固態(tài)存儲雨量計和虹吸自記雨量計降水量對比分析及調(diào)整意見青海省水文水資源勘測局2007年8月 固態(tài)存儲雨量計和虹吸自記雨量計降水量對比分析及調(diào)整意見JDZ-1型雨量數(shù)據(jù)采集儀和WFZ-2型水位、雨量數(shù)據(jù)采集儀是水利部南京水利自動化研究所生產(chǎn)的兩種自動測量、采集、存儲資料的較先進儀器。我局從1999年起陸續(xù)安裝了89臺，其中30臺安裝在具有虹吸自記雨量計的水文站進行對比觀測。為真實客觀的反映對比觀測情況，使其在降水觀測中發(fā)揮更大的作用，按照局里的安排，我處對現(xiàn)有30個水文站觀測的固態(tài)存儲雨量計和虹吸自記雨量計數(shù)據(jù)進行了對比分析，旨在通過科學合理的分析，尋找兩者差異的原因，為更好地使用固態(tài)存儲降水量資料提供建議和依據(jù)，同時也對今后固態(tài)雨量計站點的布設(shè)提出了調(diào)整意見和建議。1、固態(tài)存儲雨量計的工作原理及基本性能主要工作原理：降雨時，翻斗式雨量計的承雨口承接降水，經(jīng)引水管導入翻斗，當降雨量達到雨量計的翻斗容量時，翻斗翻轉(zhuǎn)，帶動磁鋼翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)干簧管開關(guān)，產(chǎn)生一個脈沖信號送入數(shù)據(jù)采集器，采集器接受脈沖信號，進行累計。當一個采樣周期（5分鐘）結(jié)束時，自動喚醒采集器，按照采樣周期的累積雨量和發(fā)生日期、時間，按軟件預定的格式，存入固態(tài)RAM中，如此不斷重復，從而達到連續(xù)、長期的測量、記錄降水過程的目的。當需要降水資料時，通過采集器的RS232通信接口及通信電纜，利用便攜式計算機或?qū)懣ㄆ鲗?shù)據(jù)采集器中的降水數(shù)據(jù)讀出，利用中心站計算機及專用軟件，建立小型數(shù)據(jù)庫或打印輸出各種成果表。主要技術(shù)指標：工作溫度為2055；適宜雨強范圍為0.014mm/min；儀器分辨率0.2mm，即翻斗感量為6.28g/斗，降水達到0.2mm時，可翻轉(zhuǎn)一次進行一次記錄；翻斗計量誤差小于4%；輸出信號方式為磁鋼干簧管接點接通信號，磁鋼與干簧管工作距離為2mm。固態(tài)存儲雨量器的翻斗是量測準確與否的關(guān)鍵所在，翻斗的翻倒水量可按下式計算：P=GN式中：P翻斗理論上的翻倒雨量；G儀器感量；N翻斗翻轉(zhuǎn)倒水次數(shù)。2、對比觀測2.1測站基本情況30個水文站分布在青海省境內(nèi)內(nèi)陸河、長江、黃河流域，覆蓋面較廣具有較強的代表性。各站的固態(tài)存儲雨量計、虹吸自記雨量計和人工雨量計安裝在同一觀測場內(nèi)，觀測場地均符合SL2190降水觀測規(guī)范要求。測站所屬流域劃分見表1。表1、測站流域劃分表流域站名內(nèi)陸河德令哈(三)、上尕巴、都蘭、香日德(二)、納赤臺、格爾木(四)、布哈河口、剛察(二)、下社黃河大米灘、上村、同仁、化隆、清水、海晏、董家莊、石崖莊、西納川、牛場、黑林、橋頭、朝陽、西寧、王家莊、樂都、八里橋、吉家堡、青石嘴長江直門達、新寨2.2資料的選用30個水文站中，海晏、牛場、青石嘴三站因氣溫偏低，采用固態(tài)存儲雨量計觀測時間為69月，其余站觀測時間為59月，當各站出現(xiàn)固體降水時采用人工觀測，不參加統(tǒng)計分析。2.3資料分析對30個同時使用固態(tài)存儲雨量計和虹吸自記雨量計觀測的水文站的降水資料采用匯編成果進行分析，資料真實可靠。參照SL2190降水觀測規(guī)范中關(guān)于測量精度的要求，以下分析均以虹吸自記雨量計記錄雨量作為真值，固態(tài)存儲雨量計記錄雨量作為儀器記錄雨量，用絕對、相對誤差來評價降水量的合格率。