基于CFD定量評(píng)估雨量筒的風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)

鄭景元 鄧宇 劉文星

摘 要：本研究基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真對(duì)雨量筒風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行定量評(píng)估，分析傳統(tǒng)雨量筒在不同風(fēng)速和雨滴粒徑下的雨滴收集效率和誤差來(lái)源。結(jié)果表明，通常有風(fēng)、小雨的情況下，傳統(tǒng)雨量筒的收集效率隨風(fēng)速增大而降低，隨雨滴粒徑的增大而增大，這可以為自動(dòng)氣象站降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雨量筒;風(fēng)場(chǎng)效應(yīng);雨滴粒徑;雨滴收集效率

中圖分類號(hào)：TU119.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）14-0140-03

Abstract： Based on computational fluid dynamics （CFD） simulation， the wind field effect of the rain gauge is quantitatively evaluated， and the raindrop collection efficiency and error source of the traditional rain gauge under different wind speeds and raindrop sizes are analyzed in this study. The results show that under the conditions of wind and light rain， the collection efficiency of the traditional rain gauge decreases with the increase of wind speed， and increases with the increase of the size of raindrops， which can provide an important reference for improving the accuracy of the precipitation observation data of automatic weather stations..

Keywords： rain gauge;wind field effect;raindrop size;raindrop collection efficiency

降水量是天氣預(yù)報(bào)中的一個(gè)重要參數(shù)，高質(zhì)量的降水資料可以為水資源利用及災(zāi)害預(yù)警的計(jì)算和分析提供可靠依據(jù)。隨著氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)體系的全面建設(shè)，自動(dòng)氣象站基本使用翻斗式雨量傳感器開展液態(tài)降水地面觀測(cè)業(yè)務(wù)，但是翻斗式雨量傳感器的測(cè)量誤差比其他氣象觀測(cè)儀器高，導(dǎo)致獲取的降水量數(shù)據(jù)不夠精確。迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多氣象學(xué)者對(duì)于地面降水量測(cè)量做了多方面的誤差分析。王展宏分析了翻斗式雨量計(jì)誤差產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上，提出調(diào)整翻斗感量、減小翻斗傾角、增大承雨口面積等措施，從理論上解決了翻斗式雨量計(jì)誤差偏大的問(wèn)題[1]。李耀寧等根據(jù)北京朝陽(yáng)氣象站近幾年的雨量測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了各種雨量計(jì)在不同降水情況下產(chǎn)生誤差的原因以及儀器本身性能和不可預(yù)見(jiàn)故障造成的誤差[2]。蔡釗等通過(guò)數(shù)值模擬指出雨量計(jì)器口上方是風(fēng)場(chǎng)畸變的主要區(qū)域，并嘗試改進(jìn)Alter防風(fēng)圈來(lái)提高降水收集率[3]。黎明琴等指出，由于風(fēng)場(chǎng)變形，普通雨量器對(duì)雨和雪的收集率分別偏少2%～10%和10%～50%[4]。目前，國(guó)內(nèi)研究主要集中于各類雨量計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。本文主要采用CFD仿真定量評(píng)估雨量筒的風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)，直觀地展現(xiàn)降水量測(cè)量誤差。

1 傳統(tǒng)雨量筒的風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)及訂正方法

當(dāng)前，我國(guó)各地廣泛使用雨量筒，其本身作為外部高出地面、內(nèi)部存在空洞的柱體，一定程度上改變了四周地形，進(jìn)而影響四周的風(fēng)場(chǎng)。針對(duì)不同防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)在翻斗雨量計(jì)觀測(cè)時(shí)對(duì)風(fēng)場(chǎng)變形誤差的預(yù)防作用，朱君等從降水總量隨風(fēng)速波動(dòng)的變化、設(shè)備間的均方差及其相關(guān)系數(shù)和觀測(cè)時(shí)間靈敏度等方面對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)表明，不同防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的翻斗式雨量計(jì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)變形誤差的預(yù)防作用存在一定差異，其中，SMALLDIFR翻斗式雨量計(jì)具有更高的時(shí)間靈敏性，在雨量比較大時(shí)，偏斜式雨量計(jì)更優(yōu)[5]。降水期間，由雨量筒自身造成的風(fēng)場(chǎng)形變會(huì)進(jìn)一步影響周遭雨滴的下落路徑，從而使雨滴收集效率產(chǎn)生較大的誤差。風(fēng)場(chǎng)變形誤差模擬效果如圖1所示。

