李 林 范雪波 崔 煒張治國(guó) 劉旭林

1)(中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089)2)(北京市氣象探測(cè)中心，北京 100089)

?

稱重與人工觀測(cè)降水量的差異

李 林1)2)*范雪波2)崔 煒2)張治國(guó)2)劉旭林2)

1)(中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089)2)(北京市氣象探測(cè)中心，北京 100089)

為了更好地使用降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)引起稱重觀測(cè)和人工觀測(cè)的差異原因進(jìn)行分析，選取北京市15個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站2012年11月—2014年1月稱重式降水傳感器與人工觀測(cè)降水量業(yè)務(wù)資料，探討稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)累積降水量的差異，并細(xì)化為對(duì)固態(tài)降水和液態(tài)降水兩種降水類型進(jìn)行相關(guān)性研究。結(jié)果表明：稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量相關(guān)系數(shù)為0.9990, 88.0%的對(duì)比次數(shù)中,兩者日降水量差值滿足業(yè)務(wù)要求；在出現(xiàn)固態(tài)降水時(shí)，稱重觀測(cè)較人工觀測(cè)降水量偏大，在出現(xiàn)液態(tài)降水時(shí)，稱重觀測(cè)較人工觀測(cè)降水量偏??；兩者在日降水量等級(jí)判斷差異較小，小量降水時(shí)稱重觀測(cè)的能力較優(yōu)；防風(fēng)圈可顯著提高稱重觀測(cè)固態(tài)降水的捕捉率，而稱重觀測(cè)內(nèi)筒蒸發(fā)對(duì)夏季降水測(cè)量有一定影響。

降水量； 稱重式降水傳感器； 人工觀測(cè)； 相關(guān)性

引 言

隨著技術(shù)發(fā)展，觀測(cè)系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，觀測(cè)儀器和觀測(cè)方式改變不可避免，這些非氣候因素影響了觀測(cè)資料的連續(xù)性，也引起了科研人員的廣泛關(guān)注。2000年后，我國(guó)開(kāi)始大范圍推廣使用自動(dòng)氣象站，截至2009年，全國(guó)的地面觀測(cè)站均實(shí)現(xiàn)了常規(guī)氣象要素的自動(dòng)觀測(cè)。我國(guó)自動(dòng)氣象站投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后，許多單位和業(yè)務(wù)人員對(duì)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)差異和原因進(jìn)行分析[1-3]，并開(kāi)展數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和方法研究[4-6]，結(jié)果表明：兩種觀測(cè)的各氣象要素均存在差異，但大部分差異均在規(guī)范誤差允許范圍內(nèi)。

降水是從云中降落或從大氣沉降到地面的液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物[7]，降水觀測(cè)是地面氣象觀測(cè)的主要項(xiàng)目之一，降水資料是氣候分析、氣候變化研究、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式等方面的重要參數(shù)。伴隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，為解決冬季降雪自動(dòng)化觀測(cè)問(wèn)題，觀測(cè)站逐漸采用稱重式降水傳感器進(jìn)行全相態(tài)的降水觀測(cè)。中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心在2006年和2009年共組織兩次稱重式降水傳感器的外場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估[8-9]。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也開(kāi)展了稱重式降水傳感器的業(yè)務(wù)試驗(yàn)[10-11]，并對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行分析，但所用設(shè)備多為非中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)用設(shè)備，且存在缺陷，經(jīng)常無(wú)法監(jiān)測(cè)到小量降水事件[10]。世界氣象組織(WMO)也一直關(guān)注降水觀測(cè)的準(zhǔn)確性和代表性問(wèn)題，并組織多次比對(duì)用于指導(dǎo)各成員國(guó)進(jìn)行降水觀測(cè)[12-14]。任芝花等[15]通過(guò)對(duì)30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量站 7年的試驗(yàn)對(duì)比，分析了我國(guó)降水觀測(cè)誤差原因。

