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(甘肅張掖水文水資源勘測局，甘肅 張掖 734000)

1 區(qū)域概況及實驗監(jiān)測站網(wǎng)

1.1 自然地理分布

黑河流域位于東經(jīng)96°42′～ 102°04′、北緯39°45′～ 42°40′之間，處于青藏和蒙新高原交接地帶，地跨青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(自治區(qū))，總流域面積12.83萬 km2。自上游而下，流域內(nèi)斷續(xù)分布著高山高原、平原綠洲及沙漠戈壁。

由于地處亞歐大陸腹地，黑河流域屬大陸性氣候區(qū)，其氣候地帶性和區(qū)域性較為明顯。上游祁連山區(qū)為高寒半干旱區(qū)，中段河西走廊為冷溫帶干旱區(qū)，下游北部山地和戈壁沙漠為溫帶干旱區(qū)。

祁連山地為黑河的發(fā)源地，降水多集中于主汛期；流域中、下游降水較為稀少，蒸發(fā)能力相應增加。

1.2 降水監(jiān)測站網(wǎng)

張掖水文水資源勘測局在黑河干流及其支流上共設有10個國家基本水文站，勘測區(qū)域涉及甘肅、青海兩省，與14個雨量站及若干在建雨量監(jiān)測點共同組成降水監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。

本次實驗選取不同氣候區(qū)控制站共7站。黑河干流黃藏寺峽以上分為東西兩岔，高山峽谷起伏變化較大，有大片森林、草甸分布，因此本次實驗選取上游兩岔控制站札馬什克、祁連站；黑河二級支流梨園河控制站肅南站，梨園河出山口控制站鸚鴿咀站；淺山區(qū)選取黑河三級支流洪水河控制站雙樹寺站，二級支流山丹河(白石崖河)控制站李橋站；黑河中游降水量較少，為雙向不對稱傾斜平原區(qū)，選取控制站高崖站；下游降水稀少，難以形成較大洪水，因此沒有選用。

各站多年平均降水量由祁連山區(qū)札馬什克站444.9 mm向中游高崖站124.8 mm遞減，而多年平均蒸發(fā)能力卻由札馬什克站752.0 mm向高崖站1 554.8 mm遞增。

2 野外比測場地及儀器狀況

野外實驗場為氣象觀測場，儀器安放均符合《降水量觀測規(guī)范》要求，降水量能代表水平地面上的天然雨深。

遙感監(jiān)測使用的雨量傳感器為翻斗式JEZ雨雪量計，分辨力為0.2 mm，安裝高度1.2 m，其工作原理為器口匯集的降水流經(jīng)翻斗時，翻斗翻轉就會發(fā)出通斷脈沖，據(jù)脈沖信號測得降水量，由計算機完成數(shù)據(jù)分析、顯示、匯總、報警等，從而實現(xiàn)雨量的遠程自動遙測。同步比測的是人工雨量器，安裝高度0.7 m，記錄精度0.1 mm。

JEZ系列雨雪量計適用于年均降水小于800 mm的地區(qū)，降雨強度范圍為≤4 mm/min，自身排水法誤差為不超過±4%。

3 實驗數(shù)據(jù)計算整編

盡管JEZ系列雨雪量計在JDZ雨量傳感器的原有基礎上，增加了加熱膜、溫度傳感器及其控制器件等，但在降雪期間，由于氣溫較低，降雪不能完全融化，或耗于蒸發(fā)，或融化后有累積滯后現(xiàn)象，因此按5 min滑動提取了5月至9月的汛期降雨數(shù)據(jù)進行計算分析,摘錄段制為24段，記起訖時間輸出，使用南方片水文資料整編系統(tǒng)編制成果。

人工雨量數(shù)據(jù)按4段制記錄，數(shù)據(jù)不按起時間錄入，不得跨越的段制為4段，數(shù)據(jù)及成果經(jīng)相關部門校核認定，符合規(guī)范要求。

