称重式雨雪量计与人工雨量器比测分析

王增凯，马 超，李俊逸，潘 宁

(烟台市水文中心，山东 烟台 264001)

降水量是指从天空降落到地面上的液态或固态(经融化后)水，未经蒸发、渗透、流失，而在水平面上积聚的深度[1]。降水量观测是水文要素观测的重要组成部分，目前降水量观测主要有人工雨量器、翻斗式雨量计、称重式雨雪量计观测等方式。其中人工雨量器需要利用20 cm口径的器具进行人工观测，可以观测雨、雪、雹等各类形式的降水量；翻斗式雨量计和称重式雨雪量计为自记雨量计，通过机械装置将降水量转化为电讯号，可实现远程遥测全天降水过程，大大减轻了人工工作量，但是称重式雨雪量计较翻斗式雨量计的优点在于能够记录雪、冰雹及雨雪混合降水。本文将以人工雨量器观测数据为基准对称重式雨雪量计降水量观测数据进行比测分析。

1 地理位置及自然概况

1.1 测站控制情况

招远水文站建成于1982年，位于山东省招远市泉山街道，东经120°24′、北纬37°21′，招远水文站降水量1981年起测，属于国家基本站。招远水文站所在城东河为界河干流，流域形状为扇形，流域面积98.6 km2，干流长度17.5 km。

界河发源于招远市城区西南11.5 km齐山镇铁夼村西尖尖山西麓，流经齐山镇、罗峰街道、泉山街道、梦芝街道、张星镇、辛庄镇，从辛庄镇东良村东北注入渤海，全长45 km，干流河宽100 m，流域面积576.8 km2，占全市总面积的40.25%，是市内流域面积最大的河流，主要支流包括金泉河、罗山河、钟离河、单家河等，流域内河流总长270.5 km,河网密度0.47 km/km2。界河河流平均比降2.68‰，为典型季节性河流，且源短流急，暴涨暴落。

流域为典型的低山丘陵区，大部分区域海拨高程在60～200 m之间，属温带季风型大陆性气候，四季分明，气候温和。流域降水年内分配不均，冬春少，夏秋多，多年平均降水量为670.5 mm， 6-9月降水量占年总降水量的74.4%，非汛期仅占25.6%；多年平均蒸发量为1 100～1 250 mm，全年以偏南风为主，冬季以偏北风为主。

1.2 水文观测场及仪器情况

水文站周围地势平坦，西面为河东路、界河。水文观测场位于招远水文站院内，院内平整，土质为砂土(轻亚粘土)。院内种菜，对观测场内仪器观测无影响，符合《降水量观测规范》对场地的要求。

招远水文站为全年驻测观测，雨量比测仪器有2台，分别为人工雨量器、OTT Pluvio2称重式雨雪量计，口径均为20 cm，安装高度均为0.7 m，在比测试验期间，2台仪器均运行正常。人工观测时间以北京时间为准，称重式雨雪量计时钟自动校时北京时间。

人工雨量器分辨率为0.1 mm，观测精度满足《降水量观测规范》要求。OTT Pluvio2称重式雨雪量计分辨力为0.1 mm，精度为±0.1 mm，降雨强度纪录范围为0.1～30 mm/min。

2 比测数据采集整理

比观测采用2021年1-10月人工雨量器降水量数据与同时间称重式雨雪量计降水量数据，本次比测过程只对降水量数据进行比对，不考虑降雨、降雪、雨夹雪等降水形式区别，比测数据详见表1所列。

图1 降水日数对比图

3 数据对比分析

3.1 降水日数统计分析

通过分析人工雨量器及称重式雨雪量计降水量数据，未发现称重式雨雪量计出现设备故障或其他原因造成的缺测、数据丢失或数据明显异常等问题，数据完整。

对称重式雨雪量计降水日数一致性进行分析时采用，当人工雨量器降水量≥0.1 mm、称重式雨雪量计降水量为0，或者人工雨量器降水量为0、称重式雨雪量计降水量≥0.1 mm时均视为不一致天数进行统计，否则视为一致[2]。对比结果见图1。

