幾種自記式雨量計之間的對比及測量的誤差分析
《地面氣象觀測規范》中明確規定，降水是指從天空降落到地面上的液態或固態的水，降水觀測包括降水量和降水強度的觀測。自動氣象站觀測站網的建設是我國地面氣象觀測業務實現自動化的重要手段。不同自記式雨量計的研究，是氣象觀測研究的重要組成部分。黨選發等發現自記式雨量計之間的結構和工作原理的不同因而在不同降水強度中都會出現不同程度的誤差，研究了自動氣象站雨量傳感器現場校準方法。李興寶等研究開發了自動氣象站與自動雨量站的氣象服務、監測及自動報警系統。目前，在本站所使用的雨量觀測儀器中，虹吸式自記式雨量計作為雙翻斗遙測自記式雨量計的備份儀器，隨著自動站雨量傳感器在精度和性能等方面通過了試運行階段后，雙翻斗遙測自記式雨量計又開始作為自動站雨量傳感器的備份儀器。
本文從降水強度和測量方式產生的誤差、儀器維護和安裝不當產生的誤差、自然條件產生的誤差等幾方面，分析了北京朝陽氣象站雨量測量工作中常見的一些問題以及引起問題的原因，并探討了雨量測量數據發生異常情況下的處理方法。
１ 測值誤差分析
１．１ 降水強度和測量方式產生的誤差遙測自記式雨量計、雨量傳感器均采用了帶有節流管裝置的匯集翻斗，因為有了節流裝置，這在很大程度上減小了強降雨的影響。但是在降雨強度突然變大時，翻斗翻動時需要反應時間，致使另一翻斗盛滿水時還來不及翻轉，產生計量誤差，由此產生的計量誤差與雨強呈正相關。針對降雨強度大時誤差大的現象，經過認真分析，其原因可能是由于當降雨強度大時，上翻斗流入計量翻斗的水速會非常快，導致計量翻斗在一次翻轉過程中，水未流盡時，上翻斗又有水流入計量翻斗，使得計量翻斗回到原位。這樣流入計量翻斗的雨量就小于０．１ｍｍ，導致遙測自記式雨量計水量大于實際降水量。并且由于水未排盡，計量翻斗的水量很快又達到相當雨量０．１ｍｍ以致再次翻動形成連跳現象。根據多年經驗積累，這種情況產生的誤差一般在４％允許范圍內。
表一 雨量降水量數據
從儀器的工作原理上分析，遙測自記式雨量計、雨量傳感器測量降水量的數值應當比較接近，但是由于儀器本身性能上的差別，仍會有較大誤差出現。以北京朝陽站２００８年８月１１日降水記錄數據為例，１０日２０：００至１１日０８：００各自記式雨量計測量記錄累計量見表１。
由于朝陽站屬于國家一般氣象站，夜間不守班，從自計記錄上看，夜間只有１０日２３：００—２４：００降水記錄為０．０ｍｍ，夜間濕度基本維持在９０％左右，風速在２．ｍ／ｓ上下，可以忽略人工觀測降水量中夜間蒸發量的影響。通過對４個降水量數據的對比發現，遙測自記式雨量計的數據明顯偏低，超過４％的誤差允許范圍，此次遙測自記式雨量計的數據不具有可用性。在４個自記式雨量計當中，只有雨量器數據的采集全部依賴人工，也正是由于雨量器的觀測方法和觀測時間的特殊性，雨量器出現誤差的現象比較頻繁，但是性能穩定，日常維護簡單，在不考慮蒸發和測量時間的情況下，數據穩定可靠。在夏季只有少量降水過程中，溫度較高、有風、在降水過程中濕度較小以及降水出現在夜間的情況下，由于蒸發的影響，會導致降水數據偏小；在正點觀測時段內雨量較大時，在采集數據的過程中會有部分雨水不能采集，從而使測得的數據偏小；夏季陣雨天氣需要增加降水數據采集的次數，每次數據采集都會有部分水滴留在儲水瓶內，讀取量杯數據時會出現四舍五入的情況會導致±０．１～０．２的誤差，但是由于儀器本身性能穩定，誤差在允許范圍內，不會導致降水數據不可用的情況。
表二 8月1日和19日 25日降水信息
１．２儀器維護和安裝不當產生的誤差如表２所示，２００９年８月１日和１９日兩次降雨過程中，通過對各種自記式雨量計數據的對比發現，雨量傳感器測量的數值明顯偏大，通過對儀器的檢查得出，誤差的產生是由于傳感器調節螺母松動造成的，也就是計數翻斗在承接到不到０．１ｍｍ的降水量的時候就開始翻動，產生０．１ｍｍ降水量的記錄，從而使記錄明顯偏大，超過４％的誤差允許范圍，此次雨量傳感器的數據不具有可用性。相反，由于轉軸的摩擦，以及翻斗沾水或泥沙的影響都會阻礙翻斗翻動，同樣造成雨量誤差。
８月１日的虹吸式自記式雨量計數據較大，由于虹吸自記式雨量計儀器本身沒有出現故障，因此判斷誤差是由于筆尖在上升過程中的慣性導致，又因為誤差在４％允許的范圍之內，數據可用，這種誤差在強降雨過程中是不可避免的。通過對雨量傳感器的維修調試，２５日的降水量誤差明顯減少。降水量數據顯示，２５日的降水強度小，虹吸自記式雨量計與其他自記式雨量計測量數值一致。因此在每次降水過程開始之前要注意對儀器進行維護，在降水之后要對所收集的數據資料進行分析，得出誤差出現的原因，及時進行 維修調試，以保證下次數據的可用性。《地面氣象觀測規范》中明確要求，雨量器安裝在觀測場內固定的架子上，器口保持水平，距地面高７０ｃｍ。因此，器口是否水平也可以造成較大誤差。在靜風降水的條件下，器口傾斜的儀器測得的降水量要小于器口水平的儀器；在風速較大，且器口傾斜于風的來向時，測得的降水量就會偏大，反之較小。在降水量較小（小于１．０ｍｍ）時，兩者的差距并不明顯。這種誤差如果在每個正在使用的自記式雨量計中同時出現，就很難意識到數據中的問題。另外，保持儀器的清潔也很重要。雨量監測儀被堵或者雨量器的儲水瓶中沾滿灰塵都會導致誤差出現。因此在日常的儀器維護中，觀測員要時刻做到認真、仔細觀察每一種儀器的變化，及時根據規范要求清潔儀器。
１．３自然條件產生的誤差降水在空中分布是不均勻的，各雨量測量儀器在觀測場內的擺放也有一定的距離，當降水出現明顯分布不均勻時，各雨量器的測量結果就會出現不一致的現象。雨量的測量也受風場影響，由于雨量器高出地面，風對雨量器的繞流作用導致筒口上方出現局部的上升氣流，阻礙了雨滴落入筒口，造成降水量偏小，產生誤差。這種誤差會在４個雨量儀器中同時出現，除非極特殊情況，否則很難從４個數據中分析出來，這樣就需要根據經驗去判斷儀器顯示的數據與實際降水量是否吻合。
２ 小結
（１）相同工作原理的儀器由于儀器本身的性能差異和不可預見的故障會造成較大誤差，導致數據不可用，因此備份儀器不可或缺。
（２）降雨強度突然變化的影響，自記式雨量計產生的誤差是不可避免的。
（３）人工雨量器的性能穩定，在蒸發現象不明顯的時候，降水總量較其他自記式雨量計更具有可用性。
（４）日常儀器維護對減小誤差非常必要，值班員在工作中要善于發現、善于比較。
（５）在極端天氣影響下，降水量數據的偏差不可避免。
