開墾河站TRM-ZS9型中尺度自動氣象站雨量器應用研究

馮公偉

（昌吉水文勘測局,新疆 昌吉 831100）

1 引言

降水量觀測是水文領域重要的觀測指標之一,其觀測的準確程度是由當?shù)靥鞖狻⒔邓俊⒌孛鏉穸取L速、地形地貌等因素的決定的[1],因此獲得準確的觀測數(shù)據(jù)來反映實際降水量是比較困難的。目前普遍采用人工觀測的方式來進行降水量的觀測,所采用的觀測儀器為人工觀測雨量器。另外還有一些半自動的的觀測儀器,如翻斗式雨量器和稱重式雨量器等[2]。然而由于翻斗式雨量器僅能觀測液態(tài)降水,對于冬季固態(tài)降水的觀測是不可行的,制約了全自動降水觀測。稱重式雨量器是利用電子秤稱出降水的重量,然后自動計算出降水量,可實現(xiàn)全年降水量的自動觀測[3],但是李林等[4]通過對稱重式雨量器和人工觀測對比表明,在中雨和大雨過程中稱重式雨量器稱重式傳感器的的精度還有待進一步研究,后來張紅英等[5]也給出了同樣的結(jié)論。可以看出,目前進行全自動降水量觀測仍然還存在一定的局限性,有待進一步開發(fā)新的降水量觀測設備。

近年來在新疆的開墾河水文站開始使用一種TRM-ZS9型中尺度自動氣象站雨量器來進行降水量的觀測并與人工觀測降水量進行對比,研究該雨量器的觀測精度。

2 研究區(qū)域及觀測設備

2.1 開墾河站基本情況

開墾河屬于發(fā)源于新疆的內(nèi)流河,位于新疆北部,流經(jīng)奇臺東北灌區(qū)。開墾河水文站位于開墾河發(fā)源地沙爾勒克達坂下游30 km,設立于1956年10月,屬國家基本二類水文站,是新疆維吾爾自治區(qū)重要的水文站和中央報汛站[6]。開墾河站的氣象場位于出山口地帶,海拔高度1502 m,規(guī)格為16 m×20 m,觀測場距離建筑物約40 m,區(qū)域代表性較好,能夠?qū)υ搮^(qū)域的風速、降雨量、降雪量、蒸發(fā)量等水文參數(shù)進行監(jiān)測。

2.2 TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站雨量器

該自動氣象站是按照國際氣象組織WMO 氣象觀測標準研究開發(fā)生產(chǎn)的多要素自動觀測站,由氣象傳感器,氣象數(shù)據(jù)記錄儀,氣象環(huán)境監(jiān)測軟件三部分組成,可實現(xiàn)無人值守自動化運行,能夠監(jiān)測風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量等多項常規(guī)氣象要素,具有自動記錄、報警和數(shù)據(jù)通訊等功能。該氣象站對于降水量的測量,觀測精度可達到±0.4 mm,測量的降水范圍最大可達999.9 mm,可實現(xiàn)全天24 小時的自動監(jiān)測。

2.3 測量方法

2.3.1 注水試驗測試

該雨量器在進行正式測量之前,需要對其進行校正,以便確認是否進行正常工作,常用的測試方法為注水試驗,檢測過程如下：2020年4月22日,用量筒量取10 mm 的清水,在2.5 分鐘內(nèi)注入到雨量器中,這一步的目的是模擬每分鐘4 mm 的自然降水強度過程。重復這一注水過程3 次,每次記錄雨量器顯示的降水量,最后取平均值。結(jié)果表明自動雨量器顯示的平均降水量為9.8 mm,誤差為0.2 mm,未超過允許誤差±0.4 mm,且每次測量的誤差也未偏離0.4 mm,表明該雨量器能夠進行正常的降水量測量。

2.3.2 正式測量

觀測時間：2020年5月13日至8月29日時間。使用該雨量器和人工觀測雨量器進行同步對比觀測。在觀測的時間內(nèi),人工觀測和該自動氣象站測降水天數(shù)均為47日。觀測時嚴格按規(guī)范執(zhí)行氣象站雨量器的使用,獲得的數(shù)據(jù)準確、可靠。

