貴陽站自動與人工觀測降水量差異分析

吳有恒，閔昌紅，吳世美，張 杰，白永坤

(貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

0 引言

降雨資料在天氣預報、氣候分析中起著關鍵作用，應用非常廣泛。貴陽基準站從2003年開始使用翻斗式雨量傳感器自動觀測降水量，2004—2012年自動翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計同步觀測。2012年以后，全國氣象站降水量以自動觀測為準，虹吸自記觀測不再考核。但同年貴陽基準站被定為長期保留人工器測觀測任務的氣象臺站之一，恢復虹吸雨量計等人工器測自記記錄觀測任務。通過對本站長期連續的3種觀測方式的降水資料進行比較，統計自動與人工觀測差值的分布情況，分析系統偏差原因，以數據、圖表展現本站降水觀測中的誤差大小與分布，為今后雨量觀測設備維護、校準等工作中提供參考。

1 資料和方法

1.1 儀器和資料

使用貴陽站自動翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計2004—2020年同期(4—11月)觀測降水量進行分析。3種觀測方式的承水器口徑都為20 cm口徑，安裝在同一觀測場內不同的位置，人工觀測無降水時，降水量為0，降雨量<0.05 mm時，用微量表示，自動觀測無降水或降水量<0.1 mm時用0表示。

對自動、人工、虹吸自記3種觀測方式的年、月、日降水量及自動與虹吸自記觀測小時降水量進行對比，2004年11月未啟用虹吸雨量計，該月不作分析。氣象觀測項目除輻射、自動觀測日照以地方平均太陽時24時為日界外，其余觀測項目均以北京時20時為日界。跨日界降水是指降水過程持續至次日，人工定時觀測降水量在20時之前完成，但自動觀測降水量在20時正點完成，所以該日自動與人工觀測日降水量差值會很大，遇跨日界降水，就以過程降水累計量進行統計。

1.2 方法

①由于自動觀測用的翻斗雨量器比人工觀測用的雨量筒機械結構復雜，引起降雨測量誤差的渠道更多[1]，故以人工雨量筒觀測記錄為準，計算自動和人工觀測差值。在《地面氣象觀測規范》[2]表3.1自動氣象站技術性能要求表中，降水準確度為0.4 mm(≤10 mm)，4%(>10 mm)，若自動與人工觀測差值不在此范圍，則認為偏差超常[3]。

②樣本容量較大時，假設自動與人工觀測日降水量差值變量遵從正態分布。在顯著水平α=0.05下，若樣本的峰度系數g1、偏度系數g2滿足：|g1|>1.96Sg1、|g2|>1.96Sg2，則拒絕假設，變量不遵從正態分布。其中均方差：

(1)

(2)

式中n為樣本容量。

2 差異分析

2.1 年降水量對比

從17 a年降水量偏差均值來看，自動分別比人工、虹吸自記測值偏大1.7%、2.2%，虹吸比人工測值偏小0.5%。從3種觀測方式年降水量差值段內個數統計來看，偏差基本在±5%以內，但2011年、2012年、2013年自動比人工、虹吸自記測值偏差均大于5%，2012年偏差最大為8.5%。從17 a年降水量差值分布情況看(表2)，自動大于人工觀測的年份占71%；自動與人工觀測的年降水量差值在±5%以內的年份占82%。

表1 年降水量偏差(單位：%)Tab.1 Annual precipitation deviation (unit:%)

注：D1=(自動觀測值-雨量筒觀測值)/雨量筒觀測值，D2=(自動觀測值-虹吸雨量計觀測值)/虹吸雨量計觀測值，D3=(虹吸雨量計觀測值-雨量筒觀測值)/雨量筒觀測值。下同。

表2 年降水量差值段內的年數(d代表偏差程度)Tab.2 Number of years in the annual precipitation difference section (d represents the degree of deviation)

2.2 月降水量對比

對自動、人工、虹吸自記觀測月降水量數據進行比較(圖1)。3種觀測方式同期進行的月份為每年的4—11月，去掉自動、虹吸自記觀測出現故障的2個月，參與對比分析的同期月份有134個月。自動比人工觀測偏大的月份為94個月，占總月份數的70.1%，自動比虹吸自記觀測偏大的月份為98個月，占總月份數的73.1%，人工比虹吸自記觀測偏大的月份數為70個月，占總月份數的52.2%，偏差都集中在±5%以內。134個月中有96個月自動與人工觀測差值在±4%以內，占比71.6%；有88個月自動與虹吸自記觀測差值在±4%以內，占比65.7%；有125個月人工與虹吸自記觀測差值在±4%以內，占比93.3%，人工與虹吸自記測值最接近。

2.3 日降水量對比

從圖2可見，分布圖的中心稍微右偏，說明同一觀測場內不同位置進行的自動與人工雨量對比觀測，不僅存在降水量空間分布不均帶來的采樣差，還存在測量儀器不同造成的系統偏差[4]。自動比人工觀測的日降水量平均偏高0.13 mm，相對偏高1.53%；自動比虹吸自記觀測的日降水量平均偏高0.2 mm，相對偏高2.35%；虹吸與人工觀測日降水量差值平均為0.0 mm。

