固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)和虹吸自記雨量計(jì)降水量對(duì)比分析及調(diào)整....doc

固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)和虹吸自記雨量計(jì)降水量對(duì)比分析及調(diào)整意見青海省水文水資源勘測(cè)局2007年8月 固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)和虹吸自記雨量計(jì)降水量對(duì)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(dòng)化研究所生產(chǎn)的兩種自動(dòng)測(cè)量、采集、存儲(chǔ)資料的較先進(jìn)儀器。我局從1999年起陸續(xù)安裝了89臺(tái)，其中30臺(tái)安裝在具有虹吸自記雨量計(jì)的水文站進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。為真實(shí)客觀的反映對(duì)比觀測(cè)情況，使其在降水觀測(cè)中發(fā)揮更大的作用，按照局里的安排，我處對(duì)現(xiàn)有30個(gè)水文站觀測(cè)的固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)和虹吸自記雨量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在通過(guò)科學(xué)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(chǔ)降水量資料提供建議和依據(jù)，同時(shí)也對(duì)今后固態(tài)雨量計(jì)站點(diǎn)的布設(shè)提出了調(diào)整意見和建議。1、固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)的工作原理及基本性能主要工作原理：降雨時(shí)，翻斗式雨量計(jì)的承雨口承接降水，經(jīng)引水管導(dǎo)入翻斗，當(dāng)降雨量達(dá)到雨量計(jì)的翻斗容量時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)，帶動(dòng)磁鋼翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)干簧管開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集器，采集器接受脈沖信號(hào)，進(jìn)行累計(jì)。當(dāng)一個(gè)采樣周期（5分鐘）結(jié)束時(shí)，自動(dòng)喚醒采集器，按照采樣周期的累積雨量和發(fā)生日期、時(shí)間，按軟件預(yù)定的格式，存入固態(tài)RAM中，如此不斷重復(fù)，從而達(dá)到連續(xù)、長(zhǎng)期的測(cè)量、記錄降水過(guò)程的目的。當(dāng)需要降水資料時(shí)，通過(guò)采集器的RS232通信接口及通信電纜，利用便攜式計(jì)算機(jī)或?qū)懣ㄆ鲗?shù)據(jù)采集器中的降水?dāng)?shù)據(jù)讀出，利用中心站計(jì)算機(jī)及專用軟件，建立小型數(shù)據(jù)庫(kù)或打印輸出各種成果表。主要技術(shù)指標(biāo)：工作溫度為2055；適宜雨強(qiáng)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(dá)到0.2mm時(shí)，可翻轉(zhuǎn)一次進(jìn)行一次記錄；翻斗計(jì)量誤差小于4%；輸出信號(hào)方式為磁鋼干簧管接點(diǎn)接通信號(hào)，磁鋼與干簧管工作距離為2mm。固態(tài)存儲(chǔ)雨量器的翻斗是量測(cè)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵所在，翻斗的翻倒水量可按下式計(jì)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(duì)比觀測(cè)2.1測(cè)站基本情況30個(gè)水文站分布在青海省境內(nèi)內(nèi)陸河、長(zhǎng)江、黃河流域，覆蓋面較廣具有較強(qiáng)的代表性。各站的固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)、虹吸自記雨量計(jì)和人工雨量計(jì)安裝在同一觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，觀測(cè)場(chǎng)地均符合SL2190降水觀測(cè)規(guī)范要求。測(cè)站所屬流域劃分見表1。表1、測(cè)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(tái)、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(chǎng)、黑林、橋頭、朝陽(yáng)、西寧、王家莊、樂都、八里橋、吉家堡、青石嘴長(zhǎng)江直門達(dá)、新寨2.2資料的選用30個(gè)水文站中，海晏、牛場(chǎng)、青石嘴三站因氣溫偏低，采用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)時(shí)間為69月，其余站觀測(cè)時(shí)間為59月，當(dāng)各站出現(xiàn)固體降水時(shí)采用人工觀測(cè)，不參加統(tǒng)計(jì)分析。2.3資料分析對(duì)30個(gè)同時(shí)使用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)和虹吸自記雨量計(jì)觀測(cè)的水文站的降水資料采用匯編成果進(jìn)行分析，資料真實(shí)可靠。參照SL2190降水觀測(cè)規(guī)范中關(guān)于測(cè)量精度的要求，以下分析均以虹吸自記雨量計(jì)記錄雨量作為真值，固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)記錄雨量作為儀器記錄雨量，用絕對(duì)、相對(duì)誤差來(lái)評(píng)價(jià)降水量的合格率。2.3.1月降水量的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)30個(gè)站（其中5月份參加統(tǒng)計(jì)26站，9月份29站）汛期采用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)的月降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，5月份參加統(tǒng)計(jì)的26個(gè)站的月降水量相對(duì)誤差4%的站有8個(gè)，6月4%的站有12個(gè)，7月4%的站有8個(gè)，8月4%的站有7個(gè)，9月4%的站有10個(gè)，參加統(tǒng)計(jì)月份145個(gè)，合格率69.0%；59月月降水量總量4%的站為6個(gè)，合格率80%。各站固態(tài)自記月降水量對(duì)比分析見表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，誤差超過(guò)范圍的月降水量多集中分布在風(fēng)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(jì)分析用絕對(duì)、相對(duì)誤差來(lái)評(píng)價(jià)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(cè)精度如下：1）排水量小于等于10mm，以絕對(duì)誤差表示，量測(cè)誤差宜不超過(guò)0.2mm，不得超過(guò)0.4mm，絕對(duì)誤差0.4mm為合格；2）排水量大于10mm，用相對(duì)誤差表示，量測(cè)誤差宜不超過(guò)2%，不得超過(guò)4%，4%為合格，相對(duì)誤差計(jì)算式如下：=100%式中：量測(cè)誤差，用百分?jǐn)?shù)表示（%）； W自虹吸自記雨量計(jì)記錄雨量（mm）； W固固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)記錄雨量（mm）。