標、水庫的管理資料、工程方面的設計等各個方向的基礎依據(jù)。探討降水量的準確性和真實性對科學研究、基本生活等各方面都有著重要的意義。中國的氣象臺站都用過各種的雨量傳感器以及不一的使用高度，不過一般都使用的是20厘米口徑，使用高度一般為70厘米的臺站普通雨量器來收集降水量。中國所使用的降水數(shù)據(jù)和一些探索研究與業(yè)務單位在實際工作中發(fā)現(xiàn)降水數(shù)據(jù)的準確性差，給研究等方面帶來了很多不便的影響[2]。稱重式降水傳感器對雪、冰雹、雨和混合態(tài)的降水自動化觀測，能夠克服目前氣象臺站雪、冰雹人工觀測造成的時效性差、觀測頻次低等缺點，有利于提高雪、冰雹觀測的準確性和效率，減少觀測人員的工作量[3]。一直用翻斗式雨量器，所以對這兩種儀器的對比有著很重要的意義。

在稱重式降水傳感器與雨量器實測降水量對比分析中了解到稱重式對固態(tài)降水傳感器具有測量準確、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)實時性強等特點。由于觀測方法與儀器原理不同，兩者具有著一定的不同點[4]。在稱重式降水傳感器與雨量筒降水量誤差分析中則講到了關于稱重式雨量傳感器的測量原理和對雨量筒的對比分析方法與結(jié)論，以及稱重式雨量計的維護與誤差原因和防范。在翻斗雨量計誤差實驗研究及改正措施中講到了翻斗式雨量計的測量原理、分類、誤差和與其它儀器對比。經(jīng)過誤差修改方法后的翻斗雨量計為具有準確性、可靠性、低功耗的自動式存儲雨量觀測儀器[5]。在幾種降水測量儀器的討論分析中三種降水觀測儀器各有其優(yōu)缺點，為保證降水測量的代表性和精確度建議長期共存。也用了和好的辦法來對比，從三種儀器的測量原理誤差來分析[6]，不同降水測量設備測量不同的降水量，降水強度時，結(jié)果是不同的。利用可靠的不同雨強下的降水資料實測降水量，對稱重式雨量器和翻斗式雨量器的各個數(shù)據(jù)資料進行處理、分析、分類和總結(jié)。同樣的對比方法對人工測試，模擬實驗的數(shù)據(jù)資料進行處理、分析、分類和總結(jié)，然后對不同降水儀器和不同雨強下的實際降水量和模擬實驗測試的降水量的結(jié)果進行相互的對比分析和總結(jié)。

1 儀器介紹

1.1 稱重式雨量傳感器

1.1.1 簡介。稱重式雨量傳感器通過對降水質(zhì)量變化的快速響應測量降水量，基于載荷測量技術(shù)原理設計。稱重式雨量傳感器既可以使智能傳感器連接在別的采集系統(tǒng)上，也可以傳出開關量信號傳到現(xiàn)有的自動氣象站。稱重式雨量傳感器基于單獨點測壓原理設計，由部分硬件和處理軟件組成，其硬件可分成稱重單元、處理單元和外圍組件，既可以傳出開關信號取代或模擬翻斗式雨量傳感器傳入現(xiàn)有的各種自動氣象站中，也可以作為智能傳感器連接在新型自動氣象站上[3]。

1.1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理。稱重式雨量傳感器的測量原理是通過載荷原件對承水筒內(nèi)降水量質(zhì)量變化的快速響應來測量降水量，稱重式雨量傳感器主要由承水口、內(nèi)筒、外殼、處理單元及載荷原件、底座、收集容器等部件組成，基本組成如圖1所示。

圖1 稱重式雨量傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖

稱重式雨量傳感器既可以作為獨一的傳感器連接在自動氣象站上，也可以作為單一的降水觀測儀器使用，使觀測結(jié)果準確化、觀測數(shù)據(jù)不斷化，有利于提高雪、冰雹降水觀測的準確性和效率，減少觀測人員的工作量，更進一步提高觀測效率和觀測質(zhì)量[1]。

1.2 翻斗式雨量傳感器

1.2.1 簡介。翻斗式雨量傳感器是一種氣象、水文儀器，用來衡量降水量，同時將降水量轉(zhuǎn)換成以被測量形式表示出的數(shù)字信息，以滿足數(shù)據(jù)傳輸、資料處理、時間記錄和數(shù)字顯示等需要。翻斗式雨量計按翻斗數(shù)將類型可分為單翻斗雨量計和雙翻斗雨量計，也有按分辨率分，分辨率為降水量觀測器觀測記錄的最小量。按照降雨量觀測規(guī)范規(guī)定，根據(jù)當?shù)氐木唧w情況，選用適當分辨率的翻斗雨量計。

