兩種降水觀測(cè)儀實(shí)測(cè)液態(tài)降水對(duì)比分析

王 杰，蔡仕博，楊 豪，孫海波，辛 欣，聞 丹

(1.寧波市鄞州區(qū)氣象局，寧波 315100；2.寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波 315012；3.寧波市北侖區(qū)氣象局，寧波 315800)

0 引言

降水指的是從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)(經(jīng)融化后)的水，降水觀測(cè)包括降水量的觀測(cè)和降水強(qiáng)度的觀測(cè)[1]。目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，降水觀測(cè)方式越來(lái)越多樣化，衛(wèi)星、雷達(dá)[2-17]、雨滴譜儀[18-22]均可用于觀測(cè)降水。中國(guó)氣象臺(tái)站觀測(cè)降水以稱重降水傳感器和翻斗式雨量傳感器為主。許多專家和學(xué)者對(duì)這兩種設(shè)備進(jìn)行了大量研究和分析[23-27]。

自2014-01-01起鄞州國(guó)家基本氣象站(以下簡(jiǎn)稱鄞州站)正式啟用DSC1型稱重降水傳感器，4-10月以SL3-1型翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的降水量為準(zhǔn)，稱重作為備份；11-3月以稱重降水傳感器為準(zhǔn)，翻斗作為備份，實(shí)現(xiàn)了全年降水的自動(dòng)化觀測(cè)。稱重降水傳感器實(shí)現(xiàn)了降水(包括固態(tài)、液態(tài)和混合降水)自動(dòng)化觀測(cè)，減輕了觀測(cè)人員工作量；翻斗式雨量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，得到了廣泛的應(yīng)用。文章對(duì)2016—2020年鄞州站稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探究稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器測(cè)雨性能，探索兩者差異，以期有效發(fā)揮降水?dāng)?shù)據(jù)價(jià)值。

1 降水資料選取

文章使用的是2016—2020年鄞州站稱重與翻斗式雨量傳感器觀測(cè)的液態(tài)降水?dāng)?shù)據(jù)，剔除兩種儀器故障、微量降水、固態(tài)和混合態(tài)等降水，只保留有效降水(降水量≥0.1 mm)的過(guò)程降水量進(jìn)行對(duì)比分析。兩種降水量觀測(cè)儀器均安裝在鄞州站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)。

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

稱重降水傳感器主要由承水口、盛水桶、稱重單元、信號(hào)處理單元、外殼、基座、底盤和防風(fēng)圈等組成。通過(guò)測(cè)量落到盛水桶中降水的質(zhì)量，根據(jù)水的密度換算成降水的體積，再根據(jù)承水口面積計(jì)算出盛水桶中收集的降水總量，計(jì)算相鄰2 min降水總量的差值，得到分鐘降水量。儀器承水口直徑200 mm，承水口高度150 cm，容量600 mm，分辨力0.1 mm，最大允許誤差±0.3 mm(降水量≤10 mm)或者±3%(降水量>10 mm)。

翻斗式雨量傳感器主要由承水口、承水器、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成。當(dāng)翻斗有0.1 mm降水時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)1次，干簧管瞬間磁化閉合，完成1次0.1 mm降水信號(hào)輸出，采集器因此自動(dòng)采集到0.1 mm的降水量。儀器承水口直徑200 mm，承水口高度70 cm，測(cè)量范圍0～4 mm/min，分辨力0.1 mm，最大允許誤差±0.4 mm，降水量≤10 mm。

3 兩種降水傳感器測(cè)量液態(tài)降水差異分析

3.1 累計(jì)降水量差異

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016—2020年鄞州站稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)總降水量分別為7，216.7 mm和7，602.8 mm，總差值為-386.1 mm，相對(duì)誤差為-5.08%，稱重降水傳感器觀測(cè)的降水量小于翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的降水量。從每年來(lái)看，累計(jì)年降水量的差值分別是-22.4 mm、-51.3 mm、-93.8 mm、-63.9 mm和-154.7 mm，稱重降水傳感器的降水量均小于翻斗式(表1)。

表1 年累計(jì)降水量統(tǒng)計(jì)

