幾種自記式雨量計之間的對比及測量的誤差分析
《地面氣象觀測規(guī)范》中明確規(guī)定，降水是指從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)的水，降水觀測包括降水量和降水強(qiáng)度的觀測。自動氣象站觀測站網(wǎng)的建設(shè)是我國地面氣象觀測業(yè)務(wù)實現(xiàn)自動化的重要手段。不同自記式雨量計的研究，是氣象觀測研究的重要組成部分。黨選發(fā)等發(fā)現(xiàn)自記式雨量計之間的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同因而在不同降水強(qiáng)度中都會出現(xiàn)不同程度的誤差，研究了自動氣象站雨量傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法。李興寶等研究開發(fā)了自動氣象站與自動雨量站的氣象服務(wù)、監(jiān)測及自動報警系統(tǒng)。目前，在本站所使用的雨量觀測儀器中，虹吸式自記式雨量計作為雙翻斗遙測自記式雨量計的備份儀器，隨著自動站雨量傳感器在精度和性能等方面通過了試運(yùn)行階段后，雙翻斗遙測自記式雨量計又開始作為自動站雨量傳感器的備份儀器。
本文從降水強(qiáng)度和測量方式產(chǎn)生的誤差、儀器維護(hù)和安裝不當(dāng)產(chǎn)生的誤差、自然條件產(chǎn)生的誤差等幾方面，分析了北京朝陽氣象站雨量測量工作中常見的一些問題以及引起問題的原因，并探討了雨量測量數(shù)據(jù)發(fā)生異常情況下的處理方法。
１ 測值誤差分析
１．１ 降水強(qiáng)度和測量方式產(chǎn)生的誤差遙測自記式雨量計、雨量傳感器均采用了帶有節(jié)流管裝置的匯集翻斗，因為有了節(jié)流裝置，這在很大程度上減小了強(qiáng)降雨的影響。但是在降雨強(qiáng)度突然變大時，翻斗翻動時需要反應(yīng)時間，致使另一翻斗盛滿水時還來不及翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生計量誤差，由此產(chǎn)生的計量誤差與雨強(qiáng)呈正相關(guān)。針對降雨強(qiáng)度大時誤差大的現(xiàn)象，經(jīng)過認(rèn)真分析，其原因可能是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度大時，上翻斗流入計量翻斗的水速會非常快，導(dǎo)致計量翻斗在一次翻轉(zhuǎn)過程中，水未流盡時，上翻斗又有水流入計量翻斗，使得計量翻斗回到原位。這樣流入計量翻斗的雨量就小于０．１ｍｍ，導(dǎo)致遙測自記式雨量計水量大于實際降水量。并且由于水未排盡，計量翻斗的水量很快又達(dá)到相當(dāng)雨量０．１ｍｍ以致再次翻動形成連跳現(xiàn)象。根據(jù)多年經(jīng)驗積累，這種情況產(chǎn)生的誤差一般在４％允許范圍內(nèi)。
表一 雨量降水量數(shù)據(jù)
從儀器的工作原理上分析，遙測自記式雨量計、雨量傳感器測量降水量的數(shù)值應(yīng)當(dāng)比較接近，但是由于儀器本身性能上的差別，仍會有較大誤差出現(xiàn)。以北京朝陽站２００８年８月１１日降水記錄數(shù)據(jù)為例，１０日２０：００至１１日０８：００各自記式雨量計測量記錄累計量見表１。
由于朝陽站屬于國家一般氣象站，夜間不守班，從自計記錄上看，夜間只有１０日２３：００—２４：００降水記錄為０．０ｍｍ，夜間濕度基本維持在９０％左右，風(fēng)速在２．ｍ／ｓ上下，可以忽略人工觀測降水量中夜間蒸發(fā)量的影響。通過對４個降水量數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，遙測自記式雨量計的數(shù)據(jù)明顯偏低，超過４％的誤差允許范圍，此次遙測自記式雨量計的數(shù)據(jù)不具有可用性。在４個自記式雨量計當(dāng)中，只有雨量器數(shù)據(jù)的采集全部依賴人工，也正是由于雨量器的觀測方法和觀測時間的特殊性，雨量器出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象比較頻繁，但是性能穩(wěn)定，日常維護(hù)簡單，在不考慮蒸發(fā)和測量時間的情況下，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在夏季只有少量降水過程中，溫度較高、有風(fēng)、在降水過程中濕度較小以及降水出現(xiàn)在夜間的情況下，由于蒸發(fā)的影響，會導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)偏小；在正點觀測時段內(nèi)雨量較大時，在采集數(shù)據(jù)的過程中會有部分雨水不能采集，從而使測得的數(shù)據(jù)偏小；夏季陣雨天氣需要增加降水?dāng)?shù)據(jù)采集的次數(shù)，每次數(shù)據(jù)采集都會有部分水滴留在儲水瓶內(nèi)，讀取量杯數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)四舍五入的情況會導(dǎo)致±０．１～０．２的誤差，但是由于儀器本身性能穩(wěn)定，誤差在允許范圍內(nèi)，不會導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)不可用的情況。