1.2.2 結(jié)構(gòu)與工作原理。由于雙翻斗雨量計計量精度比較高，目前中國氣象站測量降雨量一般都用雙翻斗雨量傳感器。雙翻斗雨量傳感器主要由承水口、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗和干簧管等組成。承雨口承載的雨水通過漏斗進入上翻斗，當雨水量到一定量時，由于水的重力作用使上翻斗翻轉(zhuǎn)，雨水進入?yún)R集漏斗。水量從匯集漏斗的小水管進入計量翻斗，當計量翻斗受到的降水量的重量達到翻斗感量時。計量翻斗會將所降的水翻倒到計數(shù)翻斗，使計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次。計數(shù)翻斗在翻轉(zhuǎn)時，與它相關的磁鋼對干簧管掃描一次，干簧管因磁化而瞬間閉合一次。這樣，降水量每次達到0.1毫米時，就送出去一個開關信號，采集器就自動采集存儲0.1毫米降水量，如圖2所示。

圖2 雙翻斗式雨量傳感器結(jié)構(gòu)圖

翻斗式雨量計，分為固態(tài)存儲器和傳感器兩部分。傳感器是一個翻斗式機械雙穩(wěn)態(tài)稱重機構(gòu)，它采用中間隔板間開的兩個完全對稱的三角容器，中間隔板可繞水平軸翻轉(zhuǎn)，類似于杠桿原理。工作時兩側(cè)的三角容器一個接著一個接水，當一側(cè)容器裝滿一定雨水時，由于水的重量作用翻轉(zhuǎn)，降水倒出，隨著降水的持續(xù)性，將翻斗不斷地輪流翻轉(zhuǎn)。在翻斗軸上有固定的磁鋼，在漏斗的偏下有固定的干簧繼電器或霍爾原件，在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中磁鋼的位置兩個裝置之間往復運動，當磁鋼接近干簧繼電器或霍爾元件時開關閉合，離開一定距離時，開關斷開，于是就產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。固態(tài)存儲器則負責將傳感器傳來的脈沖計數(shù)，然后以各種方式記錄下來[5]。

2 實際降水對比

2.1 實際數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.1.1 實測數(shù)據(jù)。采用的數(shù)據(jù)是從2014年10月30日至2015年3月31日的每分鐘、每小時、每天每月的稱重式雨量計、翻斗式雨量計的降水量數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理的降水量數(shù)據(jù)沒有因為測量時間不同而引起的差異，降水期間兩種儀器都狀態(tài)正常。對實測的兩種儀器的降水量分別統(tǒng)計降水次數(shù)，每次降水次數(shù)相互間的時間差最長小于等于5小時，再對每次降水次數(shù)的過程降水量進行降雨強度的劃分。從表1可見。

表1 降水強度的劃分

根據(jù)表1的降水強度劃分，統(tǒng)計2014年10月30日至2015年3月30日的稱重式雨量計的11次降水過程，如表2所示。

表2 稱重式雨量計降水次數(shù)及強度劃分

表3 翻斗式雨量計降水次數(shù)及強度劃分

再對同樣時間段的翻斗式雨量計的11次降水過程的數(shù)據(jù)進行分析，如表3所示。

對兩種儀器的降水過程同時段、同等級的降水構(gòu)成進行分析和對比，兩種儀器的降水次數(shù)在同時段同等級共有11次降水過程，小雨7次、中雨2次、大雨1次、暴雨1次、大暴雨和特大暴雨沒有。稱重式雨量計降水次數(shù)為11次，翻斗式雨量計降水次數(shù)為11次，而同時間的降水次數(shù)為11次，所以翻斗式雨量計與稱重式雨量計一致率為100%.月一致率稱重式觀測降水量只與人翻斗式降水量比較，當降水量小于等于10.0毫米時，兩者差值小于等于0.4毫米，降水量大于10.0毫米時，兩者差值百分率小于等于4%，則為一致。月一致率（%）=對比差值小于一致率范圍的次數(shù)/有效總次數(shù)*100%，從實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出各月的一致率見表 4[4]。

表4 翻斗式雨量計與稱重式雨量計一致率

從表4可以看出有降水的時候，月一致率達到了81.81%.這就表明了稱重式雨量計和翻斗式雨量計所測得降水量的同步性好，所以兩種儀器有較好的可比性。

2.2 小時數(shù)據(jù)對比

2.2.1 暴雨。根據(jù)采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩個儀器同時間段有一個暴雨等級的降水過程，是從2015年3月17日13時至18日09時，此次降水過程稱重式雨量計的降水量為60毫米，翻斗式雨量計的降水量為59.8毫米。

圖3 暴雨時兩種儀器降水量實測對比

根據(jù)圖3所示，兩種儀器降水量的趨勢完全相同。但是降水過程中翻斗式雨量計落后于稱重式雨量計的時段有15-17時、21時至23時、07時、09時，而稱重式雨量計落后于翻斗式雨量計的時段有13-14時、18-20時、00-02時、05時。在兩種雨量計測試的降水量中03時、04時、06時、08時時候測試結(jié)果相同無差異，結(jié)合降水量的趨勢圖和數(shù)據(jù)對比兩種儀器的測試結(jié)果幾乎相同，此次降水過程總降水量也只相差0.2毫米。再計算以翻斗式雨量為標準的相對誤差，設翻斗式雨量計為R1，稱重式雨量計為R2，根據(jù)相對誤差的公式（R1-R2/R1*100%）。相對誤差為0.33%.

