稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器在汛期捕獲降水量的差異研究

米凱

摘 要：本文根據新鄉(xiāng)氣象站2015—2017年各年4月至10月共21個月164個降水日的降水資料，對稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器的差異性進行分析，得出以下結論：稱重式降水傳感器比翻斗式降水傳感器統(tǒng)計的平均月降水量少0.69mm，平均日降水量少0.32mm；稱重式降水傳感器捕獲的降水量開始時間滯后于翻斗式4.68min；稱重式降水傳感器與翻斗式日降水量呈線性相關，相關系數為0.998 3。

關鍵詞：降水量；稱重式降水傳感器；翻斗式降水傳感器；差異；相關性

中圖分類號：P414.95 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0149-03

The Difference of Precipitation between the Flood Season of

the Weighing and Tipping Precipitation Sensor

MI Kai

（Xinxiang Meteorological Bureau，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： In order to know more clearly the difference between weight relative and tilting rainfall sensors， we analyze the precipitation， precipitation data of 21 months of Xinxiang national basic weather stations in 2015-2017.Statistical methods were used to compare the daily precipitation and monthly precipitation captured by the two sensors and the error of the minute precipitation distribution during individual periods. The following conclusion was drawn： the average monthly precipitation of the weighing type precipitation sensor was less than that of the bucket type precipitation sensor， and the average monthly precipitation was less 0.69mm， and the level of the precipitation sensor was less than that of the inverted bucket type precipitation sensor. The average daily precipitation was less than 0.32mm， and the rainfall initial time of the weighing precipitation sensor lagged behind the bucket type 4.68min， and the weight type precipitation sensor was linearly correlated with the diurnal precipitation， and the correlation coefficient was 0.9983.

Keywords： precipitation；weighing gauge；tipping gauge；difference；correlation

隨著社會的不斷進步和發(fā)展及環(huán)境的變化，人們對天氣的預報和氣象災害的防御信息需求日益增加。天氣預報與預警服務的基礎數據來源于地面觀測，降水觀測是地面觀測最重要的項目之一。降水資料是氣候分析、氣候變化研究和數值天氣預報模式等方面的重要基礎資料[1]。降水包括固態(tài)、液態(tài)及混合態(tài)降水。對于冬季降水觀測自動化問題，中國氣象探測中心在2006年和2009年冬季兩次組織稱重式降水傳感器的考核實驗，并開展有關分析評估[2]，也有學者對自動站雨量計資料開展質量控制等方法進行研究[3]。本文從汛期液態(tài)降水的角度對稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器進行差異對比，從各方面找出降水量差異的原因，對今后進一步完善設備性能提供借鑒。

1 儀器的工作原理和觀測資料

新鄉(xiāng)氣象站當前使用的翻斗式降水傳感器即雙翻斗雨量傳感器，型號SL3-1。其承水口距地面70cm，口徑200mm，測量降水范圍為0～4mm/min，測量降水分辨率為0.1mm[4]。由承雨器收集的降水通過漏斗進入上翻斗，當雨水達到一定重量時，由于重力的作用使翻斗反轉，水便流入匯集漏斗。降水再從匯集漏斗的節(jié)流管注入計量翻斗，就把各種強度的液態(tài)降水調節(jié)為比較均勻的降水強度，以此減少由于降水強度不同而出現(xiàn)的觀測誤差。當計量翻斗所承接的降水量達到0.1mm時，計量翻斗就會把積累的降水傾倒入計數翻斗中，這樣計數翻斗就會發(fā)生一次翻轉。計數翻斗在翻轉的同時，與其相關的磁鋼會對儀器中的干簧管掃描一次。干簧管因為被磁化產生一次脈沖信號，采集器就自動采集存儲0.1mm降水量。

在非結冰期，稱重式降水傳感器在新鄉(xiāng)氣象站作為備份雨量傳感器使用。新鄉(xiāng)氣象站當前使用的稱重式傳感器是DSC1型傳感器。承水口口徑314cm2，承水口高度120cm，外設有防風圈，傳感器可測降水量的范圍是0～400mm。測量分辨率為0.1mm。當降水量不大于10mm時，最大測量誤差為±0.4mm，當降水量大于10mm時，最大測量誤差為±4%，每分鐘進行自動觀測[4]。DSC1型稱重式降水傳感器是使用壓力應變式技術得到降水數據，即表面粘貼有電阻應變片的敏感梁在盛水桶的壓力作用下產生形變，電阻應變片也隨之產生形變，其阻值將發(fā)生相應的變化。通過檢測電阻應變片的阻值變化，可以得到盛水桶的質量，繼而得到降水量。

本次實驗數據來源于2015—2017年各年4月至10月降水日，即河南省規(guī)定的汛期時間內的降水量統(tǒng)計。此次數據統(tǒng)計了兩種傳感器分別捕獲的日降水和月降水總量及個別時段的分鐘降水量分布、某幾次特殊天氣過程時降水捕獲到的降水的開始時間。兩種傳感器均在觀測場正常使用。本文中無降水或降水量小于0.1mm時，均按無降水輸出。

