貴陽站自動(dòng)與人工觀測(cè)降水量差異分析

吳有恒，閔昌紅，吳世美，張 杰，白永坤

(貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

0 引言

降雨資料在天氣預(yù)報(bào)、氣候分析中起著關(guān)鍵作用，應(yīng)用非常廣泛。貴陽基準(zhǔn)站從2003年開始使用翻斗式雨量傳感器自動(dòng)觀測(cè)降水量，2004—2012年自動(dòng)翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計(jì)同步觀測(cè)。2012年以后，全國氣象站降水量以自動(dòng)觀測(cè)為準(zhǔn)，虹吸自記觀測(cè)不再考核。但同年貴陽基準(zhǔn)站被定為長(zhǎng)期保留人工器測(cè)觀測(cè)任務(wù)的氣象臺(tái)站之一，恢復(fù)虹吸雨量計(jì)等人工器測(cè)自記記錄觀測(cè)任務(wù)。通過對(duì)本站長(zhǎng)期連續(xù)的3種觀測(cè)方式的降水資料進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)自動(dòng)與人工觀測(cè)差值的分布情況，分析系統(tǒng)偏差原因，以數(shù)據(jù)、圖表展現(xiàn)本站降水觀測(cè)中的誤差大小與分布，為今后雨量觀測(cè)設(shè)備維護(hù)、校準(zhǔn)等工作中提供參考。

1 資料和方法

1.1 儀器和資料

使用貴陽站自動(dòng)翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計(jì)2004—2020年同期(4—11月)觀測(cè)降水量進(jìn)行分析。3種觀測(cè)方式的承水器口徑都為20 cm口徑，安裝在同一觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)不同的位置，人工觀測(cè)無降水時(shí)，降水量為0，降雨量<0.05 mm時(shí)，用微量表示，自動(dòng)觀測(cè)無降水或降水量<0.1 mm時(shí)用0表示。

對(duì)自動(dòng)、人工、虹吸自記3種觀測(cè)方式的年、月、日降水量及自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量進(jìn)行對(duì)比，2004年11月未啟用虹吸雨量計(jì)，該月不作分析。氣象觀測(cè)項(xiàng)目除輻射、自動(dòng)觀測(cè)日照以地方平均太陽時(shí)24時(shí)為日界外，其余觀測(cè)項(xiàng)目均以北京時(shí)20時(shí)為日界?？缛战缃邓侵附邓^程持續(xù)至次日，人工定時(shí)觀測(cè)降水量在20時(shí)之前完成，但自動(dòng)觀測(cè)降水量在20時(shí)正點(diǎn)完成，所以該日自動(dòng)與人工觀測(cè)日降水量差值會(huì)很大，遇跨日界降水，就以過程降水累計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.2 方法

①由于自動(dòng)觀測(cè)用的翻斗雨量器比人工觀測(cè)用的雨量筒機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起降雨測(cè)量誤差的渠道更多[1]，故以人工雨量筒觀測(cè)記錄為準(zhǔn)，計(jì)算自動(dòng)和人工觀測(cè)差值。在《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[2]表3.1自動(dòng)氣象站技術(shù)性能要求表中，降水準(zhǔn)確度為0.4 mm(≤10 mm)，4%(>10 mm)，若自動(dòng)與人工觀測(cè)差值不在此范圍，則認(rèn)為偏差超常[3]。

②樣本容量較大時(shí)，假設(shè)自動(dòng)與人工觀測(cè)日降水量差值變量遵從正態(tài)分布。在顯著水平α=0.05下，若樣本的峰度系數(shù)g1、偏度系數(shù)g2滿足：|g1|>1.96Sg1、|g2|>1.96Sg2，則拒絕假設(shè)，變量不遵從正態(tài)分布。其中均方差：

(1)

(2)

式中n為樣本容量。

2 差異分析

2.1 年降水量對(duì)比

從17 a年降水量偏差均值來看，自動(dòng)分別比人工、虹吸自記測(cè)值偏大1.7%、2.2%，虹吸比人工測(cè)值偏小0.5%。從3種觀測(cè)方式年降水量差值段內(nèi)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)來看，偏差基本在±5%以內(nèi)，但2011年、2012年、2013年自動(dòng)比人工、虹吸自記測(cè)值偏差均大于5%，2012年偏差最大為8.5%。從17 a年降水量差值分布情況看(表2)，自動(dòng)大于人工觀測(cè)的年份占71%；自動(dòng)與人工觀測(cè)的年降水量差值在±5%以內(nèi)的年份占82%。

表1 年降水量偏差(單位：%)Tab.1 Annual precipitation deviation (unit:%)

