称重式降水传感器与翻斗式降水传感器在汛期捕获降水量的差异研究

工作原理和观测资料

新乡气象站当前使用的翻斗式降水传感器即双翻斗雨量传感器，型号SL3-1。其承水口距地面70cm，口径200mm，测量降水范围为0～4mm/min，测量降水分辨率为0.1mm[4]。由承雨器收集的降水通過漏斗进入上翻斗，当雨水达到一定重量时，由于重力的作用使翻斗反转，水便流入汇集漏斗。降水再从汇集漏斗的节流管注入计量翻斗，就把各种强度的液态降水调节为比较均匀的降水强度，以此减少由于降水强度不同而出现的观测误差。当计量翻斗所承接的降水量达到0.1mm时，计量翻斗就会把积累的降水倾倒入计数翻斗中，这样计数翻斗就会发生一次翻转。计数翻斗在翻转的同时，与其相关的磁钢会对仪器中的干簧管扫描一次。干簧管因为被磁化产生一次脉冲信号，采集器就自动采集存储0.1mm降水量。

在非结冰期，称重式降水传感器在新乡气象站作为备份雨量传感器使用。新乡气象站当前使用的称重式传感器是DSC1型传感器。承水口口径314cm2，承水口高度120cm，外设有防风圈，传感器可测降水量的范围是0～400mm。测量分辨率为0.1mm。当降水量不大于10mm时，最大测量误差为±0.4mm，当降水量大于10mm时，最大测量误差为±4%，每分钟进行自动观测[4]。DSC1型称重式降水传感器是使用压力应变式技术得到降水数据，即表面粘贴有电阻应变片的敏感梁在盛水桶的压力作用下产生形变，电阻应变片也随之产生形变，其阻值将发生相应的变化。通过检测电阻应变片的阻值变化，可以得到盛水桶的质量，继而得到降水量。

本次实验数据来源于2015—2017年各年4月至10月降水日，即河南省规定的汛期时间内的降水量统计。此次数据统计了两种传感器分别捕获的日降水和月降水总量及个别时段的分钟降水量分布、某几次特殊天气过程时降水捕获到的降水的开始时间。两种传感器均在观测场正常使用。本文中无降水或降水量小于0.1mm时，均按无降水输出。

2 数据统计

2.1 月降水总量差异

对两种传感器分别捕获的各月降水总量进行数据对比。图1是称重式降水传感器与翻斗式降水传感器捕获的各月降水总量比较的柱状图。对比时间为2015—2017年3年中4月至10月各月的总降水量。经过对比分析可知：①在21个月样本中，翻斗式捕獲的降水量稍大于称重式，比例占85.7%。基本上对降水量的捕获是大致一致的；②在大雨时，翻斗翻转的速率较快，在翻转的过程中会因为上翻斗与计量翻斗同步翻转中造成雨量损失[2]。

2.2 月雨强差值分布

统计好各月降水量之后，按月降水雨强的分布，共21组对比样本。其中，2016年7月因月降水量过大（>500mm），不参与对比。其余20次有效对比。图2是称重式与翻斗式降水传感器在月降水各雨强的差值分布图。20个降水样本中，月平均绝对误差为3.19m；月降水量的多少和两种仪器的相对误差呈反比。

2.3 日差值频次分布

统计164次降水日，以称重式和翻斗式日捕获降水量做差值，具体见图3。从图3中可以看出，翻斗式捕获的降水量偏多。计算出164天日平均绝对差值为0.32mm。164组样品中，有28组数据，称重式捕获降水量大于翻斗式，占比例17%。由于测量原理和方法不同，两者的数据存在一定差异。造成这种现象的原因主要是：在发生强对流天气时，往往会出现大风现象，称重式降水传感器承水口顶部外围有防风圈，在发生降水现象时，称重式降水传感器减少了大风对降水的影响[5]。

2.4 两种仪器观测的日降水量相关系数

利用SPSS统计软件[6]对164组日降水量进行相关分析，图4为称重观测和翻斗观测的日降水量的相关分布。从图4可以看出，翻斗式观测的日降水量紧密围绕称重式成一条直线分布，呈现线性相关，利用最小二乘法计算出相关系数为0.998 33，达到0.01显著性水平[7]，称重式与翻斗式降水传感器相关方程为：[y=1.013 19x+0.275 19]。

2.5 称重式降水的滞后性

在164个降水日样本中，取日降水量大于4mm的降水日，共50日。统计的164日降水日数中，对比每个降水日，采集降水样品的第一分钟开始时间。称重式相对于翻斗式采集到的降水第一分钟相对滞后时间统计见图5。初步得出以下结论：称重式降水传感器略微延迟于翻斗式降水传感器，其相对于翻斗式采集到的降水第一分钟平均滞后4.68min。这主要是因为称重式降水传感器在初始获得降水量质量增加后，会结合温度、风等多种因素对质量增加的情况进行连续性观察，判断其是否为偶然干扰[5]，而这种数据质量控制方法和过程使得降水量数据被写入数据文件的时间比实际降水发生的时间滞后。由此，可在一定程度上判定称重式降水传感器对降水量的捕获具有严谨性和准确性。

3 结论

根据新乡气象站2015—2017年各年4月至10月共21个月164个降水日的称重式降水传感器与翻斗式降水传感器进行了各方面的数据对比。得出以下结论：①称重式降水传感器比翻斗式降水传感器记录的平均月降水量少0.69mm，平均日降水量少0.32mm；②称重式降水传感器捕获的降水量开始时间滞后于翻斗式；③称重式降水传感器与翻斗式日降水量呈线性相关，相关系数为0.998 3。

相关分析表明，在实际业务中，称重式降水传感器和翻斗式降水传感器记录的数据差异较小，可互为备份，提高降水观测的准确性。

参考文献：

[1]李林，范雪波，崔炜，等.称重与人工观测降水量的差异[J].应用气象学报，2015（6）：688-694.

[2]任芝花，王改利，邹风玲，等.中国降水测量误差的研究[J].气象学报，2003（5）：621-627.

[3]李林，范雪波，孙雪琪，等.DSC2型称重式降水传感器测雨性能的分析[J].气象，2016（8）：1013-1019.

[4]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2005.

[5]邓效民，韩冰，钟博.称重式降水传感器观测数据的对比分析[J].北京农业，2015（23）：145-146.

[6]张文彤.SPSS统计分析高级教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[7]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京：气象出版社，2004.

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