JEZ02型融雪式雨量計在平涼市涇渭河流域的適用性研究

朱曉濤,雒 儀

(1.甘肅省水文站，蘭州 730030；2.甘肅省平涼水文站，甘肅 平涼 744000)

1 概述

平涼市涇渭河流域地處隴東黃土高原，位于甘肅省東部，陜甘寧三省區交匯處，全境由東向西呈啞鈴型分布。地勢中部高，東西兩側低，以六盤山山脈為分水嶺，東部屬于涇河水系，西部屬渭河水系[1]。流域降水主要集中在6—9月，多年平均降水量位于378.3～703.6 mm之間，24h雨強累計最大值為284.0 mm，歷年均值為58.6 mm，市內流域面積約11 196 km2。本次研究的降水量資料均為JEZ02型融雪式雨量計所觀測數據，涉及平涼市涇渭河流域45個降水量觀測站，其中基本水文站5個，共收集到2008—2019年共10 a的實測降水量數據。主要從JEZ02型融雪式雨量計資料整編、數據比測分析、設備可靠性等方面對該儀器在平涼市涇渭河流域適用性進行分析。

a 日降水量

a 涇川站逐日降水量

2 資料收集與整編方法

2.1 設備技術指標

JEZ02型融雪式雨量計是利用電加熱方式將固態降水融化為液態后，進行降水量自動觀測的儀器，主要由融雪裝置、雨量傳感器、監測終端3部分構成，冬季電加熱功率在350 W，工作環境在-20℃～40℃。結構類型采用翻斗式，雨量傳感器分辨率為0.2 mm，每5 min觀測1次數據，適宜雨強范圍為0.01～2.0 mm/min[2]。

2.2 資料收集

平涼市降水量站點分布為涇河流域28個，渭河流域17個，共計45個(見圖1所示)。各降水量觀測站資料完整度較高，分布合理，具有良好的流域代表性。JEZ02型融雪式資料可通過水情自動監測終端接口實地提取，或在“宏電RTU前置系統”遠程服務平臺下載數據。其中，終端接口與服務平臺資料經比對分析降水量趨勢基本一致，由于降水量觀測站點分布較為分散，交通不便，綜合考慮，建議采用遠程服務平臺下載資料用于水文資料整編與分析研究。

圖1 平涼市涇渭河流域降水量觀測站點分布示意

2.3 整編方法

JEZ02型融雪式降水量數據受限于數據提取方式和遠程服務器的不穩定性，數據中存在丟包、亂碼、奇異值等問題，需要后期通過計算機技術進行檢查校正方可用于資料整編。另外由于設備特性，其資料觀測方式不論是否有降水量產生均按5min為單位進行觀測，單個設備1 h可觀測12個數據，1 d可觀測288個數據，全年觀測量為105 120個數據[3]。

所以需借用甘肅省水文測驗系統軟件對JEZ02型融雪式雨量計觀測數據進行精簡摘錄[4]，軟件內部摘錄算法為：

① 降水量保留5 min滑動；

② 降水過程記起止時間；

③ 降水量>15 min為2次降水過程；

④ 當1次降水過程中小時降水量>2.5 mm時整點斷開。

為滿足上述③④條中關于1次降水過程中的整點分割要求，當降水量數據達到條規則要求時，程序算法將前1 h最后一個降水量時間后延5～10 min，以達到整點，同時此算法會影響時段最大降水量摘錄值，但屬于誤差范圍內。上述降水量摘錄算法符合《降水量觀測規范》(SL 2102006)與《水文資料整編規范》(SL 24702012)要求。數據完成精簡摘錄后，可獨立或配合水文資料整編系統HDP5.0軟件得到《逐日降水量表》《時段最大降水量表(1)》《降水量摘錄表》等整編成果，為后續研究提供資料支撐。

3 降雪量滯后性分析

3.1 產生原因分析

當冬季來臨產生固態降水時，如雪、雨夾雪等，JEZ02型融雪式雨量計由于其電加熱方式導致降水量與真實值之間存在一定的滯后。JEZ02型融雪式雨量計加熱元件為電磁式，鋪設于雨量計桶身底部。當降雪發生時，位于桶身上方的傳感器觸發加熱元件開始工作，儀器進入融雪模式。由于儀器處于開放空間，需考慮電加熱導致的蒸發現象[5]，故而其加熱功率一般不會太大。在融雪速度恒定的情況下，當降雪量大于儀器融雪速度時，此時會在儀器桶身內發生降雪累積，從而出現降水量觀測值滯后的情況[6]。

3.2 降雪量數據比測

選取具有降雪代表性的觀測站點，將JEZ02型融雪式雨量計與人工觀測進行比測(見圖2)。

圖2 某觀測站點JEZ02型融雪式雨量計與人工觀測降雪數據比測示意

通過分析圖2可以發現降雪強度范圍在0～5.0 mm/h時，降水量趨勢基本一致；降雪強度范圍在5.0～20.0 mm/h時，降水量峰值延后5～15 min；當降雪強度大于20 mm/h時，降水量曲線出現平頭，此時儀器觀測值失真。通過大量的觀測站數據分析，JEZ02型融雪式雨量計觀測滯后的現象直接導致小時降雪強度普遍小于人工觀測值，人工觀測JEZ02型融雪式雨量計觀測雨強趨勢對比見圖3。平涼市涇渭河流域屬于冷溫帶亞濕潤性氣候，冬季降雪強度普遍低于10 mm/h，JEZ02型融雪式雨量計降雪觀測精度符合本區域降水量觀測要求，當小時降雪強度大于5.0 mm/h時應通過人工觀測值對JEZ02型融雪式雨量計資料進行校正[7]。

