雙翻斗與JSP-01A型智能雨量計(jì)比較實(shí)驗(yàn)分析

劉慧杰 舒大興 陸斌 吳歡

摘 ?要：為了適應(yīng)強(qiáng)降水觀測(cè)，在我國(guó)南方氣象部門(mén)同時(shí)使用0.1 mm和0.5 mm斗的雨量傳感器，而在水文部門(mén)0.5 mm斗的大翻斗雨量傳感器得到普遍采用。JSP-01A型智能雨量計(jì)綜合了0.1 mm與0.5 mm斗的優(yōu)勢(shì)，為了測(cè)試其與氣象部門(mén)普遍采用的0.1 mm雙翻斗雨量傳感器的性能差異，組織了比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)按2 mm/min、4 mm/min、

6 mm/min、10 mm/min雨強(qiáng)進(jìn)行，每個(gè)雨強(qiáng)實(shí)驗(yàn)3次取平均值，結(jié)果表明在2 mm/min、4 mm/min雨強(qiáng)時(shí)二者性能相當(dāng)，在雨強(qiáng)進(jìn)一步增大后雙翻斗測(cè)量值偏小增大，而JSP-01A型依舊穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙翻斗;JSP型雨量計(jì);比較

中圖分類號(hào)：P414 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

雙翻斗降水傳感器普遍應(yīng)用于地面氣象觀測(cè)自動(dòng)站中，常用型號(hào)為SL3-1型，其安裝高度為0.7 m（從承雨口平面至觀測(cè)場(chǎng)地面距離）。工作過(guò)程為：降水由直徑200 mm的集水器匯集，通過(guò)裝有護(hù)網(wǎng)的漏斗及其下端的引流管進(jìn)入上翻斗;通過(guò)上翻斗流入計(jì)量（計(jì)數(shù)）翻斗，當(dāng)翻斗承積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)（3.14 mL）翻轉(zhuǎn)一次;計(jì)數(shù)翻斗中部上端裝有一塊小磁鋼，磁鋼后面下面墻板上裝有塑料封裝的干簧管，計(jì)數(shù)翻斗翻倒一次使干簧開(kāi)關(guān)閉合一次，送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào);每一個(gè)信號(hào)表示降水量0.1 mm，經(jīng)采集器的MCU計(jì)算處理，得到相應(yīng)降水量值。

JSP-01A智能型雨量計(jì)安裝高度為0.7 m或1.2 m，組件是2個(gè)翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)稱重機(jī)構(gòu)，其翻斗感量分別為3.14 g（相當(dāng)于0.1 mm降雨量）和15.2 g（相當(dāng)于0.5 mm降雨量，考慮翻轉(zhuǎn)過(guò)程中有雨水流淌，翻斗感量比理論感量小0.5 g）。

控制器采集小翻斗和大翻斗的信號(hào)，并進(jìn)行邏輯判斷智能控制輸出高精度降雨量，同時(shí)將3個(gè)數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。這里的邏輯判斷可以有效地解決強(qiáng)降水時(shí)0.1 mm翻斗快速翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的掛水、溢出等導(dǎo)致翻斗水量出現(xiàn)偏差的情況，象0.1 mm翻斗翻了4次，但0.5 mm翻斗已經(jīng)開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，則雨量綜合判斷為0.5 mm，同理，小翻斗翻了6次，大翻斗才開(kāi)始翻1次，雨量仍計(jì)為0.5 mm。

從JSP型智能雨量計(jì)的設(shè)計(jì)可以看出，其相當(dāng)于0.1 mm翻斗和0.5 mm翻斗2臺(tái)設(shè)備，并具有智能計(jì)數(shù)功能，對(duì)大、小雨強(qiáng)具有廣泛適用性。2種儀器的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，2種設(shè)備雨強(qiáng)測(cè)量范圍都超出了地面氣象觀測(cè)規(guī)范要求的每分鐘4 mm，JSP-01A型在測(cè)量精度上比SL3-1型更優(yōu)。為了對(duì)兩者性能進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

從2種降水觀測(cè)設(shè)備的原理看，都是翻斗計(jì)數(shù)型，不同的是JSP-01A型針對(duì)大雨強(qiáng)增加了0.5 mm大翻斗設(shè)計(jì)，而SL3型雙翻斗只有0.1 mm翻斗，兩者的差別應(yīng)該在大雨強(qiáng)部分，因此，實(shí)驗(yàn)對(duì)0.5 mm/min雨強(qiáng)未考慮，僅對(duì)2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min雨強(qiáng)進(jìn)行比對(duì)。按照地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范，雙翻斗降水傳感器的測(cè)量范圍是0 mm/min～

4 mm/min，但6 mm/min雨強(qiáng)在短時(shí)強(qiáng)降水中也可能會(huì)出現(xiàn)，10 mm/min雨強(qiáng)在正常降水過(guò)程中極少出現(xiàn)，只有在漏斗堵塞疏通后會(huì)出現(xiàn)，可以說(shuō)是對(duì)翻斗型設(shè)備的極限考驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中每種雨強(qiáng)對(duì)比3次，取算術(shù)平均值，降水總量為10 mm，雨強(qiáng)控制使用專用校準(zhǔn)設(shè)備。

