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固态存储雨量计和虹吸自记雨量计降水量对比分析及调整意见

青海省水文水资源勘测局
2007年8月

固态存储雨量计和虹吸自记雨量计降水量对比分析及调整意见
JDZ-1型雨量数据采集仪和WFZ-2型水位、雨量数据采集仪是水利部南京水利自动化研究所生产的两种自动测量、采集、存储资料的较先进仪器。我局从1999年起陆续安装了89台，其中30台安装在具有虹吸自记雨量计的水文站进行对比观测。为真实客观的反映对比观测情况，使其在降水观测中发挥更大的作用，按照局里的安排，我处对现有30个水文站观测的固态存储雨量计和虹吸自记雨量计数据进行了对比分析，旨在通过科学合理的分析，寻找两者差异的原因，为更好地使用固态存储降水量资料提供建议和依据，同时也对今后固态雨量计站点的布设提出了调整意见和建议。
1、固态存储雨量计的工作原理及基本性能
主要工作原理：降雨时，翻斗式雨量计的承雨口承接降水，经引水管导入翻斗，当降雨量达到雨量计的翻斗容量时，翻斗翻转，带动磁钢翻转，触发干簧管开关，产生一个脉冲信号送入数据采集器，采集器接受脉冲信号，进行累计。当一个采样周期（5分钟）结束时，自动唤醒采集器，按照采样周期的累积雨量和发生日期、时间，按软件预定的格式，存入固态RAM中，如此不断重复，从而达到连续、长期的测量、记录降水过程的目的。当需要降水资料时，通过采集器的RS232通信接口及通信电缆，利用便携式计算机或写卡器将数据采集器中的降水数据读出，利用中心站计算机及专用软件，建立小型数据库或打印输出各种成果表。
主要技术指标：工作温度为－20～55℃；适宜雨强范围为0.01～4mm/min；仪器分辨率0.2mm，即翻斗感量为6.28g/斗，降水达到0.2mm时，可翻转一次进行一次记录；翻斗计量误差小于4%；输出信号方式为磁钢～干簧管接点接通信号，磁钢与干簧管工作距离为2mm。
固态存储雨量器的翻斗是量测准确与否的关键所在，翻斗的翻倒水量可按下式计算：P=G·N
式中：P—翻斗理论上的翻倒雨量；
G—仪器感量；
N—翻斗翻转倒水次数。
2、对比观测
2.1测站基本情况
30个水文站分布在青海省境内内陆河、长江、黄河流域，覆盖面较广具有较强的代表性。各站的固态存储雨量计、虹吸自记雨量计和人工雨量计安装在同一观测场内，观测场地均符合SL21—90《降水观测规范》要求。测站所属流域划分见表1。
表1、测站流域划分表
流域
站名
内陆河
德令哈(三)、上尕巴、都兰、香日德(二)、纳赤台、格尔木(四)、布哈河口、刚察(二)、下社
黄河
大米滩、上村、同仁、化隆、清水、海晏、董家庄、石崖庄、西纳川、牛场、黑林、桥头、朝阳、西宁、王家庄、乐都、八里桥、吉家堡、青石嘴
长江
直门达、新寨
2.2资料的选用
30个水文站中，海晏、牛场、青石嘴三站因气温偏低，采用固态存储雨量计观测时间为6~9月，其余站观测时间为5~9月，当各站出现固体降水时采用人工观测，不参加统计分析。
2.3资料分析
对30个同时使用固态存储雨量计和虹吸自记雨量计观测的水文站的降水资料采用汇编成果进行分析，资料真实可靠。参照SL21—90《降水观测规范》中关于测量精度的要求，以下分析均以虹吸自记雨量计记录雨量作为真值，固态存储雨量计记录雨量作为仪器记录雨量，用绝对、相对误差来评价降水量的合格率。
2.3.1月降水量的统计分析
对30个站（其中5月份参加统计26站，9月份29站）汛期采用固态存储雨量计观测的月降水量进行统计，5月份参加统计的26个站的月降水量相对误差︱δ︱﹥4%的站有8个，6月︱δ︱﹥4%的站有12个，7月︱δ︱﹥4%的站有8个，8月︱δ︱﹥4%的站有7个，9月︱δ︱﹥4%的站有10个，参加统计月份145个，合格率69.0%；5～9月月降水量总量︱δ︱﹥4%的站为6个，合格率80%。各站固态—自记月降水量对比分析见表2。经统计，误差超过范围的月降水量多集中分布在风沙较大，降水量稀少的内陆河流域的水文站。
