雙翻斗與JSP-01A型智能雨量計比較實驗分析

劉慧杰 舒大興 陸斌 吳歡

摘 ?要：為了適應強降水觀測，在我國南方氣象部門同時使用0.1 mm和0.5 mm斗的雨量傳感器，而在水文部門0.5 mm斗的大翻斗雨量傳感器得到普遍采用。JSP-01A型智能雨量計綜合了0.1 mm與0.5 mm斗的優勢，為了測試其與氣象部門普遍采用的0.1 mm雙翻斗雨量傳感器的性能差異，組織了比較實驗。實驗按2 mm/min、4 mm/min、

6 mm/min、10 mm/min雨強進行，每個雨強實驗3次取平均值，結果表明在2 mm/min、4 mm/min雨強時二者性能相當，在雨強進一步增大后雙翻斗測量值偏小增大，而JSP-01A型依舊穩定。

關鍵詞：雙翻斗;JSP型雨量計;比較

中圖分類號：P414 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

雙翻斗降水傳感器普遍應用于地面氣象觀測自動站中，常用型號為SL3-1型，其安裝高度為0.7 m（從承雨口平面至觀測場地面距離）。工作過程為：降水由直徑200 mm的集水器匯集，通過裝有護網的漏斗及其下端的引流管進入上翻斗;通過上翻斗流入計量（計數）翻斗，當翻斗承積的水量達到一定的數量值時（3.14 mL）翻轉一次;計數翻斗中部上端裝有一塊小磁鋼，磁鋼后面下面墻板上裝有塑料封裝的干簧管，計數翻斗翻倒一次使干簧開關閉合一次，送出一個開關信號;每一個信號表示降水量0.1 mm，經采集器的MCU計算處理，得到相應降水量值。

JSP-01A智能型雨量計安裝高度為0.7 m或1.2 m，組件是2個翻斗式機械雙穩態稱重機構，其翻斗感量分別為3.14 g（相當于0.1 mm降雨量）和15.2 g（相當于0.5 mm降雨量，考慮翻轉過程中有雨水流淌，翻斗感量比理論感量小0.5 g）。

控制器采集小翻斗和大翻斗的信號，并進行邏輯判斷智能控制輸出高精度降雨量，同時將3個數據顯示在LCD顯示屏上。內部結構如圖1所示。這里的邏輯判斷可以有效地解決強降水時0.1 mm翻斗快速翻轉過程中的掛水、溢出等導致翻斗水量出現偏差的情況，象0.1 mm翻斗翻了4次，但0.5 mm翻斗已經開始翻轉，則雨量綜合判斷為0.5 mm，同理，小翻斗翻了6次，大翻斗才開始翻1次，雨量仍計為0.5 mm。

從JSP型智能雨量計的設計可以看出，其相當于0.1 mm翻斗和0.5 mm翻斗2臺設備，并具有智能計數功能，對大、小雨強具有廣泛適用性。2種儀器的性能指標見表1。

從表1可以看出，2種設備雨強測量范圍都超出了地面氣象觀測規范要求的每分鐘4 mm，JSP-01A型在測量精度上比SL3-1型更優。為了對兩者性能進行比較，設計了對比實驗。

1 對比實驗設計

從2種降水觀測設備的原理看，都是翻斗計數型，不同的是JSP-01A型針對大雨強增加了0.5 mm大翻斗設計，而SL3型雙翻斗只有0.1 mm翻斗，兩者的差別應該在大雨強部分，因此，實驗對0.5 mm/min雨強未考慮，僅對2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min雨強進行比對。按照地面氣象觀測業務規范，雙翻斗降水傳感器的測量范圍是0 mm/min～

4 mm/min，但6 mm/min雨強在短時強降水中也可能會出現，10 mm/min雨強在正常降水過程中極少出現，只有在漏斗堵塞疏通后會出現，可以說是對翻斗型設備的極限考驗。

實驗中每種雨強對比3次，取算術平均值，降水總量為10 mm，雨強控制使用專用校準設備。

考慮SL3-1型翻斗雨量器自身沒有計數功能，采用自動氣象站采集器計數，為了避免采集器采樣數據異常導致實驗失敗，實驗提供2種計數結果：一種是翻斗雨量器設備自身計數，采用雨量校準計數器計算翻斗翻動次數，換算成降水量;另一種是自動氣象站通過采集器計數，由自動站業務軟件（ISOS）輸出的降水量。