2011年中國(guó)氣象局定型三款稱重式降水傳感器，目前已在991個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站安裝運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了所有類型降水的全天候自動(dòng)化觀測(cè)。當(dāng)前亟需對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的稱重式降水傳感器觀測(cè)與人工觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)差異進(jìn)行充分分析與評(píng)估，這對(duì)于降水資料應(yīng)用具有重要參考作用。本文利用2012年11月—2014年1月北京市氣象局國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的稱重式降水傳感器觀測(cè)降水量資料和人工觀測(cè)降水量資料開(kāi)展分析，研究?jī)烧唛g的差異及相關(guān)性。

1 降水觀測(cè)與資料

1.1 觀測(cè)設(shè)備

地面氣象觀測(cè)站降水量人工觀測(cè)業(yè)務(wù)采用雨量筒收集降水并人工測(cè)量方式。全國(guó)觀測(cè)站使用統(tǒng)一規(guī)格的雨量筒，雨量筒承水口直徑為20 cm，口徑面積為314 cm2，承水口高度為70 cm。當(dāng)出現(xiàn)降水現(xiàn)象時(shí)，觀測(cè)員在每日08：00和20:00(北京時(shí)，下同)分別量取前12 h降水量，夏季使用承水器和量杯測(cè)量降水量，冬季使用承雪器和臺(tái)秤測(cè)量降水量[16]。

全國(guó)觀測(cè)站所用稱重式降水傳感器統(tǒng)一規(guī)格。稱重式降水傳感器的承水口直徑為20 cm，口徑面積為314 cm2，承水口高度為120 cm，安裝直徑為105 cm、高為123 cm的Tretyakov式防風(fēng)圈。稱重式降水傳感器測(cè)量范圍為0～400 mm，分辨力為0.1 mm；當(dāng)降水量不大于10 mm時(shí)，最大測(cè)量誤差為±0.4 mm，當(dāng)降水量大于10 mm時(shí)，最大測(cè)量誤差為±4%；每分鐘進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)[16]。

人工觀測(cè)用的雨量筒與稱重式降水傳感器均安裝在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)。人工觀測(cè)中, 當(dāng)無(wú)降水時(shí)，降水量欄空白不填，當(dāng)降水量小于0.05 mm時(shí)，用微量表示[16]，降水量為0.05～0.09 mm時(shí)，降水量記錄為0.1 mm。稱重式降水傳感器觀測(cè)中，當(dāng)無(wú)降水或降水量小于0.1 mm時(shí)，均無(wú)降水量輸出。

1.2 觀測(cè)資料

人工觀測(cè)日降水量由每日兩個(gè)定時(shí)觀測(cè)降水量相加，稱重式降水傳感器降水量由每日逐時(shí)觀測(cè)的降水量累加。在自動(dòng)氣象站使用雙翻斗雨量傳感器進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)段，參照雙翻斗雨量計(jì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)稱重式降水傳感器降水量參照人工觀測(cè)天氣現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除由于其他原因?qū)е碌恼`報(bào)降水[17]。

2012年11月及2013年6—7月北京市氣象局對(duì)各站點(diǎn)稱重式降水傳感器共進(jìn)行兩次測(cè)試，均使用10 mm降水量的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量輸出值均為9.8～10.0 mm，稱重式降水傳感器靜態(tài)準(zhǔn)確性較好，經(jīng)歷整個(gè)冬天使用后觀測(cè)未現(xiàn)偏差。

本文利用北京市15個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站的DSC2型稱重式降水傳感器觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量資料進(jìn)行分析，觀測(cè)時(shí)間為2012年11月—2014年1月，其中3個(gè)站對(duì)比時(shí)間為固態(tài)降水時(shí)段(即2012年11月—2013年3月)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，共有1064次有效對(duì)比降水?dāng)?shù)據(jù)，其中253次為固態(tài)降水(降雪或雨夾雪)，811次為液態(tài)降水。

