JEZ02型融雪式雨量计在平凉市泾渭河流域的适用性研究

朱晓涛,雒 仪

(1.甘肃省水文站，兰州 730030；2.甘肃省平凉水文站，甘肃 平凉 744000)

1 概述

平凉市泾渭河流域地处陇东黄土高原，位于甘肃省东部，陕甘宁三省区交汇处，全境由东向西呈哑铃型分布。地势中部高，东西两侧低，以六盘山山脉为分水岭，东部属于泾河水系，西部属渭河水系[1]。流域降水主要集中在6—9月，多年平均降水量位于378.3～703.6 mm之间，24h雨强累计最大值为284.0 mm，历年均值为58.6 mm，市内流域面积约11 196 km2。本次研究的降水量资料均为JEZ02型融雪式雨量计所观测数据，涉及平凉市泾渭河流域45个降水量观测站，其中基本水文站5个，共收集到2008—2019年共10 a的实测降水量数据。主要从JEZ02型融雪式雨量计资料整编、数据比测分析、设备可靠性等方面对该仪器在平凉市泾渭河流域适用性进行分析。

a 日降水量

a 泾川站逐日降水量

2 资料收集与整编方法

2.1 设备技术指标

JEZ02型融雪式雨量计是利用电加热方式将固态降水融化为液态后，进行降水量自动观测的仪器，主要由融雪装置、雨量传感器、监测终端3部分构成，冬季电加热功率在350 W，工作环境在-20℃～40℃。结构类型采用翻斗式，雨量传感器分辨率为0.2 mm，每5 min观测1次数据，适宜雨强范围为0.01～2.0 mm/min[2]。

2.2 资料收集

平凉市降水量站点分布为泾河流域28个，渭河流域17个，共计45个(见图1所示)。各降水量观测站资料完整度较高，分布合理，具有良好的流域代表性。JEZ02型融雪式资料可通过水情自动监测终端接口实地提取，或在“宏电RTU前置系统”远程服务平台下载数据。其中，终端接口与服务平台资料经比对分析降水量趋势基本一致，由于降水量观测站点分布较为分散，交通不便，综合考虑，建议采用远程服务平台下载资料用于水文资料整编与分析研究。

图1 平凉市泾渭河流域降水量观测站点分布示意

2.3 整编方法

JEZ02型融雪式降水量数据受限于数据提取方式和远程服务器的不稳定性，数据中存在丢包、乱码、奇异值等问题，需要后期通过计算机技术进行检查校正方可用于资料整编。另外由于设备特性，其资料观测方式不论是否有降水量产生均按5min为单位进行观测，单个设备1 h可观测12个数据，1 d可观测288个数据，全年观测量为105 120个数据[3]。

所以需借用甘肃省水文测验系统软件对JEZ02型融雪式雨量计观测数据进行精简摘录[4]，软件内部摘录算法为：

① 降水量保留5 min滑动；

② 降水过程记起止时间；

③ 降水量>15 min为2次降水过程；

④ 当1次降水过程中小时降水量>2.5 mm时整点断开。

为满足上述③④条中关于1次降水过程中的整点分割要求，当降水量数据达到条规则要求时，程序算法将前1 h最后一个降水量时间后延5～10 min，以达到整点，同时此算法会影响时段最大降水量摘录值，但属于误差范围内。上述降水量摘录算法符合《降水量观测规范》(SL 2102006)与《水文资料整编规范》(SL 24702012)要求。数据完成精简摘录后，可独立或配合水文资料整编系统HDP5.0软件得到《逐日降水量表》《时段最大降水量表(1)》《降水量摘录表》等整编成果，为后续研究提供资料支撑。

3 降雪量滞后性分析

3.1 产生原因分析

当冬季来临产生固态降水时，如雪、雨夹雪等，JEZ02型融雪式雨量计由于其电加热方式导致降水量与真实值之间存在一定的滞后。JEZ02型融雪式雨量计加热元件为电磁式，铺设于雨量计桶身底部。当降雪发生时，位于桶身上方的传感器触发加热元件开始工作，仪器进入融雪模式。由于仪器处于开放空间，需考虑电加热导致的蒸发现象[5]，故而其加热功率一般不会太大。在融雪速度恒定的情况下，当降雪量大于仪器融雪速度时，此时会在仪器桶身内发生降雪累积，从而出现降水量观测值滞后的情况[6]。

3.2 降雪量数据比测

选取具有降雪代表性的观测站点，将JEZ02型融雪式雨量计与人工观测进行比测(见图2)。

图2 某观测站点JEZ02型融雪式雨量计与人工观测降雪数据比测示意

通过分析图2可以发现降雪强度范围在0～5.0 mm/h时，降水量趋势基本一致；降雪强度范围在5.0～20.0 mm/h时，降水量峰值延后5～15 min；当降雪强度大于20 mm/h时，降水量曲线出现平头，此时仪器观测值失真。通过大量的观测站数据分析，JEZ02型融雪式雨量计观测滞后的现象直接导致小时降雪强度普遍小于人工观测值，人工观测JEZ02型融雪式雨量计观测雨强趋势对比见图3。平凉市泾渭河流域属于冷温带亚湿润性气候，冬季降雪强度普遍低于10 mm/h，JEZ02型融雪式雨量计降雪观测精度符合本区域降水量观测要求，当小时降雪强度大于5.0 mm/h时应通过人工观测值对JEZ02型融雪式雨量计资料进行校正[7]。

