基于CFD定量評估雨量筒的風場效應

鄭景元 鄧宇 劉文星

摘 要：本研究基于計算流體動力學（CFD）仿真對雨量筒風場效應進行定量評估，分析傳統雨量筒在不同風速和雨滴粒徑下的雨滴收集效率和誤差來源。結果表明，通常有風、小雨的情況下，傳統雨量筒的收集效率隨風速增大而降低，隨雨滴粒徑的增大而增大，這可以為自動氣象站降水量觀測數據的準確性提高提供重要參考依據。

關鍵詞：雨量筒;風場效應;雨滴粒徑;雨滴收集效率

中圖分類號：TU119.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0140-03

Abstract： Based on computational fluid dynamics （CFD） simulation， the wind field effect of the rain gauge is quantitatively evaluated， and the raindrop collection efficiency and error source of the traditional rain gauge under different wind speeds and raindrop sizes are analyzed in this study. The results show that under the conditions of wind and light rain， the collection efficiency of the traditional rain gauge decreases with the increase of wind speed， and increases with the increase of the size of raindrops， which can provide an important reference for improving the accuracy of the precipitation observation data of automatic weather stations..

Keywords： rain gauge;wind field effect;raindrop size;raindrop collection efficiency

降水量是天氣預報中的一個重要參數，高質量的降水資料可以為水資源利用及災害預警的計算和分析提供可靠依據。隨著氣象現代化業務體系的全面建設，自動氣象站基本使用翻斗式雨量傳感器開展液態降水地面觀測業務，但是翻斗式雨量傳感器的測量誤差比其他氣象觀測儀器高，導致獲取的降水量數據不夠精確。迄今為止，國內外許多氣象學者對于地面降水量測量做了多方面的誤差分析。王展宏分析了翻斗式雨量計誤差產生的原因，在此基礎上，提出調整翻斗感量、減小翻斗傾角、增大承雨口面積等措施，從理論上解決了翻斗式雨量計誤差偏大的問題[1]。李耀寧等根據北京朝陽氣象站近幾年的雨量測量數據，分析了各種雨量計在不同降水情況下產生誤差的原因以及儀器本身性能和不可預見故障造成的誤差[2]。蔡釗等通過數值模擬指出雨量計器口上方是風場畸變的主要區域，并嘗試改進Alter防風圈來提高降水收集率[3]。黎明琴等指出，由于風場變形，普通雨量器對雨和雪的收集率分別偏少2%～10%和10%～50%[4]。目前，國內研究主要集中于各類雨量計數據的對比分析。本文主要采用CFD仿真定量評估雨量筒的風場效應，直觀地展現降水量測量誤差。

1 傳統雨量筒的風場效應及訂正方法

當前，我國各地廣泛使用雨量筒，其本身作為外部高出地面、內部存在空洞的柱體，一定程度上改變了四周地形，進而影響四周的風場。針對不同防風標準在翻斗雨量計觀測時對風場變形誤差的預防作用，朱君等從降水總量隨風速波動的變化、設備間的均方差及其相關系數和觀測時間靈敏度等方面對觀測數據進行分析，數據表明，不同防風標準的翻斗式雨量計對風場變形誤差的預防作用存在一定差異，其中，SMALLDIFR翻斗式雨量計具有更高的時間靈敏性，在雨量比較大時，偏斜式雨量計更優[5]。降水期間，由雨量筒自身造成的風場形變會進一步影響周遭雨滴的下落路徑，從而使雨滴收集效率產生較大的誤差。風場變形誤差模擬效果如圖1所示。

試驗表明，風場變形誤差方面，筒的外部形變約占總誤差的70%，筒的內部形變約占總誤差的30%，特別在大風環境下，所獲得的降水量測量值準確性大大降低。目前，減少或消除風場變形誤差的方法是在雨量筒的外圍加裝大型擋風圈，且與雨量筒本體保持獨立并分離。但是，大型擋風圈占地面積大，裝置笨重，結構復雜，安裝要求高，在地勢崎嶇、地質松軟或大風環境地區適用性較低。

2 模擬試驗結果與分析

雨滴直徑范圍為0.1～6.0 mm，由于風場變形主要影響尺寸較小的雨滴的收集，且極小的雨滴所造成的降水量非常小，因此本文利用SolidWorks軟件的Flow Simulation功能進行流體力學分析。首先模擬并比較了風速為0～12 m/s、雨滴直徑為0.3～1.0 mm時雨量筒的雨滴收集率，具體結果如表1與圖2所示。

由表1、圖2不難看出，通常有風情況下，雨量筒的收集效率隨雨滴粒徑的增大而增大;粒徑固定時，雨量筒的收集效率隨風速的增大而減小，但同時也存在風場使降水量增多的情況。此外，當雨滴直徑大于0.7 mm時，不同環境風速對降水收集效率的影響不大，雨滴直徑為1 mm下的收集效率已接近1。為驗證此結論，下面模擬較大粒徑（2～6 mm）下雨量筒的雨滴收集率，結果如表2與圖3所示。

模擬結果表明，風速為0～12 m/s，雨滴粒徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時，雨量筒的降水收集效率在1附近徘徊，風場效應造成的收集誤差顯著減小。

3 結論

研究表明，風場效應會顯著降低雨量筒的雨滴收集效率，特別是在小粒徑、大風速的情況下造成的誤差很大，而當雨滴直徑大于1 mm時，由風場效應造成的誤差顯著減小，甚至可以忽略。實際上，風速很大且雨滴很小的情況較少。一般來說，風場效應造成的誤差保持在2%～10%。這種雨量筒的風場效應會導致降水量收集數據不夠精確，影響降水地面觀測業務。本研究成果可以為降水誤差的校準提供一定參考。

參考文獻：

[1]王展宏.翻斗式雨量計的誤差分析與改進[J].水利信息化，2012（4）：53-56.

[2]李耀寧，陶立新，黃湘.不同雨量計測值誤差分析[J].氣象科技，2011（5）：670-672.

[3]蔡釗，劉九夫，李薛剛，等.風場對雨量計收集降水影響的流體動力學研究[J].水利水電科技進展，2019（6）：17-23.

[4]黎明琴，任芝花，鄒耀芳.橫向雨量器的設計及由風引起的降水測量誤差訂正[J].應用氣象報，2001（2）：188-195.

[5]朱君，曹曉鐘，雷勇，等.不同防風標準雨量計的觀測差異[J].成都信息工程學院學報，2014（4）：365-369.