2 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)降水量差異

2.1 累積降水量差異

計(jì)算觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各站的累積降水量，并按觀測(cè)的降水類型進(jìn)行分類，當(dāng)觀測(cè)天氣現(xiàn)象為雪或雨夾雪等固態(tài)降水時(shí)，該日降水量計(jì)入累積固態(tài)降水量中；當(dāng)觀測(cè)天氣現(xiàn)象為雨時(shí)，該日降水量計(jì)入累積液態(tài)降水量中。

比較全相態(tài)累積降水量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),除54410站外，其余11個(gè)站在對(duì)比時(shí)段的差值均符合有關(guān)規(guī)范要求[16]。包括固態(tài)降水和液態(tài)降水對(duì)比的12個(gè)站中，2個(gè)站稱重觀測(cè)累積降水量高于人工觀測(cè)累積降水量，10個(gè)站稱重觀測(cè)累積降水量低于人工觀測(cè)累積降水量，平均相對(duì)誤差為-0.8%。但在固態(tài)降水和液態(tài)降水兩類天氣條件下，對(duì)比的差異較大，15個(gè)站的固態(tài)累積降水量對(duì)比中，所有站的稱重觀測(cè)均不小于人工觀測(cè)；12個(gè)站的液態(tài)累積降水量對(duì)比中，僅1個(gè)站的稱重觀測(cè)高于人工觀測(cè)。各站的固態(tài)累積降水量相對(duì)差均高于液態(tài)累積降水量相對(duì)差，固態(tài)累積降水量相對(duì)差與液態(tài)累積降水量相對(duì)差最多高9.5%，最少高2.0%，平均高5.1%。全部降水量比較參見(jiàn)表1。

2.2 月降水量差異

計(jì)算各站月降水量，當(dāng)月無(wú)降水或僅有微量降水則不進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共有167次有效對(duì)比，稱重觀測(cè)比人工觀測(cè)月降水量平均偏小0.29 mm，22次稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)月降水量相等,73次稱重觀測(cè)小于人工觀測(cè)月降水量，72次稱重觀測(cè)大于人工觀測(cè)月降水量。將北京地區(qū)各站的降水量按月份計(jì)算北京地區(qū)降水量，出現(xiàn)固態(tài)降水的月份稱重觀測(cè)降水量大于人工觀測(cè)降水量，出現(xiàn)液態(tài)降水的月份人工觀測(cè)降水量大于稱重觀測(cè)降水量。

表1 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)降水量的比較Table 1 Comparison of precipitation between weighing gauge and manual gauge

注：*表示該站僅進(jìn)行固態(tài)降水對(duì)比。

圖1 為167次稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)月降水量的差值分布圖，按照月降水量10 mm分為兩段統(tǒng)計(jì)，月降水量不大于10 mm計(jì)算絕對(duì)誤差，月降水量大于10 mm則計(jì)算相對(duì)誤差。由圖1可見(jiàn)，月降水量誤差較大的情況僅出現(xiàn)在個(gè)別月份，有2個(gè)月絕對(duì)誤差在1 mm以上，有4個(gè)月相對(duì)誤差在10%以上。出現(xiàn)固態(tài)降水月份，稱重觀測(cè)降水量大部分為正偏差，差值較大；出現(xiàn)液態(tài)降水月份，稱重觀測(cè)降水量大部分為負(fù)偏差，差值較小。

圖1 稱重觀測(cè)降水量差值分布Fig.1 Differences in monthly precipitation between weighing gauge and manual gauge

2.3 日降水量差異

對(duì)1064次稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量進(jìn)行對(duì)比，88.0%的對(duì)比次數(shù)中,稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)的日降水量差值達(dá)到業(yè)務(wù)要求[16]，稱重觀測(cè)比人工觀測(cè)的日降水量平均偏小0.04 mm，均方根誤差為0.54 mm，其中,液態(tài)降水時(shí)稱重觀測(cè)比人工觀測(cè)日降水量平均偏小0.12 mm，均方根誤差為0.51 mm，該值與翻斗雨量計(jì)觀測(cè)同人工觀測(cè)間的差異相當(dāng)[18]，但翻斗雨量計(jì)觀測(cè)與人工觀測(cè)相比為正偏差，稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)相比為負(fù)偏差；固態(tài)降水時(shí)稱重觀測(cè)比人工觀測(cè)日降水量平均偏大0.19 mm，均方根誤差為0.64 mm。