注：D1=(自動(dòng)觀測(cè)值-雨量筒觀測(cè)值)/雨量筒觀測(cè)值，D2=(自動(dòng)觀測(cè)值-虹吸雨量計(jì)觀測(cè)值)/虹吸雨量計(jì)觀測(cè)值，D3=(虹吸雨量計(jì)觀測(cè)值-雨量筒觀測(cè)值)/雨量筒觀測(cè)值。下同。

表2 年降水量差值段內(nèi)的年數(shù)(d代表偏差程度)Tab.2 Number of years in the annual precipitation difference section (d represents the degree of deviation)

2.2 月降水量對(duì)比

對(duì)自動(dòng)、人工、虹吸自記觀測(cè)月降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(圖1)。3種觀測(cè)方式同期進(jìn)行的月份為每年的4—11月，去掉自動(dòng)、虹吸自記觀測(cè)出現(xiàn)故障的2個(gè)月，參與對(duì)比分析的同期月份有134個(gè)月。自動(dòng)比人工觀測(cè)偏大的月份為94個(gè)月，占總月份數(shù)的70.1%，自動(dòng)比虹吸自記觀測(cè)偏大的月份為98個(gè)月，占總月份數(shù)的73.1%，人工比虹吸自記觀測(cè)偏大的月份數(shù)為70個(gè)月，占總月份數(shù)的52.2%，偏差都集中在±5%以內(nèi)。134個(gè)月中有96個(gè)月自動(dòng)與人工觀測(cè)差值在±4%以內(nèi)，占比71.6%；有88個(gè)月自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)差值在±4%以內(nèi)，占比65.7%；有125個(gè)月人工與虹吸自記觀測(cè)差值在±4%以內(nèi)，占比93.3%，人工與虹吸自記測(cè)值最接近。

2.3 日降水量對(duì)比

從圖2可見，分布圖的中心稍微右偏，說明同一觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)不同位置進(jìn)行的自動(dòng)與人工雨量對(duì)比觀測(cè)，不僅存在降水量空間分布不均帶來的采樣差，還存在測(cè)量?jī)x器不同造成的系統(tǒng)偏差[4]。自動(dòng)比人工觀測(cè)的日降水量平均偏高0.13 mm，相對(duì)偏高1.53%；自動(dòng)比虹吸自記觀測(cè)的日降水量平均偏高0.2 mm，相對(duì)偏高2.35%；虹吸與人工觀測(cè)日降水量差值平均為0.0 mm。

圖1 月降水量差值段內(nèi)的月數(shù)Fig.1 Number of months in the monthly precipitation difference section

圖2 日降水量差值頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of daily precipitation difference

2.4 小時(shí)降水量偏差

2004—2020年4—11月間降水日數(shù)有2558 d，其中人工雨量筒觀測(cè)日降水量為微量0.0 mm的日數(shù)有576 d，2004年11月沒有啟用虹吸雨量計(jì)，剩余降水量>0.05 mm的日數(shù)有1973 d。

由誤差統(tǒng)計(jì)表(表3、表4)來看，日降水量≤10 mm的天數(shù)最多，占總降水日數(shù)的75.2%，其中自動(dòng)與人工觀測(cè)誤差在±0.4以外的天數(shù)在日降水量≤10 mm天數(shù)中占6.8%；日降水量>10 mm的天數(shù)占總降水日數(shù)的24.8%，其中自動(dòng)與人工觀測(cè)誤差在±4%以外的天數(shù)在日降水量>10 mm天數(shù)中占26.6%。自動(dòng)與虹吸自記測(cè)值相近但人工與自動(dòng)觀測(cè)差值較大，自動(dòng)、人工、虹吸自記三者觀測(cè)差值都較大的情況都作為異常數(shù)據(jù)不做分析，分別占1.3%(日降水量≤10 mm) 及4.7%(日降水量>10 mm)；剩余人工與虹吸自記觀測(cè)日降水量誤差在±0.4(±4%)以內(nèi)，但自動(dòng)與人工觀測(cè)日降水量差值在±0.4(±4%)以外且該日出現(xiàn)自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量差值也在±0.4(±4%)以外的天數(shù)分別占0.9%(日降水量≤10 mm)及13.9%(日降水量>10 mm)。

表3 日降水量(≤10 mm)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.3 Error statistics of daily precipitation(≤10 mm)

表4 日降水量(>10 mm)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.4 Error statistics of daily precipitation(>10mm)