圖3 人工觀測與雨量計觀測雨強趨勢對比示意

4 降水精度研究

4.1 研究方法

按照《水文資料整編規范》(SL 24702012)規定，對45處雨量站JEZ02型融雪式雨量計采集的降水量資料利用水文統計學方法進行分析比測。以人工觀測資料為真實數據作為參考，人工觀測采用20 cm口徑雨量桶。將人工觀測資料與JEZ02型融雪式雨量計資料進行整編，并借用IBM SPSS軟件進行分析，從而評價JEZ02型融雪式雨量計觀測精度。

4.2 誤差分析

誤差分析采用抽樣數據，以2010—2020年資料為樣本庫，對比1 h、6 h、24 h最大降水量值誤差和月、年統計值誤差。因統計分析的數據量較多，因此不再逐一列舉，只選取2020年涇渭河具有代表性的觀測站為例，逐日降水量對照見圖4，誤差統計結果見表1。其雨強范圍在0～2.0 mm/min時JEZ02型融雪式雨量計低于人工觀測值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時滿足中小河流山洪監測預警精度要求[8-9]。在月年總降水量的對比分析中，月總降水量絕對誤差在1.2～4.2 mm之間，年總降水量絕對誤差在8.6～22.4 mm之間，月、年相對誤差均小于4.0%。在年總降水天數的對比分析中，JEZ02型融雪式雨量計降水日數普遍少于人工觀測1～3 d，其因為JEZ02型融雪式雨量計雨量傳感器分辨率為0.2 mm，對于小于0.2 mm的降水無法觀測記錄，導致年總降水天數有所減少[10-11]。

分析表1可知，JEZ02型融雪式雨量計絕對誤差均小于或等于0，由于其翻斗機械結構特點，在正常工作狀態下，所測得的降水量均小于或等于實際降水量。如JEZ02型融雪式雨量計觀測值大于人工觀測值，確定人工觀測無誤的情況下，應及時對雨量計進行檢修。在野外觀測條件下，由于塵土、植物、小型生物的影響，會導致雨量計翻斗容量減小，在降水量不變的情況下，翻斗翻轉次數增加，從而影響測驗精度。

表1 各時段最大降水量誤差統計

圖5為人工、JEZ02型融雪式雨量計相關性散點示意，由圖5可以看出，JEZ02型融雪式雨量計觀測數據與人工觀測數據相關性較高，能夠反映出流域降水時空分布與短歷時雨強特征[12]。

5 儀器維護

在對JEZ02型融雪式雨量計數據分析的過程中，發現個別站點年降水量過于偏小，綜合分析判斷為設備故障，其資料借用附近具有代表性的站點進行插補。分析原因，一方面為設備電子故障，另一方面為儀器后期使用中維護不當所造成。應每年汛前應對所管轄區域內JEZ02型融雪式雨量計進行維護與清洗：① 疏通進水口，影響降雨強度與歷時；② 清洗翻斗，測試翻斗翻轉是否靈活，影響雨量精度，防止記錄雨量值偏大；③ 排水疏通，防止濕度過高，感應器氧化；④ 儀器調平，調節螺栓整平儀器；⑤ 儀器清洗后應進行滴水測試，各項數值應符合規范要求，并記錄測試時間、天氣、滴水量等信息；⑥ 連接外接設備，查看數據采集與傳輸是否正常。

6 結語

通過對JEZ02型融雪式雨量計進行實地比測與大量資料分析，結果表明：① JEZ02型融雪式降水量數據受限于數據提取方式和遠程服務器的不穩定性，數據中存在丟包、亂碼、奇異值等問題，可利用甘肅省水文測驗系統軟件進行檢查校正與精簡摘錄后用于水文資料整編。② 冬季產生降雪時，JEZ02型融雪式雨量計降水量觀測值存在滯后性。降雪強度范圍在0～5.0 mm/h時，降水量趨勢基本一致；降雪強度范圍在5.0～20.0 mm/h時，降水量峰值延后5～15 min;當降雪強度大于20 mm/h時，降水量曲線出現平頭，此時儀器觀測值失真，其觀測值需要后期通過人工校正。③ JEZ02型融雪式雨量計降水量數據與人工觀測數據相關性較高，能夠反映出流域降水時空分布與短歷時雨強特征，觀測值在0～2.0 mm/min降雨強度范圍內低于人工觀測值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時滿足中小河流山洪監測預警精度要求。④ 部分降水量站點由于維護等原因存在年降水量值異常，對于年降水量小于100 mm的站點，分析其原因，并與附近具有代表性的站點進行比測分析后插補替換。應每年汛前、汛后對JEZ02型融雪式雨量計進行兩次維護，以確保其正常運行。