各站日降水量對(duì)比分析見附表，日降水量統(tǒng)計(jì)見表3。日降水量統(tǒng)計(jì)了30個(gè)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(jì)相對(duì)誤差合格天數(shù)193天，合格率65.6%，最大相對(duì)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(jì)絕對(duì)誤差合格率93.7%，最大絕對(duì)誤差-3.8mm，6月27日發(fā)生在青石嘴站。統(tǒng)計(jì)表明，固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)值較虹吸自記雨量計(jì)觀測(cè)值偏大。2.3.3最大、次大日降水量對(duì)比分析在30個(gè)站中選擇60場(chǎng)虹吸自記雨量計(jì)與固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)記錄的最大及次大日降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(cè)，統(tǒng)計(jì)表中僅列其值不參加計(jì)算，其統(tǒng)計(jì)見表4。通過(guò)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差比較，30次最大日降水量中，6次為負(fù)誤差，占總場(chǎng)次30次的20%，絕對(duì)誤差的平均值為0.4mm，相對(duì)誤差的平均值為1.60%，最大絕對(duì)誤差2.0mm，7月26日發(fā)生在西寧站，最大相對(duì)誤差10.57%，7月25日發(fā)生在納赤臺(tái)站；28次次大日降水量中，7次為負(fù)誤差，占總場(chǎng)次的25%，絕對(duì)誤差的平均值為0.3mm，最大絕對(duì)誤差1.7mm，7月28日發(fā)生在海晏站，相對(duì)誤差的平均值為1.9%，最大相對(duì)誤差11.07%，7月17日發(fā)生在納赤臺(tái)站。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)值偏大，誤差分布明顯正的一方大于負(fù)的一方。2.3.4降水日數(shù)的對(duì)比分析兩種雨量計(jì)觀測(cè)的降水日數(shù)主要表現(xiàn)在微量降水的天數(shù)，30個(gè)站總降水日數(shù)只有大米灘、董家莊、牛場(chǎng)、西寧四站兩種儀器觀測(cè)日數(shù)相同，其余26個(gè)站固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)的日數(shù)均小于虹吸自記雨量計(jì)的日數(shù)。虹吸自記雨量計(jì)的分辨率為0.1mm，固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)的分辨率為0.2mm，當(dāng)出現(xiàn)小于0.2mm降水量時(shí)固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)反映觀測(cè)數(shù)據(jù)不明顯，統(tǒng)計(jì)30個(gè)站日降水量小于或等于0.2mm的日數(shù)，15個(gè)站固態(tài)存儲(chǔ)雨量觀測(cè)日數(shù)小于虹吸自記雨量計(jì)，4個(gè)站兩種儀器觀測(cè)日數(shù)相同?？傮w來(lái)說(shuō)，虹吸自記雨量計(jì)觀測(cè)的日數(shù)多于固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)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(gè)水文站中選擇14個(gè)各流域的代表站，對(duì)其多年月平均降水量資料進(jìn)行分析，代表站站名及對(duì)比觀測(cè)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(zhǎng)江直門達(dá)、新寨2001-2006年對(duì)14個(gè)站進(jìn)行5-9月420組總降水量、月降水量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、匯總分析。各站固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)與虹吸自記雨量計(jì)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(duì)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(jì)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(chǔ)雨量計(jì)與虹吸自記雨量計(jì)對(duì)照結(jié)果類 別比測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)允許誤差內(nèi) 數(shù)據(jù)個(gè)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(jì)表明，各水文測(cè)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(duì)儀器的使用可能造成影響。但是，影響固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)降水量偏大，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的主要原因如下：1）固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)與虹吸自記鐘之間存在誤差，造成兩套儀器采集時(shí)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(dāng)降水強(qiáng)度、降水量較大時(shí)，固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)翻斗雨量盡管未達(dá)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(qiáng)，誤差越大。3）固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)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(yàn)人工模擬降水強(qiáng)度不合適，導(dǎo)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(duì)翻斗的開關(guān)信號(hào)影響較大。5）翻斗內(nèi)的泥沙未能及時(shí)清除，影響翻斗的計(jì)量誤差。6）降水較小或臨近降雨結(jié)束時(shí)，翻斗內(nèi)的雨量達(dá)不到翻斗的分辨率，降水量或被蒸發(fā)，或被計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)有雪、雹現(xiàn)象時(shí)，用人工觀測(cè)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(guò)比測(cè)試驗(yàn)及比測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究可以看出，固態(tài)存儲(chǔ)雨量器不適合在干旱少雨、蒸發(fā)量大、風(fēng)沙大的西部地區(qū)使用。