2.3.1月降水量的統(tǒng)計分析對30個站（其中5月份參加統(tǒng)計26站，9月份29站）汛期采用固態(tài)存儲雨量計觀測的月降水量進行統(tǒng)計，5月份參加統(tǒng)計的26個站的月降水量相對誤差4%的站有8個，6月4%的站有12個，7月4%的站有8個，8月4%的站有7個，9月4%的站有10個，參加統(tǒng)計月份145個，合格率69.0%；59月月降水量總量4%的站為6個，合格率80%。各站固態(tài)自記月降水量對比分析見表2。經(jīng)統(tǒng)計，誤差超過范圍的月降水量多集中分布在風沙較大，降水量稀少的內(nèi)陸河流域的水文站。2.3.2日降水量的統(tǒng)計分析用絕對、相對誤差來評價日降水量的合格率，根據(jù)規(guī)范儀器分辨率為0.1、0.2mm的雨量量測精度如下：1）排水量小于等于10mm，以絕對誤差表示，量測誤差宜不超過0.2mm，不得超過0.4mm，絕對誤差0.4mm為合格；2）排水量大于10mm，用相對誤差表示，量測誤差宜不超過2%，不得超過4%，4%為合格，相對誤差計算式如下：=100%式中：量測誤差，用百分數(shù)表示（%）； W自虹吸自記雨量計記錄雨量（mm）； W固固態(tài)存儲雨量計記錄雨量（mm）。各站日降水量對比分析見附表，日降水量統(tǒng)計見表3。日降水量統(tǒng)計了30個站，2306天，在誤差范圍內(nèi)的有2078天，合格率為90.1%。其中，降水量10mm天數(shù)294天，統(tǒng)計相對誤差合格天數(shù)193天，合格率65.6%，最大相對誤差19.4%， 9月21日出現(xiàn)在香日德站；降水量小于或等于10mm天數(shù)2012天，統(tǒng)計絕對誤差合格率93.7%，最大絕對誤差-3.8mm，6月27日發(fā)生在青石嘴站。統(tǒng)計表明，固態(tài)存儲雨量計觀測值較虹吸自記雨量計觀測值偏大。2.3.3最大、次大日降水量對比分析在30個站中選擇60場虹吸自記雨量計與固態(tài)存儲雨量計記錄的最大及次大日降水量數(shù)據(jù)進行對比分析，其中都蘭、香日德（二）兩站次大降水量為降雪，采用人工觀測，統(tǒng)計表中僅列其值不參加計算，其統(tǒng)計見表4。通過絕對誤差和相對誤差比較，30次最大日降水量中，6次為負誤差，占總場次30次的20%，絕對誤差的平均值為0.4mm，相對誤差的平均值為1.60%，最大絕對誤差2.0mm，7月26日發(fā)生在西寧站，最大相對誤差10.57%，7月25日發(fā)生在納赤臺站；28次次大日降水量中，7次為負誤差，占總場次的25%，絕對誤差的平均值為0.3mm，最大絕對誤差1.7mm，7月28日發(fā)生在海晏站，相對誤差的平均值為1.9%，最大相對誤差11.07%，7月17日發(fā)生在納赤臺站。以上數(shù)據(jù)說明，固態(tài)存儲雨量計觀測值偏大，誤差分布明顯正的一方大于負的一方。2.3.4降水日數(shù)的對比分析兩種雨量計觀測的降水日數(shù)主要表現(xiàn)在微量降水的天數(shù)，30個站總降水日數(shù)只有大米灘、董家莊、牛場、西寧四站兩種儀器觀測日數(shù)相同，其余26個站固態(tài)存儲雨量計觀測的日數(shù)均小于虹吸自記雨量計的日數(shù)。虹吸自記雨量計的分辨率為0.1mm，固態(tài)存儲雨量計的分辨率為0.2mm，當出現(xiàn)小于0.2mm降水量時固態(tài)存儲雨量計反映觀測數(shù)據(jù)不明顯，統(tǒng)計30個站日降水量小于或等于0.2mm的日數(shù)，15個站固態(tài)存儲雨量觀測日數(shù)小于虹吸自記雨量計，4個站兩種儀器觀測日數(shù)相同。總體來說，虹吸自記雨量計觀測的日數(shù)多于固態(tài)存儲雨量計觀測的降水日數(shù)，只有0.10.2mm的降水量的日數(shù)有差異，詳見表5。2.3.5流域代表站多年月平均降水量分析在30個水文站中選擇14個各流域的代表站，對其多年月平均降水量資料進行分析，代表站站名及對比觀測年限見表6。