在有效對(duì)比觀測(cè)中, 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量相等的次數(shù)占23.1%, 稱重觀測(cè)小于人工觀測(cè)日降水量的次數(shù)占48.1%，稱重觀測(cè)大于人工觀測(cè)日降水量的次數(shù)占28.8%。在固態(tài)降水觀測(cè)中，僅12.3%的稱重觀測(cè)日降水量小于人工觀測(cè)日降水量，但在液態(tài)降水觀測(cè)時(shí)，只有23.1%情況下稱重觀測(cè)日降水量大于人工觀測(cè)日降水量。

圖2為稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量差值頻率分布。圖2中差值為稱重觀測(cè)日降水量減去人工觀測(cè)日降水量, 對(duì)比次數(shù)為不同差值對(duì)應(yīng)的稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)對(duì)比次數(shù)。由圖2可見(jiàn)，分布中心微左偏, 說(shuō)明不僅存在采樣位置帶來(lái)的隨機(jī)誤差[15]，還存在儀器帶來(lái)的系統(tǒng)偏差，且稱重觀測(cè)降水量小于人工觀測(cè)降水量的比率較高。按降水類型來(lái)分，液態(tài)降水差值頻率分布中心微偏左，固態(tài)降水差值頻率分布中心微偏右。

圖2 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量差值頻次分布Fig.2 The frequency distribution of absolute differences in precipitation between weighing gauge and manual guage

2.4 小量降水觀測(cè)數(shù)據(jù)比較

按照中國(guó)氣象局的降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)均有降水量的998次日降水量進(jìn)行對(duì)比分析，僅有13次在降水等級(jí)上存在差異，其中，8次為降雪天氣。在有差異的降水過(guò)程中，稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量均較接近降水等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)的日降水量，說(shuō)明在有明顯降水過(guò)程時(shí)，稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)在降水量等級(jí)判斷上差異很小。

在所有對(duì)比數(shù)據(jù)中，有66次出現(xiàn)降水天氣現(xiàn)象時(shí)，稱重觀測(cè)和人工觀測(cè)僅有1種觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)到降水量(單獨(dú)觀測(cè)降水)。其中，稱重觀測(cè)為38次，人工觀測(cè)為28次。上述的66次單獨(dú)觀測(cè)降水中，有23次出現(xiàn)在20：00前后，結(jié)合人工觀測(cè)的降水現(xiàn)象起止記錄時(shí)間分析原因，主要是由于降水過(guò)程的開(kāi)始或結(jié)束時(shí)間恰在20：00左右，按照規(guī)定人工觀測(cè)降水可在正點(diǎn)前15 min 內(nèi)進(jìn)行，而稱重觀測(cè)是在正點(diǎn)時(shí)采樣觀測(cè)，兩種觀測(cè)方式的采樣時(shí)間不同步會(huì)導(dǎo)致日降水量觀測(cè)值不一致。另外，滯后降水也可能導(dǎo)致的觀測(cè)誤差。其他43次單獨(dú)觀測(cè)降水中，人工觀測(cè)12次均為日降水量為0.1 mm；稱重觀測(cè)31次中，2次為0.3 mm，6次為0.2 mm，23次為0.1 mm，因此，經(jīng)過(guò)中國(guó)氣象局考核定型的稱重降水傳感器，在捕捉、分辨小量降水事件的能力已有大幅提高，并在一定程度上優(yōu)于人工觀測(cè)的性能，與早期未定型設(shè)備的性能有較大提升[4]。

