普通雨量器降水量觀測誤差的分析

普通雨量器降水量觀測誤差的分析

　　【論文關鍵詞】普通雨量器  降水量  觀測誤差  分析

　　【論文摘要 】  本文分析了普通雨量器降水量觀測過程中引起降水量誤差的原因,并依據SL21—90《降水量觀測規范》的有關規定對普通雨量器降水量觀測誤差的控制做了明確的要求，對基層測站的實際工作具有性作用。

　　1、導言

　　普通雨量器是使用時間最長，而且設置最廣泛的降水量觀測儀器，它采取了把自然降水量通過已知一定面積的承水口收集后導入儲水瓶，然后再將收集到的降水量用專用量杯量取的方法測取，所以它構造簡單，使用方便，是基層測站常用的降水量觀測儀器之一。但在觀測過程中和其它水文觀測項目一樣，由于受一些因素的影響難免存在一些觀測誤差，下面就其存在的誤差進行探討。

　　2、誤差來源

　　2.1濕潤誤差

　　普通雨量器的承雨器和儲水平內壁對部分降雨的吸附造成的水量損失，稱濕潤誤差。濕潤誤差是負向系統誤差，使觀測的降水量系統偏小。濕潤誤差與雨量器的、結構以及風速、空氣濕度和氣溫有關。雨量器內壁越光滑，口徑越小，承雨器濕潤面積越小，濕潤誤差越小。風速大、濕度小、氣溫高，濕潤誤差就大。

　　濕潤誤差包括承雨器和儲水瓶兩部分，用下式計算：

　　　△p_ω=（C₁+C₂）n       (1)

　　式中：△p_ω—為等時段降雨量觀測的濕潤誤差（mm）；

　　C₁、C₂—分別為承雨器和儲水瓶一次降水量觀測中的濕潤誤差（mm）；

　　n—為該時段內雨量器的濕潤次數。

　　SL21—90《降水量觀測規范》指出，每年降水量的濕潤損失一般為0.05—0.3mm，一年累計濕潤誤差可使降水量偏小2%左右；降微量小雨次數多的干旱地區，年濕潤損失可達10%。

　　2.2蒸發誤差

　　降水停止到觀測時刻或降水間歇期間雨量器儲水瓶中水分蒸發造成的損失，稱蒸發誤差。蒸發誤差屬負向系統誤差。蒸發誤差可用下式計算：

　　Δp_e=e_dh_d+e_nh_n               （2）

　　式中Δp_e—為時段降水觀測蒸發誤差（mm）；

　　e_d、e_n—分別為雨量器白天和夜間蒸發損失率（mm/h）；

　　h_d、h_n—分別為時段降水觀測中白天和夜間的蒸發時間（h）。

　　降水觀測蒸發損失與觀測站所處的區域的氣候條件有關，而且隨季節不同而變化，所以蒸發誤差的有關參數必須通過實驗確定，不可盲目借用。

　　SL21—90《降水量觀測規范》指出，蒸發損失量可占年降水量的1—4%。

　　2.3濺水誤差

　　較大的落在地面上，可濺起0.3—0.4m高，并形成一層雨霧隨風飄入雨量器內，使觀測的降水量大于實際降水量，這項誤差稱為濺水誤差。濺水誤差屬于正向系統誤差。

　　實踐證明帶風圈的雨量器濺水誤差可使年降水量偏大1%。

　　地面雨量器的濺水誤差可使年降水量偏大0.5—1%。

　　2.4動力誤差

　　風對雨量器承受降水的干擾造成水量損失，稱動力誤差。動力誤差由飄溢現象產生。飄溢現象是指降雨或降雪時部分降雨或降雪不落入雨量器中的現象。飄溢現象主要是由于雨量器在大風氣流中發生流嚴重變形而產生的，此時經過雨量器上方的氣流和雨點的跡線幾乎與地面平行，使雨滴飄走而不是落在雨量器內，雪中的比重更小，因而飄溢現象更嚴重。

　　動力損失等于雨量器捕捉降水量與實際降水量之間的差值。由于觀測降水時多種因素影響，很難確定出實際降水量或真值降水量，而地面雨量器受風的影響較小，也就是說，不管風速有多大，地面風速總為零。雨滴又總要活在地面上，所以在無雨是濺入和風吹雪的干擾時，地面雨滴是捕捉的降水量接近實際降水量。