考慮SL3-1型翻斗雨量器自身沒(méi)有計(jì)數(shù)功能，采用自動(dòng)氣象站采集器計(jì)數(shù)，為了避免采集器采樣數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，實(shí)驗(yàn)提供2種計(jì)數(shù)結(jié)果：一種是翻斗雨量器設(shè)備自身計(jì)數(shù)，采用雨量校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器計(jì)算翻斗翻動(dòng)次數(shù)，換算成降水量;另一種是自動(dòng)氣象站通過(guò)采集器計(jì)數(shù)，由自動(dòng)站業(yè)務(wù)軟件（ISOS）輸出的降水量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2019年6月17日，對(duì)比實(shí)驗(yàn)由安徽分院、河海大學(xué)、安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心三方技術(shù)人員共同參與完成，結(jié)果見(jiàn)表2。

其中雨強(qiáng)分為2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min 4個(gè)強(qiáng)度。降水標(biāo)準(zhǔn)值為每次實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)際降水量值，均為10 mm。JSP型計(jì)數(shù)為JSP型智能雨量計(jì)綜合0.1 mm和0.5 mm 2種翻斗顯示的最終降水量值。標(biāo)準(zhǔn)偏離為測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值占標(biāo)準(zhǔn)值的百分比，即（測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值）÷標(biāo)準(zhǔn)值×100%。測(cè)量值偏小為負(fù)偏離，測(cè)量值偏大為正偏離。SL3-1型設(shè)備計(jì)數(shù)是翻斗設(shè)備外接雨量校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器顯示的干簧管導(dǎo)通次數(shù)對(duì)應(yīng)的降水量，即計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)次數(shù)×0.1 mm。SL3型系統(tǒng)計(jì)數(shù)是自動(dòng)氣象站采集器采集計(jì)數(shù)由觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件（ISOS）輸出的降水量。

3 分析與結(jié)論

3.1 常規(guī)雨強(qiáng)

在地面氣象觀測(cè)規(guī)范要求的4 mm/min雨強(qiáng)范圍內(nèi)，兩者都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，誤差在2%以內(nèi)。

3.2 超常規(guī)雨強(qiáng)

在地面氣象觀測(cè)規(guī)范要求的4 mm/min雨強(qiáng)之上，單從設(shè)備考慮，兩者仍然達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，最大誤差4%，而JSP-01A型略顯穩(wěn)定，誤差仍然控制在2%。但自動(dòng)氣象站采集器計(jì)數(shù)由觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件（ISOS）提供的最終降水量數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的負(fù)偏離，從6 mm/min雨強(qiáng)偏小6%，到10 mm/min雨強(qiáng)偏小至28%，呈現(xiàn)出降水強(qiáng)度越大，誤差越大的趨勢(shì)。

3.3 差值原因分析

如圖2所示，從超常規(guī)雨強(qiáng)自動(dòng)氣象站降水量最終采樣數(shù)據(jù)異常偏小，而翻斗雨量傳感器本身計(jì)數(shù)卻正?？梢钥闯觯`差原因存在于自動(dòng)站的采集計(jì)數(shù)部分。實(shí)驗(yàn)中6 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)站分鐘雨量最大達(dá)6.1 mm/min，而在10 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)站分鐘雨量最大只有4.0 mm/min，這說(shuō)明SL3-1型雙翻斗雨量傳感器本身可以正常測(cè)量10 mm/min雨強(qiáng)的降水，但自動(dòng)氣象站采集器只能允許6.1 mm/min左右的雨強(qiáng)，即

61次/min干簧管通斷計(jì)數(shù)，對(duì)于更加短暫的干簧管通斷間歇被忽略了，即在1秒鐘內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次只被計(jì)數(shù)為1次，這是造成強(qiáng)降水情況下自動(dòng)站降水量嚴(yán)重偏小的原因。

實(shí)驗(yàn)在超大雨強(qiáng)只選取了6 mm/min和10 mm/min 2種雨強(qiáng)，沒(méi)有做更多雨強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，但根據(jù)自動(dòng)站采樣1 s內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次只被計(jì)數(shù)為1次的誤差原因，可以推測(cè)出，在6 mm/min雨強(qiáng)以上，干簧管導(dǎo)通次數(shù)在60次/min以上，出現(xiàn)1 s內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次的次數(shù)在增加，即被忽略掉的干簧管導(dǎo)通次數(shù)在增加，所以隨著降水雨強(qiáng)的增大，降水量采樣值會(huì)偏小更多，變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SL3-1型雙翻斗降水傳感器和JSP-01A型智能雨量計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，可以看出JSP-01A型智能雨量計(jì)在10 mm/min雨強(qiáng)以內(nèi)技術(shù)性能穩(wěn)定，誤差在2%以內(nèi)，但由于0.1 mm翻斗與上匯集斗距離太近，在超強(qiáng)降水條件下，容易產(chǎn)生匯集斗水位過(guò)高頂托0.1 mm翻斗導(dǎo)致不計(jì)數(shù)的問(wèn)題;SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在10 mm/min雨強(qiáng)以內(nèi)技術(shù)性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，誤差最大4%，但自動(dòng)氣象站在6 mm/min雨強(qiáng)以上時(shí)采樣數(shù)據(jù)偏小超過(guò)了4%，10 mm/min雨強(qiáng)時(shí)偏小達(dá)28%，這是由于自動(dòng)站采集器忽略間歇較小的干簧管導(dǎo)通次數(shù)導(dǎo)致的，可以推測(cè)，更大的雨強(qiáng)會(huì)使采樣數(shù)據(jù)偏小更多。

自動(dòng)氣象站使用SL3-1型雙翻斗雨量傳感器能夠監(jiān)測(cè)每分鐘10 mm以內(nèi)的降水，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，找到了其在大雨強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)較大誤差的原因，如果能針對(duì)此原因采取措施改進(jìn)采集器端軟件，防止正常的干簧管計(jì)數(shù)被忽略，即可減小誤差，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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