表4中滿足條件|R1-R2|/R2>4%、|R2-R3|/R3≤4%、|r1-r2|/r2>4%的日數(shù)中自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量差值在±4%(±0.4)以外的時(shí)次，對(duì)自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量差值絕對(duì)值與小時(shí)降水量、分鐘最大雨強(qiáng)、降水持續(xù)時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析，皮爾遜相關(guān)系數(shù)依次為0.783**、0.474**、0.274**，可見小時(shí)降水量偏差超常時(shí)的差值絕對(duì)值與小時(shí)降水量呈高度正相關(guān)。

2.5 降水量偏差原因分析

2.5.1 空間采樣差 降水量在空間分布上存在不均勻性，即使安裝在相同觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)不同位置的同型號(hào)雨量器也會(huì)出現(xiàn)采樣誤差。經(jīng)過全國30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量站7 a對(duì)比試驗(yàn)[4]后發(fā)現(xiàn)，空間采樣差可通過多年平均或累加后濾掉。本站自動(dòng)翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計(jì)安裝在觀測(cè)場(chǎng)不同位置，同樣存在空間采樣差，但對(duì)于多次測(cè)量累計(jì)統(tǒng)計(jì)不受該誤差影響。

2.5.2 系統(tǒng)誤差 降水量觀測(cè)儀器構(gòu)造不同造成系統(tǒng)偏差。試驗(yàn)證明[4]，人工觀測(cè)用雨量筒系統(tǒng)誤差主要為承水口風(fēng)場(chǎng)變形誤差、盛水器和儲(chǔ)水瓶?jī)?nèi)壁的沾濕誤差，自動(dòng)翻斗雨量器及虹吸雨量計(jì)也存在上述2種系統(tǒng)誤差，但沒有儲(chǔ)水瓶?jī)?nèi)壁的沾濕誤差，自動(dòng)翻斗雨量器相比人工雨量筒機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起測(cè)量誤差的渠道更多。由圖3看出，自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量偏差超常時(shí)的差值集中在0.5～2.0 mm之間，正差值多于負(fù)差值，自動(dòng)翻斗計(jì)數(shù)受雨強(qiáng)影響很大，雨強(qiáng)較大時(shí)，翻斗慣性導(dǎo)致計(jì)數(shù)增多使得測(cè)值偏大；新儀器的翻斗有防水涂層，但使用多年的舊儀器涂層脫落使得翻斗沾水，翻斗承受的降水量還未到0.1 mm就翻轉(zhuǎn)，從而計(jì)數(shù)增多測(cè)值偏大。

圖3 自動(dòng)與虹吸觀測(cè)小時(shí)降水量差值絕對(duì)值、分鐘最大雨強(qiáng)與小時(shí)降水量的散布圖Fig.3 Absolute value of hourly precipitation difference between automatic and siphon observation, dispersion diagram of minute maximum rainfall intensity and hourly precipitation

2.5.3 儀器問題導(dǎo)致的偏差 從年降水量對(duì)比分析來看，2011年、2012年、2013年自動(dòng)測(cè)值相比人工測(cè)值分別偏大6.4%、8.1%、5.8%，查看偏差最大的2012年的逐日降水量資料，發(fā)現(xiàn)全年自動(dòng)站日降水量幾乎都大于人工測(cè)值，存在明顯誤差，這種系統(tǒng)偏差往往由觀測(cè)儀器引起[1,5-8]。

3 小結(jié)

利用貴陽站2004—2020年17 a的自動(dòng)、人工、虹吸自記同期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

①人工雨量筒與虹吸雨量計(jì)觀測(cè)值最接近，以人工雨量筒觀測(cè)值為準(zhǔn)計(jì)算自動(dòng)和人工觀測(cè)差值是可信的。

②自動(dòng)觀測(cè)年降水量大于人工觀測(cè)的年份占71%；自動(dòng)與人工觀測(cè)的年降水量差值在±5%以內(nèi)的年份占82%。

③自動(dòng)、人工、虹吸自記觀測(cè)日降水量差值不是正態(tài)分布，自動(dòng)比人工、虹吸自記觀測(cè)的日降水量平均偏高0.13 mm、0.2 mm。

④自動(dòng)與虹吸自記觀測(cè)小時(shí)降水量差值隨小時(shí)降水量增大而偏大。

⑤當(dāng)自動(dòng)與人工雨量觀測(cè)年降水量差值在±4%以外時(shí)，若全年自動(dòng)站日降水量幾乎都大于或小于人工測(cè)值時(shí)，說明自動(dòng)觀測(cè)儀器可能存在問題。

⑥觀測(cè)儀器定期維護(hù)很重要，每年需增加自動(dòng)翻斗雨量器校準(zhǔn)次數(shù)，確保示值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差在允許范圍內(nèi)。