不同降水形式下稱重式雨量器在崮山水文站的應(yīng)用分析

趙 鈺，王正紅，張 艷

(濟南市水文局，山東濟南250013)

傳統(tǒng)方法降水量觀測主要為人工觀測，通過普通雨量器收集自然降水，人工采用專用量杯量取儲水瓶中的雨量，操作簡便。隨著近些年自動化技術(shù)不斷發(fā)展，先后應(yīng)用有虹吸式自計雨量器、翻斗式雨量器，這些自動化設(shè)備的應(yīng)用大大減輕了人工觀測的工作量，但是降雪天氣的降水觀測，仍然需要人工完成。通過OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器在崮山水文站的應(yīng)用及對比分析，在不同降水形式下均可實現(xiàn)自動觀測，可有效解決固態(tài)降水的自動觀測，可真正實現(xiàn)降水量的無人值守。

1 崮山站概況

崮山水文站位于山東省濟南市長清區(qū)崮山鎮(zhèn)鳳凰村，北大沙河中游，集水面積373 km2。測驗項目有水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、單位水樣含沙率、降水、蒸發(fā)、墑情、水文調(diào)查等。本站設(shè)站目的為系統(tǒng)積累水文資料研究水文規(guī)律，為防汛抗旱、工程管理、水資源管理、調(diào)度、配置等服務(wù)。

該站多年平均降水量671 mm，最大年降水量為1145.0 mm(2004年)，年際變化較大，年內(nèi)分布不均，降雨主要集中在6月～9月，占全年降水量的65%左右。最大24 h降雨量229.3 mm(1996年7月30日)。觀測場內(nèi)目前設(shè)有普通人工雨量器[1]、0.5 mm翻斗式自計雨量器、OTT Pluvio2-400型稱重式融雪雨量器等。

2 OTT pluvio2-400型稱重式雨量器工作原理

傳統(tǒng)的降水量觀測采用翻斗式雨量桶或人工測量。OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器為德國OTT Hydromet公司研制的一種全天候降水量計，它使用精準的基于稱重技術(shù)來測量雨、雪和冰雹的數(shù)量和強度。OTT Pluvio2-400與業(yè)界領(lǐng)先的氣象服務(wù)合作開發(fā)，采用了高精度的稱重傳感器和算法，可補償風(fēng)、溫度和蒸發(fā)，確保在一段時間內(nèi)實現(xiàn)最高精度的降水測量[2]。

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器底座內(nèi)采用高精度壓力傳感元件，稱量采樣桶所收集的液態(tài)和固態(tài)雨水，集成的溫度傳感器用于補償平衡系統(tǒng)內(nèi)的溫度，內(nèi)部安裝有機械過載保護裝置防止來自垂直方向的破壞。OTT Pluvio2-400采用平衡原理，雨量器每隔6 s采集一次采樣桶的重量，測得的數(shù)值根據(jù)所使用的過濾計算法則相加計算雨量的累積值，如果在6 s內(nèi)雨量的增加超過了4 mm，則不會作為雨量輸出，因為這個數(shù)值超出了雨量的正常水平。OTT pluvio2-400型稱重式雨量器采樣桶開口為200 cm2，測量能力為750mm，分辨率0.1 mm/min。

3 不同降水形式下數(shù)據(jù)分析

為了準確分析OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器在崮山水文站應(yīng)用的可靠性，采用2020年1月1日～9月30日人工雨量數(shù)據(jù)進行對比分析[3]，以人工雨量為基準數(shù)據(jù)，人工雨量減去稱重式雨量的差值為雨量差，作為誤差分析主要依據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 人工觀測與OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器降水量統(tǒng)計表

3.1 不同降水形式誤差分析

2020年1月、2月主要已降雪天數(shù)為主，月累積降水量OTT Pluvio2-400型數(shù)值普遍大于人工觀測數(shù)值，相對誤差最大為-18.4%。3月～9月主要以降雨為主，OTT Pluvio2-400型數(shù)值普遍小于人工觀測數(shù)值，其中6月份有2日出現(xiàn)冰雹天氣，統(tǒng)計對比冰雹兩日的單日誤差均小于0.2 mm。統(tǒng)計分析單日最大誤差為20.1 mm，最小單日誤差為0。1月～9月總的雨量差為29.7 mm，總的相對誤差為4.2%。

