兩種降水觀測儀實測液態降水對比分析

王 杰，蔡仕博，楊 豪，孫海波，辛 欣，聞 丹

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

0 引言

降水指的是從天空降落到地面上的液態或固態(經融化后)的水，降水觀測包括降水量的觀測和降水強度的觀測[1]。目前，隨著現代科學技術的蓬勃發展，降水觀測方式越來越多樣化，衛星、雷達[2-17]、雨滴譜儀[18-22]均可用于觀測降水。中國氣象臺站觀測降水以稱重降水傳感器和翻斗式雨量傳感器為主。許多專家和學者對這兩種設備進行了大量研究和分析[23-27]。

自2014-01-01起鄞州國家基本氣象站(以下簡稱鄞州站)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到的降水量為準，稱重作為備份；11-3月以稱重降水傳感器為準，翻斗作為備份，實現了全年降水的自動化觀測。稱重降水傳感器實現了降水(包括固態、液態和混合降水)自動化觀測，減輕了觀測人員工作量；翻斗式雨量傳感器結構設計簡單，維護方便，得到了廣泛的應用。文章對2016—2020年鄞州站稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器觀測數據進行對比分析，探究稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器測雨性能，探索兩者差異，以期有效發揮降水數據價值。

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的液態降水數據，剔除兩種儀器故障、微量降水、固態和混合態等降水，只保留有效降水(降水量≥0.1 mm)的過程降水量進行對比分析。兩種降水量觀測儀器均安裝在鄞州站觀測場內。

2 工作原理及技術參數

稱重降水傳感器主要由承水口、盛水桶、稱重單元、信號處理單元、外殼、基座、底盤和防風圈等組成。通過測量落到盛水桶中降水的質量，根據水的密度換算成降水的體積，再根據承水口面積計算出盛水桶中收集的降水總量，計算相鄰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、計量翻斗、計數翻斗和干簧管等組成。當翻斗有0.1 mm降水時，翻斗翻轉1次，干簧管瞬間磁化閉合，完成1次0.1 mm降水信號輸出，采集器因此自動采集到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 兩種降水傳感器測量液態降水差異分析

3.1 累計降水量差異

據統計，2016—2020年鄞州站稱重降水傳感器與翻斗式雨量傳感器觀測到的累計總降水量分別為7，216.7 mm和7，602.8 mm，總差值為-386.1 mm，相對誤差為-5.08%，稱重降水傳感器觀測的降水量小于翻斗式雨量傳感器觀測到的降水量。從每年來看，累計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 年累計降水量統計

3.2 季節降水量差異

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

表2 分季降水量統計

3.3 月降水量差異

經統計可知，10月和11月稱重累計觀測降水量多于翻斗，其余10個月稱重累計觀測降水量少于翻斗；其中7月兩者差值最大，達到104.3 mm，相對誤差13.70%，11月差值最小，只有1.3 mm，相對誤差也僅0.45%。對月降水數據進行統計分析，稱重比翻斗的月降水量平均偏小6.4 mm。

3.4 降水過程差異

中國氣象局規定了降水等級標準，因此文章將1次過程的降水雨量數據按照小雨(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個等級進行分類和對比，2016—2020年共觀測到1207次有效降水，其中小雨984次，中雨151次，大雨56次，暴雨16次，其中小雨次數最多，占81.5%，暴雨最少，只占1.3%。

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

3.5 降水過程起止時間差異

經統計，在1207次有效降水過程中，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束時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。計算后得出，稱重降水傳感器記錄有效降水出現時間平均比翻斗式雨量傳感器的時間晚5.3 min，記錄降水結束時間要晚0.3 min。稱重和翻斗記錄有效降水開始時間的差值有969次在±10 min以內，占80.3%，369次在±5 min以內，118次在±2 min以內，有17次在同1 min開始；結束時間的差值有938次在±10 min以內，占77.7%，662次在±5 min以內，409次在±2 min以內，有232次在同1 min結束。總體來說，稱重和翻斗記錄有效降水起止時間較為同步，大部分在±10 min內。

4 降水數據差異分析

根據上述分析，兩種降水觀測儀器在原理和結構上均存在不同，因此，在實際觀測業務中采集到的降水數據有差異是正常的。

4.1 結構性能和觀測原理不同

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，觀測記錄到的降水數據也會存在差異。同時翻斗雨量傳感器機械結構復雜，降水匯集時間長，降水經匯集漏斗流入計量翻斗時，有時降水下落的動量因素造成翻斗內水量不足0.1 mm時就翻轉，從而使翻斗記錄的降水數據偏多。

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性。雖然這兩種降水傳感器安裝在同一觀測場內，但仍有一定的距離，空間位置并不完全一致，同時降水也有局地性，如此情況下大概率會引起觀測的偏差。

4.3 風的影響

有研究表明，降水觀測受風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、風速、降水粒子大小及降水類型有關。稱重降水傳感器承水口邊緣有防風圈，可以減小由于大風影響造成的誤差，提高了稱重降水傳感器在大風條件下的捕獲能力。而翻斗式雨量傳感器無防風圈，在大風天氣時誤差將會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，臺站需要給稱重降水傳感器添加防凍液和蒸發抑制油，用來防止盛水桶內水結冰和有效抑制水分蒸發，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 結束語

文章利用2016—2020年鄞州站降水觀測資料來分析研究稱重和翻斗式雨量傳感器的測雨性能，得出以下結論：

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

2)分季節來看，稱重降水傳感器4個季節觀測的降水量均小于翻斗式雨量傳感器觀測到的降水量，相對誤差分別為-5.13%、-5.41%、-5.39%和-3.76%。

3)分月來看，稱重比翻斗觀測到的月降水量平均偏小6.4 mm。10月和11月稱重累計觀測降水量要多于翻斗，其余10個月稱重累計觀測降水量均少于翻斗；其中7月兩者相對誤差最大，達到13.70%，11月最小，僅0.45%。

4)降水強度為小雨、中雨、大雨和暴雨時，稱重降水傳感器觀測到的累計降水量均小于翻斗式雨量傳感器的累計降水量，相對誤差分別為-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時間平均比翻斗式雨量傳感器的時間晚5.3 min，記錄降水結束時間晚0.3 min，起止時間差值主要集中在±10 min以內，其中有969次開始時間在±10 min以內，占80.3%，結束時間的差值有938次在±10 min以內，占77.7%，總體來看起止時間較為同步。

6)造成兩種降水觀測設備數據差異主要是因為兩種儀器結構性能和觀測原理不同，同時空間差異和風、水分濺入濺出所造成的誤差也會對降水量的觀測造成影響。