3.2 季節(jié)降水量差異

鄞州氣候溫潤(rùn)，四季分明。鄞州站春季(3—5月)稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)總降水量分別為1，683.6 mm和1，774.6 mm，差值為-91.0 mm，相對(duì)誤差為-5.13%；夏季(6—8月)稱重與翻斗累計(jì)總降水量分別為3，016.8 mm和3，189.4 mm，差值為-172.6 mm，相對(duì)誤差為-5.41%；秋季(9—11月)稱重與翻斗累計(jì)總降水量分別為1，354.6 mm和1，431.7 mm，差值為-77.1 mm，相對(duì)誤差為-5.39%；冬季(12—2月)稱重與翻斗累計(jì)總降水量分別為1，161.7 mm和1，207.1 mm，差值為-45.4 mm，相對(duì)誤差為-3.76%。鄞州站4個(gè)季節(jié)稱重降水傳感器觀測(cè)的降水量均小于翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的量(表2)。

表2 分季降水量統(tǒng)計(jì)

3.3 月降水量差異

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，10月和11月稱重累計(jì)觀測(cè)降水量多于翻斗，其余10個(gè)月稱重累計(jì)觀測(cè)降水量少于翻斗；其中7月兩者差值最大，達(dá)到104.3 mm，相對(duì)誤差13.70%，11月差值最小，只有1.3 mm，相對(duì)誤差也僅0.45%。對(duì)月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，稱重比翻斗的月降水量平均偏小6.4 mm。

3.4 降水過(guò)程差異

中國(guó)氣象局規(guī)定了降水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此文章將1次過(guò)程的降水雨量數(shù)據(jù)按照小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(≥50.0 mm)4個(gè)等級(jí)進(jìn)行分類和對(duì)比，2016—2020年共觀測(cè)到1207次有效降水，其中小雨984次，中雨151次，大雨56次，暴雨16次，其中小雨次數(shù)最多，占81.5%，暴雨最少，只占1.3%。

在降水強(qiáng)度為小雨時(shí)，稱重降水傳感器和翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量分別為1，804.0 mm和1，896.4 mm，差值為-92.4 mm，相對(duì)誤差-4.87%；中雨時(shí)，稱重降水傳感器和翻斗雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量分別為2，213.7 mm和2，348.4 mm，差值為-134.7 mm，相對(duì)誤差-5.74%；大雨時(shí)，稱重降水傳感器和翻斗雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量分別為1，868.2 mm和1，974.8 mm，差值為-106.6 mm，相對(duì)誤差-5.40%；暴雨時(shí)，稱重降水傳感器和翻斗雨量傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量分別為1，330.8 mm和1，383.2 mm，差值為-52.4 mm，相對(duì)誤差-3.79%。從差值來(lái)看，4個(gè)等級(jí)中稱重降水傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量均小于翻斗式雨量傳感器的累計(jì)降水量，相對(duì)誤差較為均衡，其中暴雨的相對(duì)誤差最小，為-3.79%，小雨-4.87%，中雨-5.74%，大雨-5.40%。

3.5 降水過(guò)程起止時(shí)間差異

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在1207次有效降水過(guò)程中，稱重降水傳感器記錄有效降水比翻斗早的有155次，在同1 min有17次，晚的有1035次；稱重降水傳感器記錄降水結(jié)束時(shí)間比翻斗式雨量傳感器早的有591次，在同1 min有232次，晚的有384次。計(jì)算后得出，稱重降水傳感器記錄有效降水出現(xiàn)時(shí)間平均比翻斗式雨量傳感器的時(shí)間晚5.3 min，記錄降水結(jié)束時(shí)間要晚0.3 min。稱重和翻斗記錄有效降水開始時(shí)間的差值有969次在±10 min以內(nèi)，占80.3%，369次在±5 min以內(nèi)，118次在±2 min以內(nèi)，有17次在同1 min開始；結(jié)束時(shí)間的差值有938次在±10 min以內(nèi)，占77.7%，662次在±5 min以內(nèi)，409次在±2 min以內(nèi)，有232次在同1 min結(jié)束?？傮w來(lái)說(shuō)，稱重和翻斗記錄有效降水起止時(shí)間較為同步，大部分在±10 min內(nèi)。

4 降水?dāng)?shù)據(jù)差異分析

根據(jù)上述分析，兩種降水觀測(cè)儀器在原理和結(jié)構(gòu)上均存在不同，因此，在實(shí)際觀測(cè)業(yè)務(wù)中采集到的降水?dāng)?shù)據(jù)有差異是正常的。

