几种自记式雨量计之间的对比及测量的误差分析
《地面气象观测规范》中明确规定，降水是指从天空降落到地面上的液态或固态的水，降水观测包括降水量和降水强度的观测。自动气象站观测站网的建设是我国地面气象观测业务实现自动化的重要手段。不同自记式雨量计的研究，是气象观测研究的重要组成部分。党选发等发现自记式雨量计之间的结构和工作原理的不同因而在不同降水强度中都会出现不同程度的误差，研究了自动气象站雨量传感器现场校准方法。李兴宝等研究开发了自动气象站与自动雨 量站的气象服务、监测及自动报警系统。目前，在本站所使用的雨量观测仪器中，虹吸式自记式雨量计作为双翻斗遥测自记式雨量计的备份仪器，随着自动站雨量传 感器在精度和性能等方面通过了试运行阶段后，双翻斗遥测自记式雨量计又开始作为自动站雨量传感器的备份仪器。
本文从降水强度和测量方式产生的误差、仪器维护和安装不当产生的误差、自然条件产生的误差等几方面，分析了北京朝阳气象站雨量测量工作中常见的一些问题以及引起问题的原因，并探讨了雨量测量数据发生异常情况下的处理方法。
１ 测值误差分析
１．１ 降水强度和测量方式产生的误差遥测自记式雨量计、雨量传感器均采用了带有节流管装置的汇集翻斗，因为有了节流装置，这在很大程度上减小了强降雨的影响。但是在降雨强度突然变大时，翻斗翻动时需要反应时间，致使另一翻斗盛满水时还来不及翻转，产生计量误差，由此产生的计量误差与雨强呈正相关。针对降雨强度大时误差大的现象，经过认真分析，其原因可能是由于当降雨强度大时，上翻斗流入计量翻斗的水速会非常快，导致计量翻斗在一次翻转过程中，水未流尽时，上翻斗 又有水流入计量翻斗，使得计量翻斗回到原位。这样流入计量翻斗的雨量就小于０．１ｍｍ，导致遥测自记式雨量计水量大于实际降水量。并且由于水未排尽，计量 翻斗的水量很快又达到相当雨量０．１ｍｍ以致再次翻动形成连跳现象。根据多年经验积累，这种情况产生的误差一般在４％允许范围内。
表一 雨量降水量数据
从仪器的工作原理上分析，遥测自记式雨量计、雨量传感器测量降水量的数值应当比较接近，但是由于仪器本身性能上的差别，仍会有较大误差出现。以北京朝阳站２００８年８月１１日降水记录数据为例，１０日２０：００至１１日０８：００各自记式雨量计测量记录累计量见表１。
由于朝阳站属于国家一般气象站，夜间不守班，从自计记录上看，夜间只有１０日２３：００—２４：００降 水记录为０．０ｍｍ，夜间湿度基本维持在９０％左右，风速在２．ｍ／ｓ上下，可以忽略人工观测降水量中夜间蒸发量的影响。通过对４个降水量数据的对比发现，遥测自记式雨量计的数据明显偏低，超过４％的误差允许范围，此次遥测自记式雨量计的数据不具有可用性。在４个自记式雨量计当中，只有雨量器数据的采集全部依赖人工，也正是由于雨量器的观测方法和观测时间的特殊性，雨量器出现误差的现象比较频繁，但是性能稳定，日常维护简单，在不考虑蒸发和测量时间的情况下，数据稳定可靠。在夏季只有少量降水过程中，温度较高、有风、在降水过程中湿度较小以及降水出现在夜间的情况下，由于蒸发的影响，会导致降水数据偏小；在正点观测时段内雨量较大时，在采集数据的过程中会有部分雨水不能采集，从而使测得的数据偏小；夏季阵雨天气需要增加降水数据采集的次数，每次数据采 集都会有部分水滴留在储水瓶内，读取量杯数据时会出现四舍五入的情况会导致±０．１～０．２的误差，但是由于仪器本身性能稳定，误差在允许范围内，不会导 致降水数据不可用的情况。
表二 8月1日和19日 25日降水信息
１．２仪器维护和安装不当产生的误差如表２所示，２００９年８月１日和１９日两次降雨过程中，通过对各种自记式雨量计数据的对比发现，雨量传感器测量的数值明显偏大，通过对仪器的检查得出，误差的产生是由于传感器调节螺母松动造成的，也就是计数翻 斗在承接到不到０．１ｍｍ的降水量的时候就开始翻动，产生０．１ｍｍ降水量的记录，从而使记录明显偏大，超过４％的误差允许范围，此次雨量传感器的数据不 具有可用性。相反，由于转轴的摩擦，以及翻斗沾水或泥沙的影响都会阻碍翻斗翻动，同样造成雨量误差。
８月１日的虹吸式自记式雨量计数据较大，由于虹吸自记式雨量计仪器本身没有出现故障，因此判断误差是由 于笔尖在上升过程中的惯性导致，又因为误差在４％允许的范围之内，数据可用，这种误差在强降雨过程中是不可避免的。通过对雨量传感器的维修调试，２５日的 降水量误差明显减少。降水量数据显示，２５日的降水强度小，虹吸自记式雨量计与其他自记式雨量计测量数值一致。因此在每次降水过程开始之前要注意对仪器进 行维护，在降水之后要对所收集的数据资料进行分析，得出误差出现的原因，及时进行 维修调试，以保证下次数据的可用性。《地面气象观测规范》中明确要求，雨量器安装在观测场内固定的架子上，器口保持水平，距地面高７０ｃｍ。因此，器口是否水平也可以造成较大误差。在静风降水的条件下，器口倾斜的仪器测得的降水量要小于器口水平的仪器；在风速较大，且器口倾斜于风的来向时，测得的降水量就 会偏大，反之较小。在降水量较小（小于１．０ｍｍ）时，两者的差距并不明显。这种误差如果在每个正在使用的自记式雨量计中同时出现，就很难意识到数据中的 问题。另外，保持仪器的清洁也很重要。雨量监测仪被堵或者雨量器的储水瓶中沾满灰尘都会导致误差出现。因此在日常的仪器维护中，观测员要时刻做到认真、仔细观察每一种仪器的变化，及时根据规范要求清洁仪器。
１．３自然条件产生的误差降水在空中分布是不均匀的，各雨量测量仪器在观测场内的摆放也有一定的距离，当降水出现明显分布不均匀时，各雨量器的测量结果就会出现不一致的现象。雨量的测量也受风场影响，由于雨量器高出地面，风对雨量器的绕流作用导致筒口上方出现局部的上升气流，阻碍了雨滴落入筒口，造成降水量偏小，产生误差。这种误差会在４个雨量仪器中同时出现，除非极特殊情况，否则很难从４个数据中分析出来，这样就需要根据经验去判断仪器显示的数据与实际降水量是否吻合。
２ 小结
（１）相同工作原理的仪器由于仪器本身的性能差异和不可预见的故障会造成较大误差，导致数据不可用，因此备份仪器不可或缺。
（２）降雨强度突然变化的影响，自记式雨量计产生的误差是不可避免的。
（３）人工雨量器的性能稳定，在蒸发现象不明显的时候，降水总量较其他自记式雨量计更具有可用性。
（４）日常仪器维护对减小误差非常必要，值班员在工作中要善于发现、善于比较。
（５）在极端天气影响下，降水量数据的偏差不可避免。