2.2.2 大雨。根據(jù)采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩個儀器同時間段有一個大雨等級的降水過程，是從2014年11月23日23時至24日17時，此次降水過程稱重式雨量計的降水量為37毫米，翻斗式雨量計的降水量為39.7毫米。

兩種儀器的降水量趨勢大致的相似，但是此次降水過程的降水量最高值的時間不同且相差0.3毫米。從01時至03時、從05時至07時、然后從14時至15時和23日23時、24日10時翻斗式雨量計所測的降水量比稱重式雨量計所測的高一點，其余每個小時降水過程除24日13時沒有降水外，稱重式雨量計測量的降水量比翻斗式的高一點，兩種儀器的總降水量相差為2.7毫米。再次利用相對誤差的公式（R1-R2/R1*100%），相對誤差為6.80%.

2.2.3 中雨。根據(jù)采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩個儀器同時間段有兩個中雨等級的降水過程，是從2014年11月27日11時至00時、2015年2月20日03時至19時。兩次降水過程稱重式雨量計的降水量為11.2毫米、10.8毫米，翻斗式雨量計的降水量為12.4毫米、11.7毫米。

兩次降水過程兩種儀器的降水量差和相對誤差分別為1.2毫米和9.67%、0.9毫米和7.69%.

2.2.4 小雨。根據(jù)采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩個儀器同時間段有一個小雨等級的降水過程，是從2014年11月8日02時至10時。此次降水過程稱重式雨量計降水量為5.3毫米，翻斗式雨量計的降水量為5.6毫米。

圖4 小雨時兩種儀器降水量實測對比

從圖4可以看出兩種儀器測得的降水量趨勢大致相似，剛開始時候稱重式雨量器落后一些，05時和08-10時也是同樣的狀況。但是06-07時稱重式雨量器先于翻斗式雨量器，剩下的兩個小時兩種儀器測得的降水量是相同的。兩種儀器總降水量相差0.3毫米，相對誤差為5.35%.

根據(jù)采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩個儀器同時間段有小雨等級的降水過程，是從2014年10月31日01時至14時、11月1日17時至21時、11月25日07時至14時、2015年2月22日23時至次日03時。這些降水過程稱重式雨量計的降水量分別為4.5毫米、2.3毫米、2.9毫米、2.1毫米，翻斗式雨量計的降水量分別為4.4毫米、2.4毫米、2.6毫米、2.1毫米。

兩種儀器的降水量差和相對誤差分別為0.1毫米和2.27%、0毫米和0%、0.3毫米和11.53%、0.1毫米和4.16%.

2.3 分鐘數(shù)據(jù)對比

2.3.1 分鐘數(shù)據(jù)的一致率。對2014年10月30日至2015年3月31日的數(shù)據(jù)進行分鐘數(shù)據(jù)的對比。對以上11種不同雨強時的兩種儀器測量的每分鐘數(shù)據(jù)，兩種儀器在相同時間內(nèi)測量出的數(shù)據(jù)，若兩個數(shù)據(jù)相同，則一致。

表5 不同雨強下翻斗式雨量計與稱重式雨量計一致率

從表5可以看出來，雨強與兩種儀器測量結(jié)果的關系，雨強越小兩種儀器的每分鐘一致率越高，而雨強越大兩種儀器的每分鐘一致率越低；每次降水過程的時間越短，兩種儀器降水量的一致率越高，而降水過程時間越長，每分鐘降水一致率越低。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，雨強越強的降水過程時間再短，也同樣對兩種儀器每分鐘的降水測量一致率無影響，一致率不高；反而雨強越小的降水過程時間越長兩種儀器每分鐘降水測量一致率越高；而時間相同則雨強越小，一致率越高。

3 不同雨強測試

3.1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理

采用的數(shù)據(jù)是經(jīng)過一周時間來測試不同雨強對兩種儀器的響應。對兩種儀器分別做了兩組實驗，根據(jù)表6每組都有六種不同雨強的測試，每種雨強所取得測試的值分別是（按照小時累積降水量）：特大暴雨45毫米、大暴雨30毫米、暴雨15毫米、大雨8毫米、中雨4毫米、小雨2毫米，以這個值為標準的做測試。每次測試大約10-40分鐘，為了不同雨強的數(shù)據(jù)不混合，每次不同雨強的實驗間隔大約10分鐘左右，對兩種儀器測試的降水量分別統(tǒng)計，再次對比和分析。