2.3.2日降水量的统计分析
用绝对、相对误差来评价日降水量的合格率，根据规范仪器分辨率为0.1、0.2mm的雨量量测精度如下：
1）排水量小于等于10mm，以绝对误差表示，量测误差宜不超过±0.2mm，不得超过±0.4mm，︱绝对误差︳≤0.4mm为合格；
2）排水量大于10mm，用相对误差表示，量测误差宜不超过±2%，不得超过±4%，︱δ︱≤4%为合格，相对误差计算式如下：
=×100%··
式中：δ—量测误差，用百分数表示（%）；
W自——虹吸自记雨量计记录雨量（mm）；
W固—固态存储雨量计记录雨量（mm）。
各站日降水量对比分析见附表，日降水量统计见表3。日降水量统计了30个站，2306天，在误差范围内的有2078天，合格率为90.1%。其中，降水量＞10mm天数294天，统计相对误差合格天数193天，合格率65.6%，最大相对误差19.4%， 9月21日出现在香日德站；降水量小于或等于10mm天数2012天，统计绝对误差合格率93.7%，最大绝对误差-3.8mm，6月27日发生在青石嘴站。统计表明，固态存储雨量计观测值较虹吸自记雨量计观测值偏大。
2.3.3最大、次大日降水量对比分析
在30个站中选择60场虹吸自记雨量计与固态存储雨量计记录的最大及次大日降水量数据进行对比分析，其中都兰、香日德（二）两站次大降水量为降雪，采用人工观测，统计表中仅列其值不参加计算，其统计见表4。
通过绝对误差和相对误差比较，30次最大日降水量中，6次为负误差，占总场次30次的20%，绝对误差的平均值为0.4mm，相对误差的平均值为1.60%，最大绝对误差2.0mm，7月26日发生在西宁站，最大相对误差10.57%，7月25日发生在纳赤台站；28次次大日降水量中，7次为负误差，占总场次的25%，绝对误差的平均值为0.3mm，最大绝对误差1.7mm，7月28日发生在海晏站，相对误差的平均值为1.9%，最大相对误差11.07%，7月17日发生在纳赤台站。以上数据说明，固态存储雨量计观测值偏大，误差分布明显正的一方大于负的一方。
2.3.4降水日数的对比分析
两种雨量计观测的降水日数主要表现在微量降水的天数，30个站总降水日数只有大米滩、董家庄、牛场、西宁四站两种仪器观测日数相同，其余26个站固态存储雨量计观测的日数均小于虹吸自记雨量计的日数。虹吸自记雨量计的分辨率为0.1mm，固态存储雨量计的分辨率为0.2mm，当出现小于0.2mm降水量时固态存储雨量计反映观测数据不明显，统计30个站日降水量小于或等于0.2mm的日数，15个站固态存储雨量观测日数小于虹吸自记雨量计，4个站两种仪器观测日数相同。总体来说，虹吸自记雨量计观测的日数多于固态存储雨量计观测的降水日数，只有0.1～0.2mm的降水量的日数有差异，详见表5。
2.3.5流域代表站多年月平均降水量分析
在30个水文站中选择14个各流域的代表站，对其多年月平均降水量资料进行分析，代表站站名及对比观测年限见表6。
表6 流域代表站一览表
流域
站名
资料选用起始年限
内陆河
德令哈(三)、格尔木(四)
2002-2006年
布哈河口、下社
2000-2006年
黄河
大米滩、上村
2000-2006年
董家庄、西纳川、黑林、桥头
2001-2006年
同仁
2001、2003-2006年
西宁
2001、2002、2004-2006年
长江
直门达、新寨
2001-2006年
对14个站进行5-9月420组总降水量、月降水量数据的统计、汇总分析。各站固态存储雨量计与虹吸自记雨量计之间多年月降水量及误差见表7，多年平均月降水量最大相对误差22.7%，5月发生在西纳川站。下社、大米滩两站多年统计各月误差均超出范围。误差结果汇总见表8。