4.1 結(jié)構(gòu)性能和觀測(cè)原理不同

稱重降水傳感器安裝高度為150 cm，翻斗為70 cm，安裝高度不相同，觀測(cè)記錄到的降水?dāng)?shù)據(jù)也會(huì)存在差異。同時(shí)翻斗雨量傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降水匯集時(shí)間長(zhǎng)，降水經(jīng)匯集漏斗流入計(jì)量翻斗時(shí)，有時(shí)降水下落的動(dòng)量因素造成翻斗內(nèi)水量不足0.1 mm時(shí)就翻轉(zhuǎn)，從而使翻斗記錄的降水?dāng)?shù)據(jù)偏多。

4.2 空間差異

降水量在空間分布上不均勻，降水具有較大的局地性和隨機(jī)性。雖然這兩種降水傳感器安裝在同一觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，但仍有一定的距離，空間位置并不完全一致，同時(shí)降水也有局地性，如此情況下大概率會(huì)引起觀測(cè)的偏差。

4.3 風(fēng)的影響

有研究表明，降水觀測(cè)受風(fēng)影響引起的誤差大小與降水儀器安裝高度、收集口大小、形狀、風(fēng)速、降水粒子大小及降水類型有關(guān)。稱重降水傳感器承水口邊緣有防風(fēng)圈，可以減小由于大風(fēng)影響造成的誤差，提高了稱重降水傳感器在大風(fēng)條件下的捕獲能力。而翻斗式雨量傳感器無(wú)防風(fēng)圈，在大風(fēng)天氣時(shí)誤差將會(huì)大于稱重降水傳感器。

4.4 水分濺入濺出誤差等影響

在冬季，臺(tái)站需要給稱重降水傳感器添加防凍液和蒸發(fā)抑制油，用來(lái)防止盛水桶內(nèi)水結(jié)冰和有效抑制水分蒸發(fā)，而翻斗式雨量傳感器沒有添加。稱重口徑與翻斗一致，但盛水筒較翻斗大，不易造成濺入濺出的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章利用2016—2020年鄞州站降水觀測(cè)資料來(lái)分析研究稱重和翻斗式雨量傳感器的測(cè)雨性能，得出以下結(jié)論：

1)稱重降水傳感器觀測(cè)到的降水量要小于翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的降水量，相對(duì)誤差為-5.08%。

2)分季節(jié)來(lái)看，稱重降水傳感器4個(gè)季節(jié)觀測(cè)的降水量均小于翻斗式雨量傳感器觀測(cè)到的降水量，相對(duì)誤差分別為-5.13%、-5.41%、-5.39%和-3.76%。

3)分月來(lái)看，稱重比翻斗觀測(cè)到的月降水量平均偏小6.4 mm。10月和11月稱重累計(jì)觀測(cè)降水量要多于翻斗，其余10個(gè)月稱重累計(jì)觀測(cè)降水量均少于翻斗；其中7月兩者相對(duì)誤差最大，達(dá)到13.70%，11月最小，僅0.45%。

4)降水強(qiáng)度為小雨、中雨、大雨和暴雨時(shí)，稱重降水傳感器觀測(cè)到的累計(jì)降水量均小于翻斗式雨量傳感器的累計(jì)降水量，相對(duì)誤差分別為-4.87%，-5.74%，-5.40%和-3.79%，較為均衡。

5)稱重降水傳感器記錄有效降水出現(xiàn)時(shí)間平均比翻斗式雨量傳感器的時(shí)間晚5.3 min，記錄降水結(jié)束時(shí)間晚0.3 min，起止時(shí)間差值主要集中在±10 min以內(nèi)，其中有969次開始時(shí)間在±10 min以內(nèi)，占80.3%，結(jié)束時(shí)間的差值有938次在±10 min以內(nèi)，占77.7%，總體來(lái)看起止時(shí)間較為同步。

6)造成兩種降水觀測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)差異主要是因?yàn)閮煞N儀器結(jié)構(gòu)性能和觀測(cè)原理不同，同時(shí)空間差異和風(fēng)、水分濺入濺出所造成的誤差也會(huì)對(duì)降水量的觀測(cè)造成影響。