3 稱重與人工觀測(cè)降水量差異原因

3.1 風(fēng)場(chǎng)變形的影響

根據(jù)任芝花等[15]對(duì)中國(guó)降水測(cè)量誤差的研究，液態(tài)降水測(cè)量誤差中風(fēng)場(chǎng)變形誤差3.17%，固態(tài)降水測(cè)量誤差其中風(fēng)場(chǎng)變形誤差10.97%。WMO的國(guó)際比對(duì)結(jié)果風(fēng)場(chǎng)變形誤差在液態(tài)降水時(shí)為2%～10%，固態(tài)降水時(shí)為10%～50%[12-13]。研究表明，風(fēng)場(chǎng)變形誤差的大小與儀器的形狀、收集口大小、安裝高度、風(fēng)速、降水粒子大小及降水類型有關(guān)[12-14]。

稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)采用的雨量器，在收集口形狀和大小上一致，但安裝高度不一樣，同時(shí)稱重觀測(cè)安裝有Tretyakov 防風(fēng)圈予以擋護(hù)。風(fēng)場(chǎng)變形導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差為負(fù)值，安裝有防風(fēng)圈的雨量器能夠比無(wú)防風(fēng)圈的雨量器采集到更多的降水量，特別是對(duì)固態(tài)降水[6]。2006年和2010年兩次稱重式降水傳感器的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果也表明，對(duì)于固態(tài)降水測(cè)量單層防風(fēng)圈防風(fēng)效果較好，明顯提高了降水捕捉率，液態(tài)降水時(shí)有無(wú)防風(fēng)圈差異不明顯[1-3]。

本文所有觀測(cè)站稱重觀測(cè)固態(tài)降水量均高于人工觀測(cè)，主要是稱重式降水傳感器安裝了防風(fēng)圈的緣故。54410站觀測(cè)場(chǎng)位于海拔高度為1216.9 m的山頂，常年風(fēng)速較大，該站的年平均風(fēng)速在北京各站中最大，該站稱重觀測(cè)降水量較人工偏多6.0%，液態(tài)降水和固態(tài)降水的相對(duì)誤差均為所有站中最高(即捕捉率相對(duì)人工最高)，亦是因?yàn)榉里L(fēng)圈提高了稱重降水在大風(fēng)條件下雨、雪的捕獲能力。

3.2 蒸發(fā)的影響

中國(guó)降水測(cè)量誤差的研究認(rèn)為中國(guó)地面觀測(cè)站雨量器的蒸發(fā)誤差為0.0 mm[15]。稱重降水在業(yè)務(wù)規(guī)定中要求觀測(cè)人員及時(shí)向承水內(nèi)筒內(nèi)添加蒸發(fā)抑制油，以減少蒸發(fā)誤差。冬季稱重觀測(cè)降水接入業(yè)務(wù)用自動(dòng)氣象站，觀測(cè)人員按照業(yè)務(wù)規(guī)定進(jìn)行維護(hù)。4月觀測(cè)站切換為雙翻斗雨量傳感器，稱重觀測(cè)僅作對(duì)比試驗(yàn)用，觀測(cè)人員實(shí)際操作時(shí)僅清空內(nèi)筒內(nèi)的液體，并未添加蒸發(fā)抑制油。

稱重雨量的內(nèi)筒口徑大于稱重的承水口，暴露水面面積約為小型蒸發(fā)器水面面積1.6倍。根據(jù)54399站的稱重降水采集器原始數(shù)據(jù)計(jì)算，添加蒸發(fā)抑制油的情況下，內(nèi)筒日蒸發(fā)量小于0.05 mm，而在7—8月未添加蒸發(fā)抑制油的情況下內(nèi)筒水面的平均日蒸發(fā)量達(dá)到2～3 mm，極端情況下可達(dá)5 mm。在持續(xù)降雨的天氣條件下，聯(lián)合降水量計(jì)算內(nèi)筒液面高度的變化，水分日蒸發(fā)量基本保持在0.2 ～0.5 mm之間，蒸發(fā)帶來(lái)的誤差是累積的。WMO報(bào)告也指出春、夏季可能每日有超過(guò)0.8 mm 的損失，冬季的蒸發(fā)損失相對(duì)夏季的月份少，每日約為0.1～0.2 mm[7]。