2 實驗結果

2019年6月17日，對比實驗由安徽分院、河海大學、安徽省大氣探測技術保障中心三方技術人員共同參與完成，結果見表2。

其中雨強分為2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min 4個強度。降水標準值為每次實驗使用的實際降水量值，均為10 mm。JSP型計數為JSP型智能雨量計綜合0.1 mm和0.5 mm 2種翻斗顯示的最終降水量值。標準偏離為測量值與標準值之間的差值占標準值的百分比，即（測量值-標準值）÷標準值×100%。測量值偏小為負偏離，測量值偏大為正偏離。SL3-1型設備計數是翻斗設備外接雨量校準計數器顯示的干簧管導通次數對應的降水量，即計數翻斗翻動次數×0.1 mm。SL3型系統計數是自動氣象站采集器采集計數由觀測業務軟件（ISOS）輸出的降水量。

3 分析與結論

3.1 常規雨強

在地面氣象觀測規范要求的4 mm/min雨強范圍內，兩者都達到了設計要求，誤差在2%以內。

3.2 超常規雨強

在地面氣象觀測規范要求的4 mm/min雨強之上，單從設備考慮，兩者仍然達到了設計要求，最大誤差4%，而JSP-01A型略顯穩定，誤差仍然控制在2%。但自動氣象站采集器計數由觀測業務軟件（ISOS）提供的最終降水量數據，出現了較嚴重的負偏離，從6 mm/min雨強偏小6%，到10 mm/min雨強偏小至28%，呈現出降水強度越大，誤差越大的趨勢。

3.3 差值原因分析

如圖2所示，從超常規雨強自動氣象站降水量最終采樣數據異常偏小，而翻斗雨量傳感器本身計數卻正常可以看出，誤差原因存在于自動站的采集計數部分。實驗中6 mm/min雨強時，自動站分鐘雨量最大達6.1 mm/min，而在10 mm/min雨強時，自動站分鐘雨量最大只有4.0 mm/min，這說明SL3-1型雙翻斗雨量傳感器本身可以正常測量10 mm/min雨強的降水，但自動氣象站采集器只能允許6.1 mm/min左右的雨強，即

61次/min干簧管通斷計數，對于更加短暫的干簧管通斷間歇被忽略了，即在1秒鐘內干簧管導通2次只被計數為1次，這是造成強降水情況下自動站降水量嚴重偏小的原因。

實驗在超大雨強只選取了6 mm/min和10 mm/min 2種雨強，沒有做更多雨強的實驗，但根據自動站采樣1 s內干簧管導通2次只被計數為1次的誤差原因，可以推測出，在6 mm/min雨強以上，干簧管導通次數在60次/min以上，出現1 s內干簧管導通2次的次數在增加，即被忽略掉的干簧管導通次數在增加，所以隨著降水雨強的增大，降水量采樣值會偏小更多，變化趨勢。

4 結語

通過SL3-1型雙翻斗降水傳感器和JSP-01A型智能雨量計實驗對比分析，可以看出JSP-01A型智能雨量計在10 mm/min雨強以內技術性能穩定，誤差在2%以內，但由于0.1 mm翻斗與上匯集斗距離太近，在超強降水條件下，容易產生匯集斗水位過高頂托0.1 mm翻斗導致不計數的問題;SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在10 mm/min雨強以內技術性能達到設計標準，誤差最大4%，但自動氣象站在6 mm/min雨強以上時采樣數據偏小超過了4%，10 mm/min雨強時偏小達28%，這是由于自動站采集器忽略間歇較小的干簧管導通次數導致的，可以推測，更大的雨強會使采樣數據偏小更多。

自動氣象站使用SL3-1型雙翻斗雨量傳感器能夠監測每分鐘10 mm以內的降水，但通過實驗分析，找到了其在大雨強時出現較大誤差的原因，如果能針對此原因采取措施改進采集器端軟件，防止正常的干簧管計數被忽略，即可減小誤差，提高觀測數據的準確性。

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