3.2 降水天數(shù)統(tǒng)計分析

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器共統(tǒng)計有降水天數(shù)為111 d，人工觀測總天數(shù)為94 d，稱重式雨量器比人工多觀測17 d降水。根據(jù)降水天數(shù)統(tǒng)計分析，由于有樹葉或飛蟲等雜物掉入，造成稱重式雨量器的天數(shù)多出7 d觀測。去除因樹葉、雜物等外部因素干擾后，1月～2月人工有9次漏記不大于0.2 mm的降雪，6月稱重式雨量器有1日漏記，9月人工漏記2 d，其他觀測月份天數(shù)均一致，統(tǒng)計情況見圖1。排除了樹葉或雜物干擾因素外，與人工觀測天數(shù)一致率為89.4%。

圖1 稱重式觀測與人工觀測降水天數(shù)統(tǒng)計表

3.3 降水量相關(guān)性分析

根據(jù)表1月雨量數(shù)據(jù)對比，以人工觀測值為橫坐標(biāo)，OTT Pluvio2-400型稱重式雨量觀測值為縱坐標(biāo)，繪制散點圖，并做回歸分析(見圖2)。圖上可見數(shù)據(jù)排列趨勢形成一條直線分布，其中求得回歸方程為y=0.9366x+1.6387，二者相關(guān)性系數(shù)為0.9997，表明相關(guān)性較好。

圖2 稱重式觀測與人工觀測月降水分布

3.4 誤差成因及分析

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)有降雪天氣時，稱重式觀測要比人工觀測降水量偏大，在出現(xiàn)雨水天氣時，稱重式觀測數(shù)據(jù)普遍小于人工觀測降水量。當(dāng)有冰雹降水天氣時，造成日降水量誤差偏差較大。分析成因主要有以下幾方面：

(1)因觀測設(shè)備及觀測方法不同，測量儀器的不同就會不可避免的造成對比系統(tǒng)偏差、加之儀器的濕潤誤差、觀測時間誤差等，都會成為誤差的來源。

(2)稱重式雨量器安裝有防風(fēng)裝置，因為安裝有防風(fēng)圈的雨量器能夠比無防風(fēng)圈的雨量器采集到更多的降水量，特別是對固態(tài)降水。其次，冬季人工觀測降雪一般采用臺秤稱量，受臺秤精度誤差和人工觀讀誤差影響，微量降雪存在觀測誤差。

(3)分析出現(xiàn)單日最大誤差20.1 mm。主要原因：經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)稱重式雨量器當(dāng)日采用桶內(nèi)雨水已盛滿采用桶，未及時傾倒采樣桶內(nèi)雨水，造成部分雨量漏測。在今后的維護中需特別注意，當(dāng)累計的總降水量接近600 mm時，應(yīng)及時清空采樣桶內(nèi)的雨水。

(4)樹葉或雜質(zhì)的掉落，對稱重式雨量器測量誤差有一定影響，特別是無降水日被誤記為當(dāng)日發(fā)生降水，但統(tǒng)計量都小于0.5 mm，分析原因：有風(fēng)天氣造成樹葉、飛蟲等雜物掉入采樣桶，較大雜物因重量大會被稱重式雨量器通過過濾計算法則過濾掉外部干擾，但較小質(zhì)量的雜物過濾法則無法進行判斷。

4 結(jié)論

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器是一種適合固態(tài)、液態(tài)和混合態(tài)降水總量及降水強度測量的、全自動、全天候降水觀測儀器，小量降水時稱重觀測的能力較優(yōu)。該稱重式雨量器維護較為簡單，穩(wěn)定性較高，當(dāng)采樣桶中的水樣達到總體積80%時才需清空，特別注意為避開周圍的樹木、花草等外界干擾因素，安裝時盡量選取在空曠的位置。在冬季，如果不使用防凍液，只用當(dāng)采樣桶的填充液位不足200 mm時，操作才是可靠的。在特殊天氣如降雪、冰雹等的情況下與人工觀測降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性較好，可以替代人工觀測雨量,實現(xiàn)降水量無人值守，提高水文站觀測自動化水平。