由于比測站網(wǎng)自我國地勢第一階梯跨第二階梯，氣候差異較大，因此各站比測時間長短不同，比測實驗時間見表1。

4 野外實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 測驗精度分析

由于實驗站點地處河西內(nèi)陸，經(jīng)歷年資料考證，暴雨均發(fā)生于5月至9月之間，各站實驗期降水占年降水總量比例見表2，其中產(chǎn)流區(qū)各站達80%以上， 淺山區(qū)雙樹寺站及中游高崖站達75%以上，因此本次實驗具有較強的代表性，雨量遙感在流域產(chǎn)匯流研究及減災方面有較強的實用性。

我國頒布的SL21-2006《降水量觀測規(guī)范》規(guī)定，翻斗式自記雨量計記錄日降水量與自然排水量之差為±2.0 mm時，應進行記錄量的訂正，因此認為誤差小于±2.0 mm的日降水量無需進行訂正，符合觀測精度。與注水法檢測儀器不同，野外受各種因素影響，落入承雨器中的天然降雨量并不知道，因此假定人工測記降水量為真值，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，7站的日降水量絕對誤差均在±1.5 mm以內(nèi)；其中僅李橋站出現(xiàn)一次3.1 mm的最大絕對誤差(相對誤差12%)。因此即使假定人工測記降水量為真值，遙感監(jiān)測的日降水量也完全符合規(guī)范要求，不合格樣本僅一例，占樣本總數(shù)的0.2%。

對7站實驗期降雨總量進行統(tǒng)計，最大累積誤差為札馬什克站的-19.2 mm，相對誤差-4.9%，占全年降水總量的-4.3%；最小累積誤差為祁連站-2.7 mm，相對誤差-0.7%，僅占全年降水總量的-0.6%，可完全忽略不計。統(tǒng)計見表1。

對7站的降水日數(shù)進行對比，當降水量很小時，各站比測的降水日數(shù)都不相同，是由于兩儀器的分辨力記錄不同，達不到分辨力要求的降水不予記錄，符合規(guī)范要求，并無一例漏測現(xiàn)象。統(tǒng)計見表1。

表1 各站比測時間及比測誤差統(tǒng)計表

表2 各站比測降雨量占年降水量比例統(tǒng)計表

4.2 實驗數(shù)據(jù)相關性分析

由于實驗數(shù)據(jù)較多，選取祁連、肅南、鸚鴿咀、高崖四站，分別代表深山區(qū)、淺山區(qū)、出山口、中游區(qū)進行分析，其相對誤差分別為-0.7%、-1.6%、-6.3%、2.4%。在實驗室，JEZ雨雪量計采用排水法測量誤差為不超過±4%，在野外狀態(tài)下，與人工記錄量相比，祁連、肅南、高崖站三站的測量誤差仍小于±4%，相對于年降水量可以忽略不計。鸚鴿咀站比4%小2.3%，但實驗期內(nèi)并沒有超過±2.0 mm 的日量誤差，且相對于年降水量僅偏小5.2%，因此無需對計量值進行訂正。

分別點繪四站降水量相關圖(見圖1)，從圖中可以看出，各站點據(jù)呈明顯的帶狀分布，相關程度極為密切，相關系數(shù)分別為1.007 4、0.988 2、0.968 2、1.075 1，判定系數(shù)除高崖站為0.996 7外，其它三站均大于0.998，樣本點據(jù)與回歸直線非常接近，顯示比測結果良好。

同理對札馬什克、李橋、雙樹寺三站做回歸分析，結果一致，札馬什克、雙樹寺站判定系數(shù)均為0.997 9，李橋站為0.988 5，點據(jù)關系密切。

對7站資料做總體分析，JEZ雨雪量計偏小的樣本遠大于偏大的樣本，說明當降水量小且過程較長時， JEZ雨雪量計記錄量系統(tǒng)偏小0.1 mm，屬正常器差，并不影響年降水量或暴雨的計量和采集。

圖1 祁連、肅南、高崖、鸚鴿咀站降水量比測實驗相關圖

5 比測實驗誤差分析

5.1 儀器分辨力誤差

JEZ雨雪量計傳感器最小分辨力為0.2 mm，達不到0.2 mm翻斗則不翻轉，雨量累積到下一時段，或耗于蒸發(fā)。一場降雨的誤差較小,然而野外實驗時，降水多為間歇性，日降水量一般由多場間歇性降水構成，則兩儀器測記誤差變大。對實測數(shù)據(jù)分析可以看出，總體誤差偏小的原因是由儀器的分辨力不同造成。