表8 固态存储雨量计与虹吸自记雨量计对照结果
类 别
比测数据个数
允许误差内 数据个数
合格率%
总降水量
14
8
57.1
月降水量
70
47
67.1
2.4误差原因分析
上述统计表明，各水文测站由于所处自然环境不同，且水文气象条件存在差异，因此，对仪器的使用可能造成影响。但是，影响固态存储雨量计降水量偏大，对试验产生误差的主要原因如下：
1）固态存储雨量计与虹吸自记钟之间存在误差，造成两套仪器采集时间不一致，引起记录的雨量差异， 特别是日分界降雨越大，差异越大。
2）当降水强度、降水量较大时，固态存储雨量计翻斗雨量尽管未达到0.2mm，但较大的降水冲击力致使翻斗提前翻转，使记录量偏大，且降雨越强，误差越大。
3）固态存储雨量计在安装调试上左、右翻斗的翻转量调节不一致，滴水试验人工模拟降水强度不合适，导致翻斗分辨率之间存在调试产生的人为误差。
4）磁敏开关与磁钢的距离以及磁敏开关的灵敏度、抗干扰等性能对翻斗的开关信号影响较大。
5）翻斗内的泥沙未能及时清除，影响翻斗的计量误差。
6）降水较小或临近降雨结束时，翻斗内的雨量达不到翻斗的分辨率，降水量或被蒸发，或被计入第二日的降水量，使第二日的降水量偏大。
7）雨量桶承雨器口内径为202mm，大于标准口径(200mm)，也超出允许误差（0～0.6mm）上限1.4mm，造成记录值系统偏大。
8）降水时有雪、雹现象时，用人工观测代替，造成降水误差。
9）两种仪器安装高度、位置分辨率不同，引起误差。
3小结
通过比测试验及比测数据的分析研究可以看出，固态存储雨量器不适合在干旱少雨、蒸发量大、风沙大的西部地区使用。尽管还有部分站观测数据合格率不理想，误差较大，但从比测情况较好的布哈河口、刚察（二）、下社、上村、同仁、化隆、吉家堡、西纳川、桥头、牛场、王家庄、直门达、新寨等18个站的试验情况来看,固态存储雨量计是适用于我省部分地区降雨量的观测使用，而且误差基本符合要求。对于存在的误差，在调试和试验中，要了解测站的降雨特性，进行滴水比测试验时，控制给水强度接近测站的实际降雨强度。既要比测储水瓶的水量，又要比测采集器的记录量，二者兼顾；经常清洗承雨器、翻斗，消除泥沙等污物的影响；为避免左右翻斗翻转量不一致的问题，调试时可用两个储水瓶分别收集左右翻斗的水量，再比较相同翻转次数的储水量是否一致，可以通过调整顶托翻斗的微调螺钉使两翻斗翻转量尽可能接近一致,并减少其与翻斗分辨率间的误差；磁敏开关与磁钢间距要调合适（2mm左右），间距太大，可能无信号或丢失信号，太小，磁钢吸合后不能立即释放或开、合混乱。总之,只要不断实践,经常总结经验,一定能把测量误差降到最低。
4设想与建议
固态存储雨量计是自动采集、固态存储、数据处理等高技术含量的新型雨量测验仪器。我局已比测应用了多年，测验人员对仪器结构、原理、操作程序、保养维护等方面已有了较全面的了解和掌握，通过多年的比测资料看，部分测站（特别是降水量较大、固体降水量较少的测站）使用固态存储雨量计观测降水精度较高已满足规范要求。应用的条件已基本成熟，随着水文信息采集、存储、处理、传输和预测预报现代化的逐步实现，水文现代化是水文事业发展的总趋势；鉴于以上情况，对此仪器在我省的推广应用建议如下。
1）保留部分基本水文站继续对比观测，并将固态观测资料列入整编中进行质量评定。作对比资料分析，了解本站在比测中存在的问题，总结经验，掌握规律。由此不断地总结和积累经验，不断提高水文信息的可靠性、时效性，逐步提高测站的科技含量和彻底减轻在站人员劳动强度。青海省水文站雨量计观测型式见表9，调整后各流域使用固态存储雨量计对比观测的水文站5处，见表10。