試驗(yàn)表明，風(fēng)場(chǎng)變形誤差方面，筒的外部形變約占總誤差的70%，筒的內(nèi)部形變約占總誤差的30%，特別在大風(fēng)環(huán)境下，所獲得的降水量測(cè)量值準(zhǔn)確性大大降低。目前，減少或消除風(fēng)場(chǎng)變形誤差的方法是在雨量筒的外圍加裝大型擋風(fēng)圈，且與雨量筒本體保持獨(dú)立并分離。但是，大型擋風(fēng)圈占地面積大，裝置笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝要求高，在地勢(shì)崎嶇、地質(zhì)松軟或大風(fēng)環(huán)境地區(qū)適用性較低。

2 模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

雨滴直徑范圍為0.1～6.0 mm，由于風(fēng)場(chǎng)變形主要影響尺寸較小的雨滴的收集，且極小的雨滴所造成的降水量非常小，因此本文利用SolidWorks軟件的Flow Simulation功能進(jìn)行流體力學(xué)分析。首先模擬并比較了風(fēng)速為0～12 m/s、雨滴直徑為0.3～1.0 mm時(shí)雨量筒的雨滴收集率，具體結(jié)果如表1與圖2所示。

由表1、圖2不難看出，通常有風(fēng)情況下，雨量筒的收集效率隨雨滴粒徑的增大而增大;粒徑固定時(shí)，雨量筒的收集效率隨風(fēng)速的增大而減小，但同時(shí)也存在風(fēng)場(chǎng)使降水量增多的情況。此外，當(dāng)雨滴直徑大于0.7 mm時(shí)，不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)降水收集效率的影響不大，雨滴直徑為1 mm下的收集效率已接近1。為驗(yàn)證此結(jié)論，下面模擬較大粒徑（2～6 mm）下雨量筒的雨滴收集率，結(jié)果如表2與圖3所示。

模擬結(jié)果表明，風(fēng)速為0～12 m/s，雨滴粒徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時(shí)，雨量筒的降水收集效率在1附近徘徊，風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)造成的收集誤差顯著減小。

3 結(jié)論

研究表明，風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)會(huì)顯著降低雨量筒的雨滴收集效率，特別是在小粒徑、大風(fēng)速的情況下造成的誤差很大，而當(dāng)雨滴直徑大于1 mm時(shí)，由風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)造成的誤差顯著減小，甚至可以忽略。實(shí)際上，風(fēng)速很大且雨滴很小的情況較少。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)造成的誤差保持在2%～10%。這種雨量筒的風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致降水量收集數(shù)據(jù)不夠精確，影響降水地面觀測(cè)業(yè)務(wù)。本研究成果可以為降水誤差的校準(zhǔn)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王展宏.翻斗式雨量計(jì)的誤差分析與改進(jìn)[J].水利信息化，2012（4）：53-56.

[2]李耀寧，陶立新，黃湘.不同雨量計(jì)測(cè)值誤差分析[J].氣象科技，2011（5）：670-672.

[3]蔡釗，劉九夫，李薛剛，等.風(fēng)場(chǎng)對(duì)雨量計(jì)收集降水影響的流體動(dòng)力學(xué)研究[J].水利水電科技進(jìn)展，2019（6）：17-23.

[4]黎明琴，任芝花，鄒耀芳.橫向雨量器的設(shè)計(jì)及由風(fēng)引起的降水測(cè)量誤差訂正[J].應(yīng)用氣象報(bào)，2001（2）：188-195.

[5]朱君，曹曉鐘，雷勇，等.不同防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)雨量計(jì)的觀測(cè)差異[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）：365-369.