表二 8月1日和19日 25日降水信息
１．２儀器維護(hù)和安裝不當(dāng)產(chǎn)生的誤差如表２所示，２００９年８月１日和１９日兩次降雨過程中，通過對各種自記式雨量計數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，雨量傳感器測量的數(shù)值明顯偏大，通過對儀器的檢查得出，誤差的產(chǎn)生是由于傳感器調(diào)節(jié)螺母松動造成的，也就是計數(shù)翻斗在承接到不到０．１ｍｍ的降水量的時候就開始翻動，產(chǎn)生０．１ｍｍ降水量的記錄，從而使記錄明顯偏大，超過４％的誤差允許范圍，此次雨量傳感器的數(shù)據(jù)不具有可用性。相反，由于轉(zhuǎn)軸的摩擦，以及翻斗沾水或泥沙的影響都會阻礙翻斗翻動，同樣造成雨量誤差。
８月１日的虹吸式自記式雨量計數(shù)據(jù)較大，由于虹吸自記式雨量計儀器本身沒有出現(xiàn)故障，因此判斷誤差是由于筆尖在上升過程中的慣性導(dǎo)致，又因為誤差在４％允許的范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)可用，這種誤差在強(qiáng)降雨過程中是不可避免的。通過對雨量傳感器的維修調(diào)試，２５日的降水量誤差明顯減少。降水量數(shù)據(jù)顯示，２５日的降水強(qiáng)度小，虹吸自記式雨量計與其他自記式雨量計測量數(shù)值一致。因此在每次降水過程開始之前要注意對儀器進(jìn)行維護(hù)，在降水之后要對所收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，得出誤差出現(xiàn)的原因，及時進(jìn)行 維修調(diào)試，以保證下次數(shù)據(jù)的可用性。《地面氣象觀測規(guī)范》中明確要求，雨量器安裝在觀測場內(nèi)固定的架子上，器口保持水平，距地面高７０ｃｍ。因此，器口是否水平也可以造成較大誤差。在靜風(fēng)降水的條件下，器口傾斜的儀器測得的降水量要小于器口水平的儀器；在風(fēng)速較大，且器口傾斜于風(fēng)的來向時，測得的降水量就會偏大，反之較小。在降水量較小（小于１．０ｍｍ）時，兩者的差距并不明顯。這種誤差如果在每個正在使用的自記式雨量計中同時出現(xiàn)，就很難意識到數(shù)據(jù)中的問題。另外，保持儀器的清潔也很重要。雨量監(jiān)測儀被堵或者雨量器的儲水瓶中沾滿灰塵都會導(dǎo)致誤差出現(xiàn)。因此在日常的儀器維護(hù)中，觀測員要時刻做到認(rèn)真、仔細(xì)觀察每一種儀器的變化，及時根據(jù)規(guī)范要求清潔儀器。
１．３自然條件產(chǎn)生的誤差降水在空中分布是不均勻的，各雨量測量儀器在觀測場內(nèi)的擺放也有一定的距離，當(dāng)降水出現(xiàn)明顯分布不均勻時，各雨量器的測量結(jié)果就會出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。雨量的測量也受風(fēng)場影響，由于雨量器高出地面，風(fēng)對雨量器的繞流作用導(dǎo)致筒口上方出現(xiàn)局部的上升氣流，阻礙了雨滴落入筒口，造成降水量偏小，產(chǎn)生誤差。這種誤差會在４個雨量儀器中同時出現(xiàn)，除非極特殊情況，否則很難從４個數(shù)據(jù)中分析出來，這樣就需要根據(jù)經(jīng)驗去判斷儀器顯示的數(shù)據(jù)與實際降水量是否吻合。
２ 小結(jié)
（１）相同工作原理的儀器由于儀器本身的性能差異和不可預(yù)見的故障會造成較大誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用，因此備份儀器不可或缺。
（２）降雨強(qiáng)度突然變化的影響，自記式雨量計產(chǎn)生的誤差是不可避免的。
（３）人工雨量器的性能穩(wěn)定，在蒸發(fā)現(xiàn)象不明顯的時候，降水總量較其他自記式雨量計更具有可用性。
（４）日常儀器維護(hù)對減小誤差非常必要，值班員在工作中要善于發(fā)現(xiàn)、善于比較。
（５）在極端天氣影響下，降水量數(shù)據(jù)的偏差不可避免。
