称重式雨量计在响水口站应用分析

单 帅，李 昂，黄 琨，徐逸凡，宋 超

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局,江苏 盐城 224000）

1 引言

降水是水文循环的重要环节,是地表水和地下水的重要来源,与人们的生活、生产和建设有着极为密切的关系,因此,在人类活动的许多方面需要掌握降水量资料,研究降水规律。

响水口站于1912 年3 月设立,常年监测站,位于灌河右岸,属于淮河流域,沂河水系。主要观测水位、降水和蒸发,降水观测主要以翻斗式自记雨量计为主,人工观测为辅,在汛期为收集短历时暴雨资料,另外安装虹吸式雨量计进行雨量同步观测。现对2021 年1 月～2022 年12 月共24 个月资料进行对比分析,研究称重式雨量计在响水口站使用的可行性。

2 测量原理

OTT pluvio2-200 型高精度称重法雨量计由承雨器、储水器、称重机构、地盘等组成,使用高精度的电子称重原理进行全类型降水量测量[1]。高精度的重量传感器可同时计量降雨强度,内部的电子平衡系统也可高精度地计量出雨水的蒸发量（0.01 mm）。承雨器口面积200 cm2,分辨力为0.1 mm,降水强度测量范围为0～30 mm/min,测量量程1500 mm,当降雨强度在0.1 mm/min～30 mm/min 范围内变化时,测量误差不大于±4%。

翻斗式雨量计由传感器和存储装置构成,翻斗式雨量传感器主要由承雨器、翻斗、发信部件、底座组成。承雨器口内径200 mm,分辨力为0.2 mm,降水强度测量范围为0～4 mm/min。当降雨强度在0.1 mm/min～4.0 mm/min 范围内时,测量误差不大于±4%。

3 逐月降水量分析

本次分析主要采用响水口站称重式雨量计与翻斗式雨量计2021 年～2022 年共24 个月成果数据,以翻斗式雨量计为实际值,称重式雨量计为测量值,分别计算逐月降水总量、降水天数和最大日量,对比分析称重式雨量计观测降雨过程的准确性、有效性[2-3],见表1、表2。

表1 2021 年响水口两种雨量计逐月降水量统计表

表2 2022 年响水口两种雨量计逐月降水量统计表

3.1 逐月降水总量对比分析

称重式雨量计记录2021 年降水总量1130.8 mm,降水天数89 天,2022 年降水总量696.5 mm,降水天数69 天；翻斗式雨量计记录2021 年降水总量435.0 mm,降水天数92 天,2022 年降水总量1235.5 mm,降水天数65 天。2021 年日降水主要集中在7 月～10 月,降水量超50mm 的暴雨有5 次,最大日降水量为7 月16 日的74.2 mm,7 月降雨总量达402.8 mm,日降水量超50 mm 的有3 次。2022 年降水主要集中在6 月～11 月,降水量超50 mm 的暴雨有1 次,最大日降水量为8 月16 日的68.6 mm,8 月降水总量达179.2 mm。

根据表3 两种雨量器降水量误差统计表可知,2021 年92 场次降雨,称重式雨量计观测降水量较翻斗式雨量计数据为负有86 场次,日平均降水量误差-1.2 mm,月降水量误差最大为12 月-0.6 mm,最小为7 月-32.2 mm,平均-8.7 mm；2022 年65 场次降雨,称重式雨量计观测降水量较翻斗式雨量计数据为负有59 场次,日平均降水量误差-0.8 mm,月降水量误差最大为12 月-0.7 mm, 最小为6 月-11.7 mm,平均-4 mm,称重式雨量计数据偏小。

表3 2021 年～2022 年响水口站两种雨量器降水量误差统计表

表4 称重式雨量计与翻斗式雨量计回归方程

3.2 降水天数对比分析

在2021 年3 月26 日的降雨过程中,翻斗式雨量计观测26 日降水量为17.8 mm,27 日降水量为0mm,称重式雨量计观测26 日降水量为88.4 mm,27 日降水量为145.8 mm,经分析是由于称重式雨量计发生仪器故障,导致降水量观测异常偏大,在进行数据分析过程中,舍弃该场次降雨过程,异常降雨场次占场次降水总数的1.08%,同时绘制降水天数对比柱状图。