表1 降水量比测数据统计

通过比测分析，结合图1可知，1-9月份两设备降水日数一致，10月份称重式雨雪量计漏记1次0.2 mm有效降水。2021年1-10月份人工雨量器降水日数为81 d，称重式雨雪量计为80 d，降水日数一致率为98.8%。

3.2 日降水量统计分析

参照《山东省水文年鉴资料整汇编补充规定》中关于降水量资料整编规定内容，分两种方法对日降水量统计数据进行分类统计分析，其中：Pd<10.0 mm时，按照绝对误差∣P称-P人工∣≤0.4 mm的允许误差进行统计分析；Pd≥10.0 mm时，按照相对误差∣P称-P人工∣/P人工≤4%的允许误差进行统计分析。结果见图2、图3。

图2 Pd<10.0mm日降水量分析图

图3 Pd≥10.0mm日降水量分析图

由图2可知，Pd<10.0 mm共有61次，其中有59次符合允许误差要求，合格率为96.7%。经统计，零误差8次，正误差2次，负误差51次，最大误差为-0.5 mm出现2次。

由图3可知，Pd≥10.0 mm共有20次，其中18次符合允许误差要求，合格率为90.0%。经统计，正误差0次，负误差20次，最大误差为-4.18%。

3.3 月降水量统计分析

对2021年1-10月份月降水量数据进行统计，按照《山东省水文年鉴资料整汇编补充规定》中关于月降水量的规定内容进行分类比测分析，分析数据详见表2。

表2 降水量月统计比测分析

经分析，结合表2可知，两设备月降水总量PM均仅有1月份小于10.0 mm，2-10月份均超过10.0 mm；称重式雨雪量计与人工雨量器月降水量统计平均绝对误差为-3.3 mm，最大误差集中在7、8月份；PM<10.0 mm时绝对误差为-0.4 mm，在±0.4 mm以内；PM≥10.0 mm时平均相对误差为-3.5%，相对误差均在±4%以内。

3.4 数据相关性分析

点绘称重式雨雪量计与人工雨量器2021年1-10月份降水量相关图，详见图4。

图4 称重式雨雪量计与人工雨量器降水量相关图

由图4可知，称重式雨雪量计与人工雨量器降水量点据分布良好，相关系数为1.031 3，说明称重式雨雪量计较人工雨量器降水量数据系统偏小。相关图回归分析标准差为0.999，截距为0.055 3可忽略不计，说明样本数据非常接近直线关系，比测结果良好。

4 误差分析

由于受到观测场环境、气候、仪器性能、安装方式和人为因素等影响，在降水量观测过程中存在一定的系统误差和随机误差。如夏季雨后人工雨量器未及时加测造成的蒸发损失，造成降水量偏小。而称重式雨雪量计受气候、环境等影响，可能出现因底座不平、周边道路车辆行驶造成振动、飞虫和灰尘落入等原因造成一定的误差。此外，风力、溅水、积雪漂移及测记过程等因素也是误差的来源。

5 结语

通过比测分析2021年1-10月人工雨量器与称重式雨雪量计降水量资料得出以下结论：

(1)降水日数分析，称重式雨雪量计与人工雨量器一致率为98.8%，同步性较好，符合要求。

(2)日降水量分析，Pd<10.0 mm时，称重式雨雪量计数据合格率为合格率为96.7%；Pd≥10.0 mm时，称重式雨雪量计数据合格率为90.0%，均符合要求。

(3)月降水量分析，PM<10.0 mm时绝对误差为-0.4 mm，在±0.4 mm以内；PM≥10.0 mm时平均相对误差为-3.5%，相对误差均在±4%以内，均符合要求。

(4)相关性分析，称重式雨雪量计数据较人工雨量器数据偏小，两设备数据相关性良好。

综上，通过比测分析，招远水文站OTT Pluvio2称重式雨雪量计观测数据符合有关规范要求，其准确性、稳定性都满足降水量观测的使用要求。同时因其较高的精度，适应液态、固态、固液混合等各类降水观测需求，实时自动测报等功能，在经过长时间资料分析及仪器调试后可在一定地区进行推广使用，从而大大减轻人工观测的工作量，为水文测报、数据采集等提供可靠的技术支撑。