表6 流域代表站一覽表流域站名資料選用起始年限內(nèi)陸河德令哈(三)、格爾木(四)2002-2006年布哈河口、下社2000-2006年黃河大米灘、上村2000-2006年董家莊、西納川、黑林、橋頭2001-2006年同仁2001、2003-2006年西寧2001、2002、2004-2006年長江直門達、新寨2001-2006年對14個站進行5-9月420組總降水量、月降水量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、匯總分析。各站固態(tài)存儲雨量計與虹吸自記雨量計之間多年月降水量及誤差見表7，多年平均月降水量最大相對誤差22.7%，5月發(fā)生在西納川站。下社、大米灘兩站多年統(tǒng)計各月誤差均超出范圍。誤差結(jié)果匯總見表8。表8 固態(tài)存儲雨量計與虹吸自記雨量計對照結(jié)果類 別比測數(shù)據(jù)個數(shù)允許誤差內(nèi) 數(shù)據(jù)個數(shù)合格率%總降水量14857.1 月降水量704767.1 2.4誤差原因分析上述統(tǒng)計表明，各水文測站由于所處自然環(huán)境不同，且水文氣象條件存在差異，因此，對儀器的使用可能造成影響。但是，影響固態(tài)存儲雨量計降水量偏大，對試驗產(chǎn)生誤差的主要原因如下：1）固態(tài)存儲雨量計與虹吸自記鐘之間存在誤差，造成兩套儀器采集時間不一致，引起記錄的雨量差異， 特別是日分界降雨越大，差異越大。2）當降水強度、降水量較大時，固態(tài)存儲雨量計翻斗雨量盡管未達到0.2mm，但較大的降水沖擊力致使翻斗提前翻轉(zhuǎn)，使記錄量偏大，且降雨越強，誤差越大。3）固態(tài)存儲雨量計在安裝調(diào)試上左、右翻斗的翻轉(zhuǎn)量調(diào)節(jié)不一致，滴水試驗人工模擬降水強度不合適，導致翻斗分辨率之間存在調(diào)試產(chǎn)生的人為誤差。4）磁敏開關(guān)與磁鋼的距離以及磁敏開關(guān)的靈敏度、抗干擾等性能對翻斗的開關(guān)信號影響較大。5）翻斗內(nèi)的泥沙未能及時清除，影響翻斗的計量誤差。6）降水較小或臨近降雨結(jié)束時，翻斗內(nèi)的雨量達不到翻斗的分辨率，降水量或被蒸發(fā)，或被計入第二日的降水量，使第二日的降水量偏大。7）雨量桶承雨器口內(nèi)徑為202mm，大于標準口徑(200mm)，也超出允許誤差（00.6mm）上限1.4mm，造成記錄值系統(tǒng)偏大。8）降水時有雪、雹現(xiàn)象時，用人工觀測代替，造成降水誤差。9）兩種儀器安裝高度、位置分辨率不同，引起誤差。3小結(jié)通過比測試驗及比測數(shù)據(jù)的分析研究可以看出，固態(tài)存儲雨量器不適合在干旱少雨、蒸發(fā)量大、風沙大的西部地區(qū)使用。盡管還有部分站觀測數(shù)據(jù)合格率不理想，誤差較大，但從比測情況較好的布哈河口、剛察（二）、下社、上村、同仁、化隆、吉家堡、西納川、橋頭、牛場、王家莊、直門達、新寨等18個站的試驗情況來看,固態(tài)存儲雨量計是適用于我省部分地區(qū)降雨量的觀測使用，而且誤差基本符合要求。對于存在的誤差，在調(diào)試和試驗中，要了解測站的降雨特性，進行滴水比測試驗時，控制給水強度接近測站的實際降雨強度。既要比測儲水瓶的水量，又要比測采集器的記錄量，二者兼顧；經(jīng)常清洗承雨器、翻斗，消除泥沙等污物的影響；為避免左右翻斗翻轉(zhuǎn)量不一致的問題，調(diào)試時可用兩個儲水瓶分別收集左右翻斗的水量，再比較相同翻轉(zhuǎn)次數(shù)的儲水量是否一致，可以通過調(diào)整頂托翻斗的微調(diào)螺釘使兩翻斗翻轉(zhuǎn)量盡可能接近一致,并減少其與翻斗分辨率間的誤差；磁敏開關(guān)與磁鋼間距要調(diào)合適（2mm左右），間距太大，可能無信號或丟失信號，太小，磁鋼吸合后不能立即釋放或開、合混亂。