表6 不同雨強下兩種儀器測試的數(shù)據(jù)

3.2 不同雨強下實驗數(shù)據(jù)的對比

筆者分別對每組測試做對比、分析，先對第一組測試實驗數(shù)據(jù)做對比，認定當測試值小于10毫米時，若差值小于0.4毫米，則一致；當測試值大于等于10毫米時，若差值百分率小于4%則一致[4]。

表7 不同雨強下兩種儀器測試的一致率（第一組）

從表7可見，翻斗式雨量計和稱重式雨量計的測試值與標準值的一致率很高，兩種儀器的測試值與標準值的一致率完全一致。只有大雨時的測試值與標準值不一致，所以大雨時的測試實驗存在一定的測量以及模擬時的人為誤差。證明兩種儀器在不同雨強時降水量測量結(jié)果的一致率很高，通過相對誤差的方法對比分析，相對誤差=（標準值-測試值）/標準值*100%.

從翻斗式雨量計測試值的相對誤差表可以看出，大雨時的相對誤差最大，而暴雨時的相對誤差最小，特大暴雨、大暴雨、中雨時的相對誤差相近，相差不大，但是小雨時的相對誤差偏高。

稱重式雨量計的相對誤差在小雨、大雨時的比較高，特大暴雨和大暴雨時相對誤差比較相近，但是比翻斗式雨量計的相對誤差要小一些，而暴雨和中雨的相對誤差高了一些，比翻斗式雨量計的相對誤差要高一倍或一倍以上。

經(jīng)過第一組測試實驗，再加上兩種不同雨強下兩種儀器的數(shù)據(jù)對比、分析。以標準值與測試值的一致率來看，不同雨強下兩種儀器測試的降水量幾乎一致。經(jīng)過相對誤差對不同雨強下兩種儀器降水量的測試值對比，發(fā)現(xiàn)特大暴雨和大暴雨時的測試值稱重式雨量計相對誤差更小，而除了大雨時相對誤差相等外，其他三種雨強下翻斗式雨量計測試值的相對誤差更小，而且小了一倍或一倍以上。

表8 不同雨強下兩種儀器測試的一致率（第二組）

測試的第二組的測試對比方法跟第一組一樣，一致性公式跟第一組一樣。

從表8可見，翻斗式雨量計的測試值與標準值的一致率很高，對比后的結(jié)果具有很高的可靠性。除了特大暴雨時的測試值與標準值不一致外，其他不同雨強下翻斗式雨量計的測試值與標準值一致。當然還是存在一些測試實驗時的人為誤差。

第二組稱重式雨量計的測試值與標準值一致率各占一半，而且跟不同雨強關系很大，雨強越強則越不一致，雨強越弱則越表現(xiàn)的一致，但是相差也不是很大。跟翻斗式雨量計降水測試值的一致率相比，稱重式雨量計降水測試值在大暴雨和暴雨時的一致率不相同。第二組實驗發(fā)現(xiàn)雨強越強則不一致，反而雨強越弱則越一致。

根據(jù)相對誤差的公式來對比翻斗式雨量計降水測試的測試值與標準值，從表8中可以看出翻斗式雨量計第二組測試值中大雨和中雨無誤差；而小雨時的相對誤差最大，暴雨時的相對誤差值也比較高，但是誤差小于5%.稱重式雨量計的測試值相對誤差都偏高，且都相近。相對誤差最大的是特大暴雨和大暴雨，而最小的是大雨。跟翻斗式雨量計相比，三個暴雨時的相對誤差都較大，而不同的是兩種儀器的大雨和中雨時相對誤差相差很大，翻斗式相對誤差更小。

4 結(jié)論

根據(jù)實際降水測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：在特大暴雨、暴雨、小雨時，兩種儀器的降水量測量值相同的時段更多，在大暴雨和大雨時翻斗式雨量計比稱重式雨量計測量的值更大一些；而在中雨時翻斗式雨量計的測量值又比稱重式雨量計測到的降水量小。在不同雨強時兩種儀器測量結(jié)果相同的更多，但翻斗式雨量計的降水測量值更高一些。

通過實驗得出，翻斗式雨量計測出的值與實際降水量一致率為83.33%，而稱重式雨量計一致率為66.66%.翻斗式雨量計一致率更高一些，翻斗式雨量計的相對誤差比稱重式雨量計的相對誤差更小。

經(jīng)過實測的降水量和人工模擬降水實驗分析得出，翻斗式雨量計測出的降水量值與實際降水一致率比稱重式雨量計略高一些，相對誤差小。