稱重式雨雪量計與人工雨量器比測分析

王增凱，馬 超，李俊逸，潘 寧

(煙臺市水文中心，山東 煙臺 264001)

降水量是指從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)(經(jīng)融化后)水，未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失，而在水平面上積聚的深度[1]。降水量觀測是水文要素觀測的重要組成部分，目前降水量觀測主要有人工雨量器、翻斗式雨量計、稱重式雨雪量計觀測等方式。其中人工雨量器需要利用20 cm口徑的器具進行人工觀測，可以觀測雨、雪、雹等各類形式的降水量；翻斗式雨量計和稱重式雨雪量計為自記雨量計，通過機械裝置將降水量轉(zhuǎn)化為電訊號，可實現(xiàn)遠程遙測全天降水過程，大大減輕了人工工作量，但是稱重式雨雪量計較翻斗式雨量計的優(yōu)點在于能夠記錄雪、冰雹及雨雪混合降水。本文將以人工雨量器觀測數(shù)據(jù)為基準對稱重式雨雪量計降水量觀測數(shù)據(jù)進行比測分析。

1 地理位置及自然概況

1.1 測站控制情況

招遠水文站建成于1982年，位于山東省招遠市泉山街道，東經(jīng)120°24′、北緯37°21′，招遠水文站降水量1981年起測，屬于國家基本站。招遠水文站所在城東河為界河干流，流域形狀為扇形，流域面積98.6 km2，干流長度17.5 km。

界河發(fā)源于招遠市城區(qū)西南11.5 km齊山鎮(zhèn)鐵夼村西尖尖山西麓，流經(jīng)齊山鎮(zhèn)、羅峰街道、泉山街道、夢芝街道、張星鎮(zhèn)、辛莊鎮(zhèn)，從辛莊鎮(zhèn)東良村東北注入渤海，全長45 km，干流河寬100 m，流域面積576.8 km2，占全市總面積的40.25%，是市內(nèi)流域面積最大的河流，主要支流包括金泉河、羅山河、鐘離河、單家河等，流域內(nèi)河流總長270.5 km,河網(wǎng)密度0.47 km/km2。界河河流平均比降2.68‰，為典型季節(jié)性河流，且源短流急，暴漲暴落。

流域為典型的低山丘陵區(qū)，大部分區(qū)域海撥高程在60～200 m之間，屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，氣候溫和。流域降水年內(nèi)分配不均，冬春少，夏秋多，多年平均降水量為670.5 mm， 6-9月降水量占年總降水量的74.4%，非汛期僅占25.6%；多年平均蒸發(fā)量為1 100～1 250 mm，全年以偏南風(fēng)為主，冬季以偏北風(fēng)為主。

1.2 水文觀測場及儀器情況

水文站周圍地勢平坦，西面為河?xùn)|路、界河。水文觀測場位于招遠水文站院內(nèi)，院內(nèi)平整，土質(zhì)為砂土(輕亞粘土)。院內(nèi)種菜，對觀測場內(nèi)儀器觀測無影響，符合《降水量觀測規(guī)范》對場地的要求。

招遠水文站為全年駐測觀測，雨量比測儀器有2臺，分別為人工雨量器、OTT Pluvio2稱重式雨雪量計，口徑均為20 cm，安裝高度均為0.7 m，在比測試驗期間，2臺儀器均運行正常。人工觀測時間以北京時間為準，稱重式雨雪量計時鐘自動校時北京時間。

人工雨量器分辨率為0.1 mm，觀測精度滿足《降水量觀測規(guī)范》要求。OTT Pluvio2稱重式雨雪量計分辨力為0.1 mm，精度為±0.1 mm，降雨強度紀錄范圍為0.1～30 mm/min。

2 比測數(shù)據(jù)采集整理

比觀測采用2021年1-10月人工雨量器降水量數(shù)據(jù)與同時間稱重式雨雪量計降水量數(shù)據(jù)，本次比測過程只對降水量數(shù)據(jù)進行比對，不考慮降雨、降雪、雨夾雪等降水形式區(qū)別，比測數(shù)據(jù)詳見表1所列。

圖1 降水日數(shù)對比圖

3 數(shù)據(jù)對比分析

3.1 降水日數(shù)統(tǒng)計分析

通過分析人工雨量器及稱重式雨雪量計降水量數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)稱重式雨雪量計出現(xiàn)設(shè)備故障或其他原因造成的缺測、數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)明顯異常等問題，數(shù)據(jù)完整。

對稱重式雨雪量計降水日數(shù)一致性進行分析時采用，當(dāng)人工雨量器降水量≥0.1 mm、稱重式雨雪量計降水量為0，或者人工雨量器降水量為0、稱重式雨雪量計降水量≥0.1 mm時均視為不一致天數(shù)進行統(tǒng)計，否則視為一致[2]。對比結(jié)果見圖1。