表9 青海省水文站雨量计使用型式一览表
流域
站数
站名
固态存储与自记雨量计同期对比观测
虹吸自记雨量计
人工雨量器
内陆河
11
德令哈(三)、上尕巴、都兰、香日德(二)、纳赤台、格尔木(四)、布哈河口、刚察(二)、下社
察汗乌苏（二）
千瓦鄂博
黄河
21
大米滩、上村、同仁、化隆、清水、海晏、董家庄、石崖庄、西纳川、牛场、黑林、桥头、朝阳、西宁、王家庄、乐都、八里桥、吉家堡、青石嘴
傅家寨、
尕日得
长江
4
直门达、新寨

沱沱河、班玛站

表10 固态存储与自记雨量计同期对比观测水文站
流域
站数
站名
内陆河
2
都兰、下社
黄河
2
桥头、乐都、
长江
1
直门达
2）增加在群众委托雨量站正式应用此仪器观测的范围。青海省现有85个群众委托雨量站，雨量站站名及使用仪器形式见表11。此次水文站调整出的25台固态存储雨量计7台安装在内陆河流域，12台安装在黄河流域，见表12。经调整黄河流域现有72个雨量站全部采用固态存储雨量计进行观测，仅在降水量较少，风沙较大的内陆河流域的6个雨量站采用人工雨量器观测，基本实现了降水观测的自动化，提高了降水量资料的可靠性和准确度。

表11 青海省雨量站及仪器型式一览表
流域
固态存储雨量计
虹吸自记雨量计
人工雨量器
内陆河

尕海
（合计1个）
怀头他拉、察汉河、夏日哈、柯尔、诺木洪、大格勒(二)、锡铁山、河西、泉吉、哈尔盖、湖东、倒淌河
（合计12个）
黄河
麦秀、保安、甘都、道帏、白庄、孟达天池、喇家、满坪、哈藏滩、巴燕峡、后沟、巴汉、南岔、兔尔干、小茶石浪、山根、董家脑、安卜庄、大寺沟、后河、拉尔贯、黑嘴、黄鼠湾、贾尔基、景家庄、阳坡庄、他哇、泉家湾、衙门庄、月茂庄、陈家庄、祁家庄、保家庄、大寺滩、包家口、红岭、拉尕、田家寨、洪水泉、下河滩、湾子、三合、平安镇、卡金门、林场、杨家岗、狼营、大石滩、红庄、高庙、中坝、龙王岗、胡拉海、中巷道、凉坪、官地、白家山庄、巴州、包家、古鄯 （合计60个）

双格达、哈城、 苏尔吉、三角城、华山村、下野牛沟、七塔尔、大庄子、祁家山、阳关寺、老观坪、什毛阳山 （合计12个）
长江

表12 雨量站固态存储雨量计调整表
流域
固态存储雨量计
虹吸自记雨量计
人工雨量器
内陆河
察汉河、夏日哈、柯尔、泉吉、哈尔盖、 湖东、倒淌河 （合计7个)
尕海
怀头他拉、锡铁山、诺木洪、大格勒(二)、河西
（合计5个）
黄河
双格达、哈城、 苏尔吉、三角城、华山村、下野牛沟、七塔尔、大庄子、祁家山、老观坪、阳关寺、什毛阳山
（合计12个）

3）建议使用分辨率为0.1mm的固态存储雨量计，以便于与蒸发量观测的对照分析。由于固态存储雨量计传感器结构合理、材料先进、又是随降随测的测量系统，因而减少了由蒸发引起的降水损失。同时由于雨量传感器内部结构上翻斗与汇集漏斗的作用，使不同的自然降水强度积聚成近似固定的量，通过汇集漏斗节流管，把不同强度的自然降水，调节为比较均匀的降水强度，减少了由于降水强度不同所造成的测量误差，从而也大大消除了虹吸雨量计在大暴雨过程中，因虹吸次数过多过密引起的误差增大，以及虹吸雨量自记记录难以辩认的缺憾。