　　2.5儀器誤差

　　這里的儀器誤差，是儀器作為工廠的合格產品本身具有的誤差，不包括儀器現場安裝調試不合格、器口安裝不水平等認為原因產生的誤差。

　　2.5.1承雨器環口直徑加工誤差

　　設實際降水量為p₀，承雨器環口標準內徑為D₀,含有加工誤差的直徑為D，由此觀測的降水量為p，由于

　　                (3)

　　應用權對標準差體，得

　　S(p)=2S（D）              （4）

　　SL21—90《降水量觀測規范》規定，雨量器承雨器口內徑采用200mm，允許誤差為0.6mm,相對誤差為0.3%，以此作為限差，得器口加工誤差標準差S（D）=0.15%，由此引起的降水量觀測誤差標準差為

　　S (p)=2S（D）=0.3 %

　　當降水量p=10mm時，承雨器器口誤差引起的降水量誤差標準差S（p）=0.03mm。

　　2.5.2量雨杯示值誤差

　　量雨杯的內徑為40mm，截面積為12.6mm2，承雨器截面積為314.2cm2，是量雨杯的25倍，亦即將雨器收集到的1mm深的降水倒入量雨杯內，水柱則有25mm高；這就等于將降水深度放大了25倍，從而提高降水測量精度。

　　2.6測記誤差

　　SL21—90《降水量觀測規范》要求，降水量觀測要求記至0.1mm，其相應標準差為0.029mm。

　　2.7其他誤差

　　觀測場距離物或樹木太近、儀器承雨口不水平等，都可以給降水量帶來較大誤差，但只要按SL21—90《降水量觀測規范》的要求操作，這些誤差時可以減小或完全避免的。

　　3、消除誤差的方法

　　3.1濺水

　　雨水濺失對于大多數雨量器來說約為0.1-0.2mm，可視為器差，很容易消除。

　　3.2蒸發

　　蒸發引起的誤差則與許多因素有關，基層測站站的位置，氣象條件（溫度、風、濕度），還有儀器本身的結構、等。據多年工作經驗得知,各種類型的雨量器由于蒸發引起的平均誤差占年降水量的3-6%,單獨的觀測誤差是0.3-0.5mm。

　　為了減小蒸發的影響，一是要求承雨器的接雨面一定要光滑，使雨水到達接雨面很快通過漏斗；減少雨水的沾附；二是降雨一經停止時，立即進行測量，特別是在炎熱的夏季和濕度較小的干燥季節，要及時量取由蒸發引起降水量的損失。

　　3.3動力

　　風是造成影響準確地測量降水量的主要原因，風往往導致儀器測得的降水量偏小，降雨時，觀測誤差取決于降雨類型，確切地說取決于雨滴大小和風速。而在固態降水時，被風吹走的降雪量隨風速的增大而增加。所以理想的條件應該是：雨量器器口上空能形成平行的氣流，避免有風的局地加速度，盡可能減少沖擊器壁氣流或湍流。在儀器安裝時，避免裝在過于空曠和四周有高大的樹林或物的地方。風是隨著高度的增加而增大的，因此雨量器內收集的降水量隨著儀器安置高度的增加而減少。所以雨量器的器口高度應盡可能低一些，低到能防止從地面可能濺入雨水為度。《降水量觀測規范》統一規定為為普通雨量器的高度70cm。 

　　4、結論 

　　濕潤誤差、蒸發誤差和動力誤差屬于負向系統誤差，其中濕潤誤差和蒸發誤差的確定還比較容易，但確定動力誤差卻比較復雜，為探討動力損失與相關因素的關系，可在區域內選擇若干雨量站展開地面雨量器與標準高度雨量器對比觀測實驗。動力損失Δp_a用捕捉率來表示，兩者關系為

　　Δp_a=p_m（1- ）           (5)

　　                    (6)

　　式中p_m—為標準高度雨量器觀測降水量；

　　P_g—為地面雨量器觀測降水量；

　　R—為捕捉率，捕捉率越大，動力損失越小，當R=1時，Δp_a=0。

　　基層測站對降水量觀測值，一般不對上述系統誤差進行修正；但應對這些誤差有所認識，在觀測中按SL21—90《降水量觀測規范》要求采取措施盡量減少上述誤差。盡可能將誤差控制在1—2%以內。

　　在要求較高的水平衡分析和水資源評價中，如需考慮上述誤差，可通過實驗確定有關參數。

參 考 文 獻：SL21—90《降水量觀測規范》。

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