幾種自記式雨量計(jì)之間的對(duì)比及測(cè)量的誤差分析
《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中明確規(guī)定，降水是指從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)的水，降水觀測(cè)包括降水量和降水強(qiáng)度的觀測(cè)。自動(dòng)氣象站觀測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)是我國(guó)地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要手段。不同自記式雨量計(jì)的研究，是氣象觀測(cè)研究的重要組成部分。黨選發(fā)等發(fā)現(xiàn)自記式雨量計(jì)之間的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同因而在不同降水強(qiáng)度中都會(huì)出現(xiàn)不同程度的誤差，研究了自動(dòng)氣象站雨量傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法。李興寶等研究開(kāi)發(fā)了自動(dòng)氣象站與自動(dòng)雨量站的氣象服務(wù)、監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。目前，在本站所使用的雨量觀測(cè)儀器中，虹吸式自記式雨量計(jì)作為雙翻斗遙測(cè)自記式雨量計(jì)的備份儀器，隨著自動(dòng)站雨量傳感器在精度和性能等方面通過(guò)了試運(yùn)行階段后，雙翻斗遙測(cè)自記式雨量計(jì)又開(kāi)始作為自動(dòng)站雨量傳感器的備份儀器。
本文從降水強(qiáng)度和測(cè)量方式產(chǎn)生的誤差、儀器維護(hù)和安裝不當(dāng)產(chǎn)生的誤差、自然條件產(chǎn)生的誤差等幾方面，分析了北京朝陽(yáng)氣象站雨量測(cè)量工作中常見(jiàn)的一些問(wèn)題以及引起問(wèn)題的原因，并探討了雨量測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生異常情況下的處理方法。
１ 測(cè)值誤差分析
１．１ 降水強(qiáng)度和測(cè)量方式產(chǎn)生的誤差遙測(cè)自記式雨量計(jì)、雨量傳感器均采用了帶有節(jié)流管裝置的匯集翻斗，因?yàn)橛辛斯?jié)流裝置，這在很大程度上減小了強(qiáng)降雨的影響。但是在降雨強(qiáng)度突然變大時(shí)，翻斗翻動(dòng)時(shí)需要反應(yīng)時(shí)間，致使另一翻斗盛滿水時(shí)還來(lái)不及翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生計(jì)量誤差，由此產(chǎn)生的計(jì)量誤差與雨強(qiáng)呈正相關(guān)。針對(duì)降雨強(qiáng)度大時(shí)誤差大的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，其原因可能是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度大時(shí)，上翻斗流入計(jì)量翻斗的水速會(huì)非�？�，導(dǎo)致計(jì)量翻斗在一次翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，水未流盡時(shí)，上翻斗又有水流入計(jì)量翻斗，使得計(jì)量翻斗回到原位。這樣流入計(jì)量翻斗的雨量就小于０．１ｍｍ，導(dǎo)致遙測(cè)自記式雨量計(jì)水量大于實(shí)際降水量。并且由于水未排盡，計(jì)量翻斗的水量很快又達(dá)到相當(dāng)雨量０．１ｍｍ以致再次翻動(dòng)形成連跳現(xiàn)象。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)積累，這種情況產(chǎn)生的誤差一般在４％允許范圍內(nèi)。
表一 雨量降水量數(shù)據(jù)
從儀器的工作原理上分析，遙測(cè)自記式雨量計(jì)、雨量傳感器測(cè)量降水量的數(shù)值應(yīng)當(dāng)比較接近，但是由于儀器本身性能上的差別，仍會(huì)有較大誤差出現(xiàn)。以北京朝陽(yáng)站２００８年８月１１日降水記錄數(shù)據(jù)為例，１０日２０：００至１１日０８：００各自記式雨量計(jì)測(cè)量記錄累計(jì)量見(jiàn)表１。
由于朝陽(yáng)站屬于國(guó)家一般氣象站，夜間不守班，從自計(jì)記錄上看，夜間只有１０日２３：００—２４：００降水記錄為０．０ｍｍ，夜間濕度基本維持在９０％左右，風(fēng)速在２．ｍ／ｓ上下，可以忽略人工觀測(cè)降水量中夜間蒸發(fā)量的影響。通過(guò)對(duì)４個(gè)降水量數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，遙測(cè)自記式雨量計(jì)的數(shù)據(jù)明顯偏低，超過(guò)４％的誤差允許范圍，此次遙測(cè)自記式雨量計(jì)的數(shù)據(jù)不具有可用性。在４個(gè)自記式雨量計(jì)當(dāng)中，只有雨量器數(shù)據(jù)的采集全部依賴(lài)人工，也正是由于雨量器的觀測(cè)方法和觀測(cè)時(shí)間的特殊性，雨量器出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象比較頻繁，但是性能穩(wěn)定，日常維護(hù)簡(jiǎn)單，在不考慮蒸發(fā)和測(cè)量時(shí)間的情況下，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在夏季只有少量降水過(guò)程中，溫度較高、有風(fēng)、在降水過(guò)程中濕度較小以及降水出現(xiàn)在夜間的情況下，由于蒸發(fā)的影響，會(huì)導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)偏小；在正點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)雨量較大時(shí)，在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中會(huì)有部分雨水不能采集，從而使測(cè)得的數(shù)據(jù)偏小；夏季陣雨天氣需要增加降水?dāng)?shù)據(jù)采集的次數(shù)，每次數(shù)據(jù)采集都會(huì)有部分水滴留在儲(chǔ)水瓶?jī)?nèi)，讀取量杯數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)四舍五入的情況會(huì)導(dǎo)致±０．