圖3為54399站2013年8月人工觀測(cè)日蒸發(fā)量和稱重內(nèi)筒日蒸發(fā)量對(duì)比，由圖3可見(jiàn),兩者具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.783，達(dá)到0.05顯著性水平[19]，圖中較低點(diǎn)為有降水日，稱重內(nèi)筒蒸發(fā)量最低也達(dá)到0.4 mm。蒸發(fā)誤差會(huì)造成稱重觀測(cè)降水較實(shí)際偏少，同時(shí)也可能會(huì)造成零星降水情況下稱重觀測(cè)的缺測(cè)。

圖3 2013年8月54399站稱重內(nèi)筒蒸發(fā)與人工觀測(cè)蒸發(fā)對(duì)比Fig.3 Comparison of evaporation from weighing gauge container and pan evaporimeter at No.53499 in Aug 2013

3.3 其他因素影響

由于降水量在空間分布上是隨機(jī)性較大的氣象要素，稱重觀測(cè)和人工觀測(cè)降水設(shè)備安裝在觀測(cè)場(chǎng)的不同位置，降水量在空間分布上的不均勻性造成采樣誤差，空間采樣誤差有時(shí)會(huì)導(dǎo)致某次的對(duì)比差值較大, 對(duì)于單次對(duì)比測(cè)量可能有一定影響，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)應(yīng)無(wú)此影響。

按照規(guī)定, 人工觀測(cè)可在正點(diǎn)前15 min 內(nèi)進(jìn)行, 而稱重觀測(cè)是在正點(diǎn)時(shí)采樣，降水過(guò)程的開(kāi)始或結(jié)束時(shí)間剛好在20:00左右，這種差異會(huì)造成前后兩日降水量測(cè)量存在誤差。這種采樣時(shí)間差異產(chǎn)生的誤差大小與20:00降水強(qiáng)度及人工提前時(shí)間有關(guān)，與空間采樣誤差一樣，這種差異對(duì)氣候資料統(tǒng)計(jì)不構(gòu)成影響。

稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)集水器結(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)單，與降水接觸面積差異較小，冬季人工觀測(cè)均采用臺(tái)秤測(cè)量，故認(rèn)為冬季稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)的沾濕誤差相當(dāng)，夏季采用雨量杯觀測(cè)時(shí)，人工觀測(cè)沾濕誤差較稱重觀測(cè)多0.1 mm[15]。

在微量降水時(shí)，觀測(cè)人員會(huì)將0.05～0.09 mm降水量記錄為0.1 mm；在觀測(cè)明顯降水時(shí)，觀測(cè)人員也會(huì)對(duì)降水量進(jìn)行四舍五入的數(shù)據(jù)修約。稱重式降水傳感器觀測(cè)中對(duì)于累積不足0.1 mm的降水量均舍棄，由此會(huì)產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)偏差。

4 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量的相關(guān)性

利用15個(gè)站1064 次稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量進(jìn)行相關(guān)分析。圖4為稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量的相關(guān)分布。由圖4可見(jiàn), 數(shù)據(jù)緊密圍繞成一條直線分布, 因此，稱重觀測(cè)日降水量與人工觀測(cè)呈很好的線性相關(guān)。

圖4 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量分布Fig.4 Relationship between daily precipitation measured by weighing gauge and manual gauge

利用最小二乘法計(jì)算, 稱重觀測(cè)日降水量與人工觀測(cè)日降水量相關(guān)系數(shù)為0.9990，液態(tài)降水和固態(tài)降水時(shí)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9992， 0.9984，均達(dá)到0.01顯著性水平[19]，液態(tài)降水和固態(tài)降水時(shí)相關(guān)方程分別為

y液態(tài)=x液態(tài)- 0.1173,

(1)

y固態(tài)=1.0351x固態(tài)+ 0.0399。

(2)