3 結(jié)果分析

3.1 觀測結(jié)果

在47 天的降水時間內(nèi),采用該雨量器和人工觀測雨量器的觀測結(jié)果見表1。

表1 開墾河（三）站自動氣象站雨量器與人工觀測降水量對比表

從表1可以看出,人工雨量器觀測降水天數(shù)47日,總降水量為356.3 mm；該自動氣象站雨量器測得降水天數(shù)47日,總降水量為362.2 mm,兩者的絕對誤差為-5.9 mm,誤差-1.66%,小于儀器標準所規(guī)定的±4%的誤差。觀測到發(fā)生最多降水量的日期為6月5日,人工觀測降水為40.7 mm,自動氣象站雨量器測量降水為43 mm,兩者相差2.3 mm,分析造成這種誤差的原因主要是開墾河外部環(huán)境的影響。

3.2 誤差回歸分析

可通過以下四種參數(shù)評估兩組數(shù)據(jù)的相關程度,進行回歸預測。

（1）兩種觀測方法之間的平均絕對誤差Am可按下式計算

式中：Eai為第i 次人工降水量值,mm；Emi為第i 次TRMZS9 型中尺度自動氣象站雨量器觀測值,mm；N 為觀測的總次數(shù)。

（2）平均相對誤差Rm可按下式計算

（3）均方根誤差RMES

（4）Person 相關系數(shù)Rp

根據(jù)表1測得的數(shù)據(jù),采用上述四種方式對兩組數(shù)據(jù)進行回歸分析。計算結(jié)果見表2。

表2 開墾河站TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站雨量器與人工觀測數(shù)據(jù)回歸分析表

由表2可知,TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站雨量器觀測與人工觀測數(shù)據(jù)平均絕對誤差Am僅有0.42 mm,代表離散程度的均方根誤差RMES 為0.115 mm,而兩者的相關性系數(shù)Rp達到了0.997。均方根誤差越接近于0,Person 相關系數(shù)Rp越接近于1,表明兩組數(shù)據(jù)差異越小。因此,使用該雨量器在開墾河站測量的降水量值能夠較為準確的反映實際情況。

兩者的差異也能通過如圖1所示的該雨量器和人工同步觀測的降水數(shù)據(jù)系列直觀的表示出來。從圖中可以看出該雨量器與人工觀測兩者獲得的數(shù)據(jù)相關性非常好,證明自動雨量器觀測數(shù)據(jù)值是較為可靠的。增長規(guī)律呈現(xiàn)出線性增長的趨勢,可通過下列的式子線性表示。

圖1 開墾河站TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站雨量器與人工觀測降水值相關圖

兩者線性擬合的相關程度R2為0.9942,相關性很好。因此經(jīng)過相關關系公式（5）率定后,該雨量器觀測值能夠較為準確的反映降水情況,誤差接近0.0 mm,與人工降水量觀測值非常接近,滿足《地面氣象觀測規(guī)范》[7]要求,相關關系公式合理,可作為開墾河站自動雨量器降水量觀測值修正使用。

綜上所述,該雨量器在安裝、調(diào)試準確后,且保證電源充足設備不發(fā)生故障和無特殊天氣的情況下與人工觀測降水量數(shù)據(jù)非常接近,絕對誤差小,可以替代人工觀測在氣象站使用。

4 結(jié)論

為驗證TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站雨量器觀測降水數(shù)據(jù)的準確性,本文采用自動雨量器與人工觀測雨量器在2020年5月13日至8月29日進行降水量觀測,共獲得47日的降水量數(shù)據(jù),對比分析可得出以下結(jié)論：

（1）兩者的相關性系數(shù)達0.997,均方根誤差RMES 為0.115 mm,表明該雨量器觀測值基本準確；

（2）經(jīng)人工雨量器觀測值的修正,獲得的關系曲線可用于該雨量器觀測值的優(yōu)化,從而獲得較為準確的觀測值。

在運用自動雨量器進行觀測時,應每年進行注水試驗,且根據(jù)天氣情況,不定期進行校檢,校檢記錄應符合要求。該氣象站雨量器應用于其它流域時應重新率定關系曲線。