图3 人工观测与雨量计观测雨强趋势对比示意

4 降水精度研究

4.1 研究方法

按照《水文资料整编规范》(SL 24702012)规定，对45处雨量站JEZ02型融雪式雨量计采集的降水量资料利用水文统计学方法进行分析比测。以人工观测资料为真实数据作为参考，人工观测采用20 cm口径雨量桶。将人工观测资料与JEZ02型融雪式雨量计资料进行整编，并借用IBM SPSS软件进行分析，从而评价JEZ02型融雪式雨量计观测精度。

4.2 误差分析

误差分析采用抽样数据，以2010—2020年资料为样本库，对比1 h、6 h、24 h最大降水量值误差和月、年统计值误差。因统计分析的数据量较多，因此不再逐一列举，只选取2020年泾渭河具有代表性的观测站为例，逐日降水量对照见图4，误差统计结果见表1。其雨强范围在0～2.0 mm/min时JEZ02型融雪式雨量计低于人工观测值0.1%～4.0%，误差范围满足水文资料整编精度要求，同时满足中小河流山洪监测预警精度要求[8-9]。在月年总降水量的对比分析中，月总降水量绝对误差在1.2～4.2 mm之间，年总降水量绝对误差在8.6～22.4 mm之间，月、年相对误差均小于4.0%。在年总降水天数的对比分析中，JEZ02型融雪式雨量计降水日数普遍少于人工观测1～3 d，其因为JEZ02型融雪式雨量计雨量传感器分辨率为0.2 mm，对于小于0.2 mm的降水无法观测记录，导致年总降水天数有所减少[10-11]。

分析表1可知，JEZ02型融雪式雨量计绝对误差均小于或等于0，由于其翻斗机械结构特点，在正常工作状态下，所测得的降水量均小于或等于实际降水量。如JEZ02型融雪式雨量计观测值大于人工观测值，确定人工观测无误的情况下，应及时对雨量计进行检修。在野外观测条件下，由于尘土、植物、小型生物的影响，会导致雨量计翻斗容量减小，在降水量不变的情况下，翻斗翻转次数增加，从而影响测验精度。

表1 各时段最大降水量误差统计

图5为人工、JEZ02型融雪式雨量计相关性散点示意，由图5可以看出，JEZ02型融雪式雨量计观测数据与人工观测数据相关性较高，能够反映出流域降水时空分布与短历时雨强特征[12]。

5 仪器维护

在对JEZ02型融雪式雨量计数据分析的过程中，发现个别站点年降水量过于偏小，综合分析判断为设备故障，其资料借用附近具有代表性的站点进行插补。分析原因，一方面为设备电子故障，另一方面为仪器后期使用中维护不当所造成。应每年汛前应对所管辖区域内JEZ02型融雪式雨量计进行维护与清洗：① 疏通进水口，影响降雨强度与历时；② 清洗翻斗，测试翻斗翻转是否灵活，影响雨量精度，防止记录雨量值偏大；③ 排水疏通，防止湿度过高，感应器氧化；④ 仪器调平，调节螺栓整平仪器；⑤ 仪器清洗后应进行滴水测试，各项数值应符合规范要求，并记录测试时间、天气、滴水量等信息；⑥ 连接外接设备，查看数据采集与传输是否正常。

6 结语

通过对JEZ02型融雪式雨量计进行实地比测与大量资料分析，结果表明：① JEZ02型融雪式降水量数据受限于数据提取方式和远程服务器的不稳定性，数据中存在丢包、乱码、奇异值等问题，可利用甘肃省水文测验系统软件进行检查校正与精简摘录后用于水文资料整编。② 冬季产生降雪时，JEZ02型融雪式雨量计降水量观测值存在滞后性。降雪强度范围在0～5.0 mm/h时，降水量趋势基本一致；降雪强度范围在5.0～20.0 mm/h时，降水量峰值延后5～15 min;当降雪强度大于20 mm/h时，降水量曲线出现平头，此时仪器观测值失真，其观测值需要后期通过人工校正。③ JEZ02型融雪式雨量计降水量数据与人工观测数据相关性较高，能够反映出流域降水时空分布与短历时雨强特征，观测值在0～2.0 mm/min降雨强度范围内低于人工观测值0.1%～4.0%，误差范围满足水文资料整编精度要求，同时满足中小河流山洪监测预警精度要求。④ 部分降水量站点由于维护等原因存在年降水量值异常，对于年降水量小于100 mm的站点，分析其原因，并与附近具有代表性的站点进行比测分析后插补替换。应每年汛前、汛后对JEZ02型融雪式雨量计进行两次维护，以确保其正常运行。