式(1)和(2)中,x液態(tài),x固態(tài)分別為人工觀測(cè)日液態(tài)降水量和日固態(tài)降水量,y液態(tài),y固態(tài)分別為稱重觀測(cè)日液態(tài)降水量和日固態(tài)降水量, 單位：mm。

相關(guān)分析表明，在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，稱重觀測(cè)和人工觀測(cè)差異很小，兩者可互為備份，以提高降水觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 小 結(jié)

使用北京市國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站的稱重與人工的降水觀測(cè)資料，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

1) 11個(gè)站全相態(tài)累積降水量誤差符合現(xiàn)行業(yè)務(wù)要求，88.0%對(duì)比次數(shù)中稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量差值滿足業(yè)務(wù)要求，稱重觀測(cè)比人工觀測(cè)的日降水量平均偏小0.04 mm，均方根誤差為0.54 mm。固態(tài)降水時(shí)，稱重觀測(cè)較人工觀測(cè)偏大；液態(tài)降水時(shí)，稱重觀測(cè)較人工觀測(cè)偏小。

2) 在有明顯降水時(shí)，稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)在降水量等級(jí)判斷差別較??；對(duì)小量降水事件，稱重觀測(cè)更為敏感，使用稱重觀測(cè)可以消除或至少可以減少人工測(cè)量方法的某些潛在誤差。

3) 稱重觀測(cè)的防風(fēng)圈顯著提高固態(tài)降水的捕捉率，液態(tài)降水時(shí)防風(fēng)效果不明顯；蒸發(fā)會(huì)減少稱重觀測(cè)的降水量，對(duì)降水量的影響較人工大。

4) 稱重觀測(cè)與人工觀測(cè)日降水量呈線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.9990，固態(tài)降水和液態(tài)降水時(shí)兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.9984， 0.9992。

[1] 胡玉峰.自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2004,15(6):719-726.

[2] 王穎,劉小寧,鞠曉慧.自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)差異的初步分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2007,18(6):849-855.

[3] 連志鸞.自動(dòng)站與人工站觀測(cè)記錄的差異分析.氣象,2005,31(3):48-52.

[4] 劉小寧,鞠曉慧,范邵華.空間回歸檢驗(yàn)方法在氣象資料質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2006,17(1):37-42.

[5] 楊萍,劉偉東,仲躋芹,等.北京地區(qū)自動(dòng)氣象站氣溫觀測(cè)資料的質(zhì)量評(píng)估.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2011,22(6):706-715.

[6] 任芝花,余予,鄒鳳玲,等.部分地面要素歷史基礎(chǔ)氣象資料質(zhì)量檢測(cè).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2012,23(6):739-747.

[7] 中國(guó)氣象局.氣象儀器和觀測(cè)方法指南(第六版).北京:氣象出版社,2005:101-103.

[8] 任芝花,李偉,雷勇,等.降水測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)及其主要結(jié)果.氣象,2007,33(10):96-101.

[9] 王柏林,王經(jīng)業(yè),任芝花,等.固體降水自動(dòng)化觀測(cè)試驗(yàn).氣象科技,2009,37(1):97-101.

[10] 姚作新.新疆阿勒泰國(guó)家基準(zhǔn)氣候站ZQZ-BH型稱重式固態(tài)降水試驗(yàn)研究.氣象,2011,37(6):714-719.

[11] 李林,常晨,范雪波,等.春夏季DSH1與SL3-1型降水傳感器數(shù)據(jù)比較.氣象科技,2013,41(6):1008-1012.

[12] Goodison B,Louie P,Yang D.WMO Solid Precipitation Measurement Intercomparison:Final Report.WMO-TD 872,Geneva:WMO,1998:10-15.

[13] Sevruk B.Correction of Precipitation Measurements.WMO-TD_104,Geneva:WMO,1985:13-23.

