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普通雨量器降水量觀測誤差的分析
【論文關(guān)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(jù)SL21—90《降水量觀測規(guī)范》的有關(guān)規(guī)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(shí)際工作具有性作用。
1、導(dǎo)言
普通雨量器是使用時間最長，而且設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(xiàng)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(jìn)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(nèi)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(fù)向系統(tǒng)誤差，使觀測的降水量系統(tǒng)偏小。濕潤誤差與雨量器的、結(jié)構(gòu)以及風(fēng)速、空氣濕度和氣溫有關(guān)。雨量器內(nèi)壁越光滑，口徑越小，承雨器濕潤面積越小，濕潤誤差越小。風(fēng)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(jì)算：
△pω=（C1+C2）n (1)
式中：△pω—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(nèi)雨量器的濕潤次數(shù)。
SL21—90《降水量觀測規(guī)范》指出，每年降水量的濕潤損失一般為0.05—0.3mm，一年累計(jì)濕潤誤差可使降水量偏小2%左右；降微量小雨次數(shù)多的干旱地區(qū)，年濕潤損失可達(dá)10%。
2.2蒸發(fā)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(fā)造成的損失，稱蒸發(fā)誤差。蒸發(fā)誤差屬負(fù)向系統(tǒng)誤差。蒸發(fā)誤差可用下式計(jì)算：
Δpe=edhd+enhn （2）
式中Δpe—為時段降水觀測蒸發(fā)誤差（mm）；
ed、en—分別為雨量器白天和夜間蒸發(fā)損失率（mm/h）；
hd、hn—分別為時段降水觀測中白天和夜間的蒸發(fā)時間（h）。
降水觀測蒸發(fā)損失與觀測站所處的區(qū)域的氣候條件有關(guān)，而且隨季節(jié)不同而變化，所以蒸發(fā)誤差的有關(guān)參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)確定，不可盲目借用。
SL21—90《降水量觀測規(guī)范》指出，蒸發(fā)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(fēng)飄入雨量器內(nèi)，使觀測的降水量大于實(shí)際降水量，這項(xiàng)誤差稱為濺水誤差。濺水誤差屬于正向系統(tǒng)誤差。
實(shí)踐證明帶風(fēng)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(fēng)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(xiàn)象產(chǎn)生。飄溢現(xiàn)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(xiàn)象。飄溢現(xiàn)象主要是由于雨量器在大風(fēng)氣流中發(fā)生流嚴(yán)重變形而產(chǎn)生的，此時經(jīng)過雨量器上方的氣流和雨點(diǎn)的跡線幾乎與地面平行，使雨滴飄走而不是落在雨量器內(nèi)，雪中的比重更小，因而飄溢現(xiàn)象更嚴(yán)重。
動力損失等于雨量器捕捉降水量與實(shí)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(shí)際降水量或真值降水量，而地面雨量器受風(fēng)的影響較小，也就是說，不管風(fēng)速有多大，地面風(fēng)速總為零。雨滴又總要活在地面上，所以在無雨是濺入和風(fēng)吹雪的干擾時，地面雨滴是捕捉的降水量接近實(shí)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(chǎn)品本身具有的誤差，不包括儀器現(xiàn)場安裝調(diào)試不合格、器口安裝不水平等認(rèn)為原因產(chǎn)生的誤差。
2.5.1承雨器環(huán)口直徑加工誤差
設(shè)實(shí)際降水量為p0，承雨器環(huán)口標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)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(yīng)用權(quán)對標(biāo)準(zhǔn)差體，得
S(p)=2S（D） （4）
SL21—90《降水量觀測規(guī)范》規(guī)定，雨量器承雨器口內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)差S（D）=0.15%，由此引起的降水量觀測誤差標(biāo)準(zhǔn)差為
S (p)=2S（D）=0.3 %
當(dāng)降水量p=10mm時，承雨器器口誤差引起的降水量誤差標(biāo)準(zhǔn)差S（p）=0.03mm。
2.5.2量雨杯示值誤差
量雨杯的內(nèi)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(nèi)，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(guī)范》要求，降水量觀測要求記至0.1mm，其相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(shù)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(fā)
蒸發(fā)引起的誤差則與許多因素有關(guān)，基層測站站的位置，氣象條件（溫度、風(fēng)、濕度），還有儀器本身的結(jié)構(gòu)、等。據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)得知,各種類型的雨量器由于蒸發(fā)引起的平均誤差占年降水量的3-6%,單獨(dú)的觀測誤差是0.3-0.5mm。
為了減小蒸發(fā)的影響，一是要求承雨器的接雨面一定要光滑，使雨水到達(dá)接雨面很快通過漏斗；減少雨水的沾附；二是降雨一經(jīng)停止時，立即進(jìn)行測量，特別是在炎熱的夏季和濕度較小的干燥季節(jié)，要及時量取由蒸發(fā)引起降水量的損失。
3.3動力
風(fēng)是造成影響準(zhǔn)確地測量降水量的主要原因，風(fēng)往往導(dǎo)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(fēng)速。而在固態(tài)降水時，被風(fēng)吹走的降雪量隨風(fēng)速的增大而增加。所以理想的條件應(yīng)該是：雨量器器口上空能形成平行的氣流，避免有風(fēng)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(fēng)是隨著高度的增加而增大的，因此雨量器內(nèi)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(yīng)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(guī)范》統(tǒng)一規(guī)定為為普通雨量器的高度70cm。
4、結(jié)論
濕潤誤差、蒸發(fā)誤差和動力誤差屬于負(fù)向系統(tǒng)誤差，其中濕潤誤差和蒸發(fā)誤差的確定還比較容易，但確定動力誤差卻比較復(fù)雜，為探討動力損失與相關(guān)因素的關(guān)系，可在區(qū)域內(nèi)選擇若干雨量站展開地面雨量器與標(biāo)準(zhǔn)高度雨量器對比觀測實(shí)驗(yàn)。動力損失Δpa用捕捉率來表示，兩者關(guān)系為
Δpa=pm（1- ） (5)
(6)
式中pm—為標(biāo)準(zhǔn)高度雨量器觀測降水量；
Pg—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(dāng)R=1時，Δpa=0。
基層測站對降水量觀測值，一般不對上述系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正；但應(yīng)對這些誤差有所認(rèn)識，在觀測中按SL21—90《降水量觀測規(guī)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(nèi)。
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(shí)驗(yàn)確定有關(guān)參數(shù)。
參 考 文 獻(xiàn)：SL21—90《降水量觀測規(guī)范》。
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