表1 降水量比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過比測分析，結(jié)合圖1可知，1-9月份兩設(shè)備降水日數(shù)一致，10月份稱重式雨雪量計漏記1次0.2 mm有效降水。2021年1-10月份人工雨量器降水日數(shù)為81 d，稱重式雨雪量計為80 d，降水日數(shù)一致率為98.8%。

3.2 日降水量統(tǒng)計分析

參照《山東省水文年鑒資料整匯編補充規(guī)定》中關(guān)于降水量資料整編規(guī)定內(nèi)容，分兩種方法對日降水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計分析，其中：Pd<10.0 mm時，按照絕對誤差∣P稱-P人工∣≤0.4 mm的允許誤差進行統(tǒng)計分析；Pd≥10.0 mm時，按照相對誤差∣P稱-P人工∣/P人工≤4%的允許誤差進行統(tǒng)計分析。結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 Pd<10.0mm日降水量分析圖

圖3 Pd≥10.0mm日降水量分析圖

由圖2可知，Pd<10.0 mm共有61次，其中有59次符合允許誤差要求，合格率為96.7%。經(jīng)統(tǒng)計，零誤差8次，正誤差2次，負誤差51次，最大誤差為-0.5 mm出現(xiàn)2次。

由圖3可知，Pd≥10.0 mm共有20次，其中18次符合允許誤差要求，合格率為90.0%。經(jīng)統(tǒng)計，正誤差0次，負誤差20次，最大誤差為-4.18%。

3.3 月降水量統(tǒng)計分析

對2021年1-10月份月降水量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，按照《山東省水文年鑒資料整匯編補充規(guī)定》中關(guān)于月降水量的規(guī)定內(nèi)容進行分類比測分析，分析數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 降水量月統(tǒng)計比測分析

經(jīng)分析，結(jié)合表2可知，兩設(shè)備月降水總量PM均僅有1月份小于10.0 mm，2-10月份均超過10.0 mm；稱重式雨雪量計與人工雨量器月降水量統(tǒng)計平均絕對誤差為-3.3 mm，最大誤差集中在7、8月份；PM<10.0 mm時絕對誤差為-0.4 mm，在±0.4 mm以內(nèi)；PM≥10.0 mm時平均相對誤差為-3.5%，相對誤差均在±4%以內(nèi)。

3.4 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

點繪稱重式雨雪量計與人工雨量器2021年1-10月份降水量相關(guān)圖，詳見圖4。

圖4 稱重式雨雪量計與人工雨量器降水量相關(guān)圖

由圖4可知，稱重式雨雪量計與人工雨量器降水量點據(jù)分布良好，相關(guān)系數(shù)為1.031 3，說明稱重式雨雪量計較人工雨量器降水量數(shù)據(jù)系統(tǒng)偏小。相關(guān)圖回歸分析標(biāo)準差為0.999，截距為0.055 3可忽略不計，說明樣本數(shù)據(jù)非常接近直線關(guān)系，比測結(jié)果良好。

4 誤差分析

由于受到觀測場環(huán)境、氣候、儀器性能、安裝方式和人為因素等影響，在降水量觀測過程中存在一定的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。如夏季雨后人工雨量器未及時加測造成的蒸發(fā)損失，造成降水量偏小。而稱重式雨雪量計受氣候、環(huán)境等影響，可能出現(xiàn)因底座不平、周邊道路車輛行駛造成振動、飛蟲和灰塵落入等原因造成一定的誤差。此外，風(fēng)力、濺水、積雪漂移及測記過程等因素也是誤差的來源。

5 結(jié)語

通過比測分析2021年1-10月人工雨量器與稱重式雨雪量計降水量資料得出以下結(jié)論：

(1)降水日數(shù)分析，稱重式雨雪量計與人工雨量器一致率為98.8%，同步性較好，符合要求。

(2)日降水量分析，Pd<10.0 mm時，稱重式雨雪量計數(shù)據(jù)合格率為合格率為96.7%；Pd≥10.0 mm時，稱重式雨雪量計數(shù)據(jù)合格率為90.0%，均符合要求。

(3)月降水量分析，PM<10.0 mm時絕對誤差為-0.4 mm，在±0.4 mm以內(nèi)；PM≥10.0 mm時平均相對誤差為-3.5%，相對誤差均在±4%以內(nèi)，均符合要求。

(4)相關(guān)性分析，稱重式雨雪量計數(shù)據(jù)較人工雨量器數(shù)據(jù)偏小，兩設(shè)備數(shù)據(jù)相關(guān)性良好。

綜上，通過比測分析，招遠水文站OTT Pluvio2稱重式雨雪量計觀測數(shù)據(jù)符合有關(guān)規(guī)范要求，其準確性、穩(wěn)定性都滿足降水量觀測的使用要求。同時因其較高的精度，適應(yīng)液態(tài)、固態(tài)、固液混合等各類降水觀測需求，實時自動測報等功能，在經(jīng)過長時間資料分析及儀器調(diào)試后可在一定地區(qū)進行推廣使用，從而大大減輕人工觀測的工作量，為水文測報、數(shù)據(jù)采集等提供可靠的技術(shù)支撐。