[14] WMO.Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation.Geneva:WMO,2006:105-109.

[15] 任芝花,王改利,鄒風(fēng)玲,等.中國(guó)降水測(cè)量誤差的研究.氣象學(xué)報(bào),2003,61(5):621-627.

[16] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范.北京:氣象出版社,2003:54-55.

[17] 李林,常晨,張曼,等.DSC2型稱重式降水傳感器的電源擾動(dòng)及解決辦法.氣象水文海洋儀器,2013(3):82-85;90.

[18] 任芝花,馮明農(nóng),張洪政,等.自動(dòng)與人工觀測(cè)降雨量的差異及相關(guān)性.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2007,18(3):358-364.

[19] 黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法.北京:氣象出版社,2000:18-27.

Comparative Analysis of Precipitation Between Weighing Gauge and Manual Gauge

Li Lin1)2)Fan Xuebo2)Cui Wei2)Zhang Zhiguo2)Liu Xulin2)

1)(InstituteofUrbanMeteorology,CMA,Beijing100089)2)(BeijingMunicipalMeteorologicalObservationCenter,Beijing100089)

Precipitation data play an important role in meteorological observation and relative applications. In order to accelerate CMA meteorological modernization, nearly 1000 weighing gauges are put into use in relative quantities national meteorological stations as an alternative observation device different from manual gauge for precipitation. Although field intercomparison experiments are carried out before the usage of weighing guage, there still exist some doubts on this kind of instrument, particularly in liquid precipitation measurements.

Based on 1064 groups of precipitation data observed by weighing gauge and manual gauge at 15 national meteorological stations in Beijing during November 2012 to January 2014, several analyses are carried out to find out differences between two precipitation observation methods. 1064 precipitation processes include 253 snowfalls or sleets and 811 rainfalls. The error of accumulated precipitation for 14 stations meets requirements of operation. Also, the deviation of quantitative precipitation value obtained by weighing gauge and manual gauge also is within the margin of error, with 88.0% coverage rate of analyzed precipitation. In terms of the comparison, the average daily precipitation observed by weighing gauge is 0.04 mm smaller, and the RMSE (root mean square error) is 0.54 mm. Corresponding to different precipitation patterns, results make difference. For snowfall measurement, the quantitative value of precipitation obtained by manual gauge is 0.12 mm smaller and the RMSE is 0.51 mm. But for rainfall measurement，the quantitative value of precipitation obtained by manual gauge is 0.19 mm larger and the RMSE is 0.64 mm. For each significant precipitation process, the judgment of precipitation grade with weighing gauge and manual gauges is very close. But, more light rain phenomena can be detected by weighing gauge, typically when the quantitative value of daily precipitation is under 0.2 mm. The weighing gauge is shielded with Tretyakov wind shield, while manual gauge is unshielded. Results show that weighing gauge could capture more precipitation than manual gauge for solid precipitation, while effects of Tretyakov wind shield are not significant for liquid precipitation. Also, it’s found that evaporation from the container of weighing gauge could reduce the precipitation of rainfall. The daily precipitation between weighing gauge and manual gauge is obviously linearly related with the correlation coefficient of 0.9990. In detail, the correlation coefficient is 0.9984 for solid precipitation and 0.9992 for liquid precipitation, respectively.

In general, weighing gauge is satisfactory for measuring all kinds of precipitation, showing considerable advantages over manual gauge when measuring snowfall, and it can minimize some potential errors in manual methods of precipitation measurement.

precipitation measurement; weighing gauge; manual gauge; relativity

10.11898/1001-7313.20150605

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2012YQ11020507)，北京市氣象局科研專項(xiàng)(2013BMBKYZX07)

李林,范雪波,崔煒,等. 稱重與人工觀測(cè)降水量的差異. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(6)：688-694.

2015-01-15收到， 2015-07-20收到再改稿。

* email: lilin@bjmb.gov.cn