针对2021 年92 场次、2022 年65 场次降雨过程进行对比分析：称重式雨量计2021 年漏记6 次降雨,降水量均为0.2 mm；2022 年漏记1 次降雨,降水量为0.2 mm,降水日数一致率为95.6%。

分析图1 降水天数差异原因：

图1 2021 年～2022 年响水口两种雨量计降水天数对比

（1）2021 年～2022 年称重式雨量计较翻斗式雨量计漏记共7 次,降水量均为0.2 mm,累计1.4 mm,分析原因可能是称重式雨量计将该降雨定性为落叶等非降雨因素干扰,做删除处理。

（2）2021 年～2022 年称重式雨量计观测的降水日数多于翻斗式雨量计观测日数共8 次,对比逐时观测记录数据发现,称重式雨量计观测的8 场次降雨的量均为0.1 mm,分析原因是称重式雨量计分辨力为0.1 mm,翻斗式雨量计分辨力为0.2 mm,该8 场次降雨无法被翻斗式雨量计观测记录,认为观测数据合理。

4 实测降水量回归分析

根据响水口站观测的2021 年～2022 年称重式雨量计与翻斗式雨量计数据对比[4-5],绘制出二者降水量散点图见图2,并求解回归方程,日平均绝对误差为-1.0 mm,日平均相对误差为-12.3%,,通过回归方程分析可知：称重式雨量计较翻斗式雨量计测得的降水量数据偏小,相关性系数为R2=0.998,即相关性良好。

图2 2021～2022 年响水口两种雨量计逐日降水量对比

由对比图可知当逐日降水量小于70 mm 时,模拟结果比较理想,说明称重式雨量计能记录降雨过程中雨量变化情况,但存在系统误差,导致称重式雨量计观测记录数据普遍小于翻斗式雨量计观测数据。当逐日降水量超过70 mm 时,称重式雨量计误差较大,有可能翻斗式雨量计在大暴雨情况下,翻斗翻转不及时造成数据误差。

以2021 年～2022 年逐日降水量数据建立的回归方程作为翻斗式雨量计与称重式雨量计的关系线,该关系线为单一曲线,考虑到5 mm 以下数据误差较大,采用大于5 mm的80 场次降水量数据进行关系线检验。通过符号检验、适线检验和偏离检验及计算称重式雨量计各测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差进行定线精度检验,检验结果见表5。

表5 定线检验结果

表6 2023 年1 月～3 月翻斗式雨量计与称重式雨量计对比

三种检验结果均通过,认为定线合理。采用2023 年1 月～3 月降水量数据进行关系线验证,绝对误差累计2.0 mm,平均0.2 mm,认为该关系线能够满足模拟精度。误差相对较大的3 场次降雨,降水量均小于5 mm。

5 结论

1）响水口站称重式雨量计能够观测记录降雨过程中雨量变化情况,与翻斗式雨量计相关性较好,但观测记录数据普遍小于翻斗式雨量计观测数据。由于承雨口位置、场地位置、风力风向存在差异,所以虽同处同一观测场地,但仍然会产生误差。

2）称重式雨量计精度更高,能够更好适应各种降水情况,尤其是在固态降水,能够准确、及时的采集降雨场次过程,减少由于蒸发等因素带来的影响,从源头上降低了雨量观测产生的误差。

3）翻斗式雨量计需要每月进行巡检,汛期易出现故障,需要立即检查维修,称重式雨量计测压元件是密封处理的,可以长期保持稳定,检查只需每年一次,降水量累计超过总体积的80%需要清空,相比翻斗式雨量计能够节省人力、物力资源。

4）在大暴雨期间,翻斗式雨量计容易因大雨强导致翻斗反转不及时,降水量比实际偏小,称重式雨量计能够很好观测大暴雨期间降水过程,降低由于大雨强导致的降水量误差。

5）称重式雨量计也存在不足：出现故障时维修调试难度大,容易受到非降雨因素干扰,比如落叶、鸟等,造成数据误差。