１～０．２的誤差，但是由于儀器本身性能穩(wěn)定，誤差在允許范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)不可用的情況。
表二 8月1日和19日 25日降水信息
１．２儀器維護(hù)和安裝不當(dāng)產(chǎn)生的誤差如表２所示，２００９年８月１日和１９日兩次降雨過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各種自記式雨量計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雨量傳感器測(cè)量的數(shù)值明顯偏大，通過(guò)對(duì)儀器的檢查得出，誤差的產(chǎn)生是由于傳感器調(diào)節(jié)螺母松動(dòng)造成的，也就是計(jì)數(shù)翻斗在承接到不到０．１ｍｍ的降水量的時(shí)候就開(kāi)始翻動(dòng)，產(chǎn)生０．１ｍｍ降水量的記錄，從而使記錄明顯偏大，超過(guò)４％的誤差允許范圍，此次雨量傳感器的數(shù)據(jù)不具有可用性。相反，由于轉(zhuǎn)軸的摩擦，以及翻斗沾水或泥沙的影響都會(huì)阻礙翻斗翻動(dòng)，同樣造成雨量誤差。
８月１日的虹吸式自記式雨量計(jì)數(shù)據(jù)較大，由于虹吸自記式雨量計(jì)儀器本身沒(méi)有出現(xiàn)故障，因此判斷誤差是由于筆尖在上升過(guò)程中的慣性導(dǎo)致，又因?yàn)檎`差在４％允許的范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)可用，這種誤差在強(qiáng)降雨過(guò)程中是不可避免的。通過(guò)對(duì)雨量傳感器的維修調(diào)試，２５日的降水量誤差明顯減少。降水量數(shù)據(jù)顯示，２５日的降水強(qiáng)度小，虹吸自記式雨量計(jì)與其他自記式雨量計(jì)測(cè)量數(shù)值一致。因此在每次降水過(guò)程開(kāi)始之前要注意對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)，在降水之后要對(duì)所收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，得出誤差出現(xiàn)的原因，及時(shí)進(jìn)行 維修調(diào)試，以保證下次數(shù)據(jù)的可用性�！兜孛鏆庀笥^測(cè)規(guī)范》中明確要求，雨量器安裝在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)固定的架子上，器口保持水平，距地面高７０ｃｍ。因此，器口是否水平也可以造成較大誤差。在靜風(fēng)降水的條件下，器口傾斜的儀器測(cè)得的降水量要小于器口水平的儀器；在風(fēng)速較大，且器口傾斜于風(fēng)的來(lái)向時(shí)，測(cè)得的降水量就會(huì)偏大，反之較小。在降水量較�。ㄐ∮冢保埃恚恚⿻r(shí)，兩者的差距并不明顯。這種誤差如果在每個(gè)正在使用的自記式雨量計(jì)中同時(shí)出現(xiàn)，就很難意識(shí)到數(shù)據(jù)中的問(wèn)題。另外，保持儀器的清潔也很重要。雨量監(jiān)測(cè)儀被堵或者雨量器的儲(chǔ)水瓶中沾滿灰塵都會(huì)導(dǎo)致誤差出現(xiàn)。因此在日常的儀器維護(hù)中，觀測(cè)員要時(shí)刻做到認(rèn)真、仔細(xì)觀察每一種儀器的變化，及時(shí)根據(jù)規(guī)范要求清潔儀器。
１．３自然條件產(chǎn)生的誤差降水在空中分布是不均勻的，各雨量測(cè)量?jī)x器在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的擺放也有一定的距離，當(dāng)降水出現(xiàn)明顯分布不均勻時(shí)，各雨量器的測(cè)量結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。雨量的測(cè)量也受風(fēng)場(chǎng)影響，由于雨量器高出地面，風(fēng)對(duì)雨量器的繞流作用導(dǎo)致筒口上方出現(xiàn)局部的上升氣流，阻礙了雨滴落入筒口，造成降水量偏小，產(chǎn)生誤差。這種誤差會(huì)在４個(gè)雨量?jī)x器中同時(shí)出現(xiàn)，除非極特殊情況，否則很難從４個(gè)數(shù)據(jù)中分析出來(lái)，這樣就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去判斷儀器顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際降水量是否吻合。
２ 小結(jié)
（１）相同工作原理的儀器由于儀器本身的性能差異和不可預(yù)見(jiàn)的故障會(huì)造成較大誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用，因此備份儀器不可或缺。
（２）降雨強(qiáng)度突然變化的影響，自記式雨量計(jì)產(chǎn)生的誤差是不可避免的。
（３）人工雨量器的性能穩(wěn)定，在蒸發(fā)現(xiàn)象不明顯的時(shí)候，降水總量較其他自記式雨量計(jì)更具有可用性。
（４）日常儀器維護(hù)對(duì)減小誤差非常必要，值班員在工作中要善于發(fā)現(xiàn)、善于比較。
（５）在極端天氣影響下，降水量數(shù)據(jù)的偏差不可避免。