2 數據統(tǒng)計

2.1 月降水總量差異

對兩種傳感器分別捕獲的各月降水總量進行數據對比。圖1是稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器捕獲的各月降水總量比較的柱狀圖。對比時間為2015—2017年3年中4月至10月各月的總降水量。經過對比分析可知：①在21個月樣本中，翻斗式捕獲的降水量稍大于稱重式，比例占85.7%。基本上對降水量的捕獲是大致一致的；②在大雨時，翻斗翻轉的速率較快，在翻轉的過程中會因為上翻斗與計量翻斗同步翻轉中造成雨量損失[2]。

2.2 月雨強差值分布

統(tǒng)計好各月降水量之后，按月降水雨強的分布，共21組對比樣本。其中，2016年7月因月降水量過大（>500mm），不參與對比。其余20次有效對比。圖2是稱重式與翻斗式降水傳感器在月降水各雨強的差值分布圖。20個降水樣本中，月平均絕對誤差為3.19m；月降水量的多少和兩種儀器的相對誤差呈反比。

2.3 日差值頻次分布

統(tǒng)計164次降水日，以稱重式和翻斗式日捕獲降水量做差值，具體見圖3。從圖3中可以看出，翻斗式捕獲的降水量偏多。計算出164天日平均絕對差值為0.32mm。164組樣品中，有28組數據，稱重式捕獲降水量大于翻斗式，占比例17%。由于測量原理和方法不同，兩者的數據存在一定差異。造成這種現(xiàn)象的原因主要是：在發(fā)生強對流天氣時，往往會出現(xiàn)大風現(xiàn)象，稱重式降水傳感器承水口頂部外圍有防風圈，在發(fā)生降水現(xiàn)象時，稱重式降水傳感器減少了大風對降水的影響[5]。

2.4 兩種儀器觀測的日降水量相關系數

利用SPSS統(tǒng)計軟件[6]對164組日降水量進行相關分析，圖4為稱重觀測和翻斗觀測的日降水量的相關分布。從圖4可以看出，翻斗式觀測的日降水量緊密圍繞稱重式成一條直線分布，呈現(xiàn)線性相關，利用最小二乘法計算出相關系數為0.998 33，達到0.01顯著性水平[7]，稱重式與翻斗式降水傳感器相關方程為：[y=1.013 19x+0.275 19]。

2.5 稱重式降水的滯后性

在164個降水日樣本中，取日降水量大于4mm的降水日，共50日。統(tǒng)計的164日降水日數中，對比每個降水日，采集降水樣品的第一分鐘開始時間。稱重式相對于翻斗式采集到的降水第一分鐘相對滯后時間統(tǒng)計見圖5。初步得出以下結論：稱重式降水傳感器略微延遲于翻斗式降水傳感器，其相對于翻斗式采集到的降水第一分鐘平均滯后4.68min。這主要是因為稱重式降水傳感器在初始獲得降水量質量增加后，會結合溫度、風等多種因素對質量增加的情況進行連續(xù)性觀察，判斷其是否為偶然干擾[5]，而這種數據質量控制方法和過程使得降水量數據被寫入數據文件的時間比實際降水發(fā)生的時間滯后。由此，可在一定程度上判定稱重式降水傳感器對降水量的捕獲具有嚴謹性和準確性。

3 結論

根據新鄉(xiāng)氣象站2015—2017年各年4月至10月共21個月164個降水日的稱重式降水傳感器與翻斗式降水傳感器進行了各方面的數據對比。得出以下結論：①稱重式降水傳感器比翻斗式降水傳感器記錄的平均月降水量少0.69mm，平均日降水量少0.32mm；②稱重式降水傳感器捕獲的降水量開始時間滯后于翻斗式；③稱重式降水傳感器與翻斗式日降水量呈線性相關，相關系數為0.998 3。

相關分析表明，在實際業(yè)務中，稱重式降水傳感器和翻斗式降水傳感器記錄的數據差異較小，可互為備份，提高降水觀測的準確性。

參考文獻：

[1]李林，范雪波，崔煒，等.稱重與人工觀測降水量的差異[J].應用氣象學報，2015（6）：688-694.

[2]任芝花，王改利，鄒風玲，等.中國降水測量誤差的研究[J].氣象學報，2003（5）：621-627.

[3]李林，范雪波，孫雪琪，等.DSC2型稱重式降水傳感器測雨性能的分析[J].氣象，2016（8）：1013-1019.

[4]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2005.

[5]鄧效民，韓冰，鐘博.稱重式降水傳感器觀測數據的對比分析[J].北京農業(yè)，2015（23）：145-146.

[6]張文彤.SPSS統(tǒng)計分析高級教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[7]黃嘉佑.氣象統(tǒng)計分析與預報方法[M].北京：氣象出版社，2004.