總之,只要不斷實踐,經(jīng)常總結(jié)經(jīng)驗,一定能把測量誤差降到最低。4設(shè)想與建議固態(tài)存儲雨量計是自動采集、固態(tài)存儲、數(shù)據(jù)處理等高技術(shù)含量的新型雨量測驗儀器。我局已比測應用了多年，測驗人員對儀器結(jié)構(gòu)、原理、操作程序、保養(yǎng)維護等方面已有了較全面的了解和掌握，通過多年的比測資料看，部分測站（特別是降水量較大、固體降水量較少的測站）使用固態(tài)存儲雨量計觀測降水精度較高已滿足規(guī)范要求。應用的條件已基本成熟，隨著水文信息采集、存儲、處理、傳輸和預測預報現(xiàn)代化的逐步實現(xiàn)，水文現(xiàn)代化是水文事業(yè)發(fā)展的總趨勢；鑒于以上情況，對此儀器在我省的推廣應用建議如下。1）保留部分基本水文站繼續(xù)對比觀測，并將固態(tài)觀測資料列入整編中進行質(zhì)量評定。作對比資料分析，了解本站在比測中存在的問題，總結(jié)經(jīng)驗，掌握規(guī)律。由此不斷地總結(jié)和積累經(jīng)驗，不斷提高水文信息的可靠性、時效性，逐步提高測站的科技含量和徹底減輕在站人員勞動強度。青海省水文站雨量計觀測型式見表9，調(diào)整后各流域使用固態(tài)存儲雨量計對比觀測的水文站5處，見表10。表9 青海省水文站雨量計使用型式一覽表流域站數(shù)站名 固態(tài)存儲與自記雨量計同期對比觀測虹吸自記雨量計人工雨量器內(nèi)陸河11德令哈(三)、上尕巴、都蘭、香日德(二)、納赤臺、格爾木(四)、布哈河口、剛察(二)、下社察汗烏蘇（二）千瓦鄂博黃河21大米灘、上村、同仁、化隆、清水、海晏、董家莊、石崖莊、西納川、牛場、黑林、橋頭、朝陽、西寧、王家莊、樂都、八里橋、吉家堡、青石嘴傅家寨、尕日得長江4直門達、新寨沱沱河、班瑪站表10 固態(tài)存儲與自記雨量計同期對比觀測水文站流域站數(shù)站名內(nèi)陸河2都蘭、下社黃河2橋頭、樂都、長江1直門達2）增加在群眾委托雨量站正式應用此儀器觀測的范圍。青海省現(xiàn)有85個群眾委托雨量站，雨量站站名及使用儀器形式見表11。此次水文站調(diào)整出的25臺固態(tài)存儲雨量計7臺安裝在內(nèi)陸河流域，12臺安裝在黃河流域，見表12。經(jīng)調(diào)整黃河流域現(xiàn)有72個雨量站全部采用固態(tài)存儲雨量計進行觀測，僅在降水量較少，風沙較大的內(nèi)陸河流域的6個雨量站采用人工雨量器觀測，基本實現(xiàn)了降水觀測的自動化，提高了降水量資料的可靠性和準確度。表11 青海省雨量站及儀器型式一覽表流域固態(tài)存儲雨量計虹吸自記雨量計人工雨量器內(nèi)陸河尕海（合計1個）懷頭他拉、察漢河、夏日哈、柯爾、諾木洪、大格勒(二)、錫鐵山、河西、泉吉、哈爾蓋、湖東、倒淌河（合計12個）黃河麥秀、保安、甘都、道幃、白莊、孟達天池、喇家、滿坪、哈藏灘、巴燕峽、后溝、巴漢、南岔、兔爾干、小茶石浪、山根、董家腦、安卜莊、大寺溝、后河、拉爾貫、黑嘴、黃鼠灣、賈爾基、景家莊、陽坡莊、他哇、泉家灣、衙門莊、月茂莊、陳家莊、祁家莊、保家莊、大寺灘、包家口、紅嶺、拉尕、田家寨、洪水泉、下河灘、灣子、三合、平安鎮(zhèn)、卡金門、林場、楊家崗、狼營、大石灘、紅莊、高廟、中壩、龍王崗、胡拉海、中巷道、涼坪、官地、白家山莊、巴州、包家、古鄯 （合計60個）雙格達、哈城、 蘇爾吉、三角城、華山村、下野牛溝、七塔爾、大莊子、祁家山、陽關(guān)寺、老觀坪、什毛陽山 （合計12個）長江表12 雨量站固態(tài)存儲雨量計調(diào)整表流域固態(tài)存儲雨量計虹吸自記雨量計人工雨量器內(nèi)陸河察漢河、夏日哈、柯爾、泉吉、哈爾蓋、 湖東、倒淌河 （合計7個)尕海懷頭他拉、錫鐵山、諾木洪、大格勒(二)、河西 （合計5個）黃河雙格達、哈城、 蘇爾