盡管還有部分站觀測(cè)數(shù)據(jù)合格率不理想，誤差較大，但從比測(cè)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(chǎng)、王家莊、直門達(dá)、新寨等18個(gè)站的試驗(yàn)情況來(lái)看,固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)是適用于我省部分地區(qū)降雨量的觀測(cè)使用，而且誤差基本符合要求。對(duì)于存在的誤差，在調(diào)試和試驗(yàn)中，要了解測(cè)站的降雨特性，進(jìn)行滴水比測(cè)試驗(yàn)時(shí)，控制給水強(qiáng)度接近測(cè)站的實(shí)際降雨強(qiáng)度。既要比測(cè)儲(chǔ)水瓶的水量，又要比測(cè)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(wèn)題，調(diào)試時(shí)可用兩個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)水量是否一致，可以通過(guò)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(wú)信號(hào)或丟失信號(hào)，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(shí)踐,經(jīng)?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn),一定能把測(cè)量誤差降到最低。4設(shè)想與建議固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)是自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等高技術(shù)含量的新型雨量測(cè)驗(yàn)儀器。我局已比測(cè)應(yīng)用了多年，測(cè)驗(yàn)人員對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、原理、操作程序、保養(yǎng)維護(hù)等方面已有了較全面的了解和掌握，通過(guò)多年的比測(cè)資料看，部分測(cè)站（特別是降水量較大、固體降水量較少的測(cè)站）使用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)觀測(cè)降水精度較高已滿足規(guī)范要求。應(yīng)用的條件已基本成熟，隨著水文信息采集、存儲(chǔ)、處理、傳輸和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)現(xiàn)代化的逐步實(shí)現(xiàn)，水文現(xiàn)代化是水文事業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)；鑒于以上情況，對(duì)此儀器在我省的推廣應(yīng)用建議如下。1）保留部分基本水文站繼續(xù)對(duì)比觀測(cè)，并將固態(tài)觀測(cè)資料列入整編中進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。作對(duì)比資料分析，了解本站在比測(cè)中存在的問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，掌握規(guī)律。由此不斷地總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提高水文信息的可靠性、時(shí)效性，逐步提高測(cè)站的科技含量和徹底減輕在站人員勞動(dòng)強(qiáng)度。青海省水文站雨量計(jì)觀測(cè)型式見表9，調(diào)整后各流域使用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)對(duì)比觀測(cè)的水文站5處，見表10。表9 青海省水文站雨量計(jì)使用型式一覽表流域站數(shù)站名 固態(tài)存儲(chǔ)與自記雨量計(jì)同期對(duì)比觀測(cè)虹吸自記雨量計(jì)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(tái)、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(chǎng)、黑林、橋頭、朝陽(yáng)、西寧、王家莊、樂都、八里橋、吉家堡、青石嘴傅家寨、尕日得長(zhǎng)江4直門達(dá)、新寨沱沱河、班瑪站表10 固態(tài)存儲(chǔ)與自記雨量計(jì)同期對(duì)比觀測(cè)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(zhǎng)江1直門達(dá)2）增加在群眾委托雨量站正式應(yīng)用此儀器觀測(cè)的范圍。青海省現(xiàn)有85個(gè)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(tái)固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)7臺(tái)安裝在內(nèi)陸河流域，12臺(tái)安裝在黃河流域，見表12。經(jīng)調(diào)整黃河流域現(xiàn)有72個(gè)雨量站全部采用固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，僅在降水量較少，風(fēng)沙較大的內(nèi)陸河流域的6個(gè)雨量站采用人工雨量器觀測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)了降水觀測(cè)的自動(dòng)化，提高了降水量資料的可靠性和準(zhǔn)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(chǔ)雨量計(jì)虹吸自記雨量計(jì)人工雨量器內(nèi)陸河尕海（合計(jì)1個(gè)）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(jì)12個(gè)）黃河麥秀、保安、甘都、道幃、白莊、孟達(dá)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(yáng)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(chǎng)、楊家崗、狼營(yíng)、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(jì)60個(gè)）雙格達(dá)、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(yáng)關(guān)寺、老觀坪、什毛陽(yáng)山 （合計(jì)12個(gè)）長(zhǎng)江表12 雨量站固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)調(diào)整表流域固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)虹吸自記雨量計(jì)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(jì)7個(gè))尕海懷頭他拉、錫鐵山、諾木洪、大格勒(二)、河西 （合計(jì)5個(gè)）黃河雙格達(dá)、哈城、 蘇爾