圖1 月降水量差值段內的月數Fig.1 Number of months in the monthly precipitation difference section

圖2 日降水量差值頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of daily precipitation difference

2.4 小時降水量偏差

2004—2020年4—11月間降水日數有2558 d，其中人工雨量筒觀測日降水量為微量0.0 mm的日數有576 d，2004年11月沒有啟用虹吸雨量計，剩余降水量>0.05 mm的日數有1973 d。

由誤差統計表(表3、表4)來看，日降水量≤10 mm的天數最多，占總降水日數的75.2%，其中自動與人工觀測誤差在±0.4以外的天數在日降水量≤10 mm天數中占6.8%；日降水量>10 mm的天數占總降水日數的24.8%，其中自動與人工觀測誤差在±4%以外的天數在日降水量>10 mm天數中占26.6%。自動與虹吸自記測值相近但人工與自動觀測差值較大，自動、人工、虹吸自記三者觀測差值都較大的情況都作為異常數據不做分析，分別占1.3%(日降水量≤10 mm) 及4.7%(日降水量>10 mm)；剩余人工與虹吸自記觀測日降水量誤差在±0.4(±4%)以內，但自動與人工觀測日降水量差值在±0.4(±4%)以外且該日出現自動與虹吸自記觀測小時降水量差值也在±0.4(±4%)以外的天數分別占0.9%(日降水量≤10 mm)及13.9%(日降水量>10 mm)。

表3 日降水量(≤10 mm)誤差統計Tab.3 Error statistics of daily precipitation(≤10 mm)

表4 日降水量(>10 mm)誤差統計Tab.4 Error statistics of daily precipitation(>10mm)

表4中滿足條件|R1-R2|/R2>4%、|R2-R3|/R3≤4%、|r1-r2|/r2>4%的日數中自動與虹吸自記觀測小時降水量差值在±4%(±0.4)以外的時次，對自動與虹吸自記觀測小時降水量差值絕對值與小時降水量、分鐘最大雨強、降水持續時間進行相關性分析，皮爾遜相關系數依次為0.783**、0.474**、0.274**，可見小時降水量偏差超常時的差值絕對值與小時降水量呈高度正相關。

2.5 降水量偏差原因分析

2.5.1 空間采樣差 降水量在空間分布上存在不均勻性，即使安裝在相同觀測場內不同位置的同型號雨量器也會出現采樣誤差。經過全國30個標準雨量站7 a對比試驗[4]后發現，空間采樣差可通過多年平均或累加后濾掉。本站自動翻斗雨量器、人工雨量筒、虹吸雨量計安裝在觀測場不同位置，同樣存在空間采樣差，但對于多次測量累計統計不受該誤差影響。

2.5.2 系統誤差 降水量觀測儀器構造不同造成系統偏差。試驗證明[4]，人工觀測用雨量筒系統誤差主要為承水口風場變形誤差、盛水器和儲水瓶內壁的沾濕誤差，自動翻斗雨量器及虹吸雨量計也存在上述2種系統誤差，但沒有儲水瓶內壁的沾濕誤差，自動翻斗雨量器相比人工雨量筒機械結構復雜，引起測量誤差的渠道更多。由圖3看出，自動與虹吸自記觀測小時降水量偏差超常時的差值集中在0.5～2.0 mm之間，正差值多于負差值，自動翻斗計數受雨強影響很大，雨強較大時，翻斗慣性導致計數增多使得測值偏大；新儀器的翻斗有防水涂層，但使用多年的舊儀器涂層脫落使得翻斗沾水，翻斗承受的降水量還未到0.1 mm就翻轉，從而計數增多測值偏大。

圖3 自動與虹吸觀測小時降水量差值絕對值、分鐘最大雨強與小時降水量的散布圖Fig.3 Absolute value of hourly precipitation difference between automatic and siphon observation, dispersion diagram of minute maximum rainfall intensity and hourly precipitation

2.5.3 儀器問題導致的偏差 從年降水量對比分析來看，2011年、2012年、2013年自動測值相比人工測值分別偏大6.4%、8.1%、5.8%，查看偏差最大的2012年的逐日降水量資料，發現全年自動站日降水量幾乎都大于人工測值，存在明顯誤差，這種系統偏差往往由觀測儀器引起[1,5-8]。

3 小結

利用貴陽站2004—2020年17 a的自動、人工、虹吸自記同期觀測數據進行對比分析發現：

①人工雨量筒與虹吸雨量計觀測值最接近，以人工雨量筒觀測值為準計算自動和人工觀測差值是可信的。

②自動觀測年降水量大于人工觀測的年份占71%；自動與人工觀測的年降水量差值在±5%以內的年份占82%。

③自動、人工、虹吸自記觀測日降水量差值不是正態分布，自動比人工、虹吸自記觀測的日降水量平均偏高0.13 mm、0.2 mm。

④自動與虹吸自記觀測小時降水量差值隨小時降水量增大而偏大。

⑤當自動與人工雨量觀測年降水量差值在±4%以外時，若全年自動站日降水量幾乎都大于或小于人工測值時，說明自動觀測儀器可能存在問題。

⑥觀測儀器定期維護很重要，每年需增加自動翻斗雨量器校準次數，確保示值與標準值誤差在允許范圍內。