SL21-2006《降水量觀測規(guī)范》條文說明1.0.4規(guī)定了降水觀測的最小量,在黑河流域使用分辨力為0.2 mm的儀器，符合規(guī)范的規(guī)定。

5.2 人工測量誤差

在人工雨量器計量中，量杯的最小刻度為0.1 mm，但不同的人觀讀習慣不同，會造成一定的人為誤差，有可能并不固定。

5.3 障礙物遮擋誤差

野外實驗場設在水文站院內(nèi)，四周或多或少都有一定障外物，對氣流運動有阻礙作用，場地不同，儀器安裝高度不同，對降水量觀測精度都會產(chǎn)生一定的誤差。

5.4 風力損失

河西走廊常年風力較為強勁，降水受風力阻礙，空氣流動引起風場變形，在器口形成渦流和上升氣流，兩儀器安裝高度不同，因而器口以上的風速也不同，常引起降水跡線偏離而導致誤差，一般認為安裝高度越低，誤差會越小。

5.5 降水量值誤差

在野外，天然降水量具有很大的隨機性，雨滴的密度與質量都不相同，因而滴落在每個承雨器內(nèi)的降水量不同，比測時只是把人工記錄量做為假定真值來對比，會造成一定的人為誤差。

5.6 計量儀器誤差

計量儀器本身都會有一定的誤差，在出廠及實驗前，都對儀器進行了注水檢驗和調(diào)試，但在實際應用中也會產(chǎn)生誤差，不同計量儀器產(chǎn)生的誤差也不相同，可能是系統(tǒng)性的，也可能是隨機性的。

5.7 濕潤誤差

JEZ雨雪量計與人工雨量器構件不同，承雨及計量部件都要粘滯一些降水。在儀器結構上，人工雨量器的接觸面要略大于翻斗的接觸面。另外，由于儀器安裝區(qū)域不同，濕潤誤差受氣溫、濕度、風力的影響也較大。

5.8 蒸發(fā)誤差

人工降水觀測時，降雨停止后隨時測量，而翻斗中達不分辨力的降水則會耗于蒸發(fā)。 在本次實驗中，受蒸發(fā)影響較大的為中游站。

6 結語

本次野外實驗布設在黑河流域，各站所轄集水區(qū)為重點產(chǎn)流區(qū)或調(diào)水控制區(qū)域，使用一體化雨量遙感監(jiān)測降水量，不僅僅是對儀器設備的革新，更是起到暴雨預警的作用。經(jīng)過實驗比測分析，得出以下結論：

(1)目前，在黑河流域使用的降水監(jiān)測設備為人工雨量器或虹吸式自記雨量計，人工雨量器記錄的是4段制量，無法監(jiān)測到連續(xù)的降水強度；虹吸式自記雨量計能記錄連續(xù)的降水，但受人工干預，構件老化，記錄線需人工摘錄、校核及挑選，兩儀器都需人員常年駐守。使用一體化雨量遙感監(jiān)測，既可以監(jiān)測到連續(xù)的降水，又可使用程序提取數(shù)據(jù)直接整編，并實現(xiàn)準確快捷的查詢降雨情況。

(2)經(jīng)黑河流域野外實驗，雨量遙感一體化監(jiān)測可以在水文測站日常測驗中使用，且實用性明顯，降水量觀測符合規(guī)范規(guī)定的精度要求。

(3)由于冬季氣溫低，降水稀少，傳感器無法檢測出微小的降雪強度；降雪融化有滯后現(xiàn)象，因此降雪仍以人工為準，以遙感測量為輔，整編成果為共同編制的逐日表、摘錄表及最大降水量表，并輔助說明。

(4)應用自動化遙感監(jiān)測，使傳統(tǒng)的水文測報方式向技術性、知識性的領域轉變，一些老舊的水文儀器已不適應現(xiàn)代化自動測報系統(tǒng)的發(fā)展，可以進一步擴大站網(wǎng)，從面上提高區(qū)域總降水量的觀測精度。

(5)使用自動化遙感監(jiān)測降水，能與其它設備共同構成水文自動監(jiān)測系統(tǒng)，為防汛、度汛、預警提供實時準確的信息。