劉慧杰 舒大興 陸斌 吳歡

摘 ?要：為了適應(yīng)強降水觀測，在我國南方氣象部門同時使用0.1 mm和0.5 mm斗的雨量傳感器，而在水文部門0.5 mm斗的大翻斗雨量傳感器得到普遍采用。JSP-01A型智能雨量計綜合了0.1 mm與0.5 mm斗的優(yōu)勢，為了測試其與氣象部門普遍采用的0.1 mm雙翻斗雨量傳感器的性能差異，組織了比較實驗。實驗按2 mm/min、4 mm/min、

6 mm/min、10 mm/min雨強進行，每個雨強實驗3次取平均值，結(jié)果表明在2 mm/min、4 mm/min雨強時二者性能相當(dāng)，在雨強進一步增大后雙翻斗測量值偏小增大，而JSP-01A型依舊穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙翻斗;JSP型雨量計;比較

中圖分類號：P414 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

雙翻斗降水傳感器普遍應(yīng)用于地面氣象觀測自動站中，常用型號為SL3-1型，其安裝高度為0.7 m（從承雨口平面至觀測場地面距離）。工作過程為：降水由直徑200 mm的集水器匯集，通過裝有護網(wǎng)的漏斗及其下端的引流管進入上翻斗;通過上翻斗流入計量（計數(shù)）翻斗，當(dāng)翻斗承積的水量達到一定的數(shù)量值時（3.14 mL）翻轉(zhuǎn)一次;計數(shù)翻斗中部上端裝有一塊小磁鋼，磁鋼后面下面墻板上裝有塑料封裝的干簧管，計數(shù)翻斗翻倒一次使干簧開關(guān)閉合一次，送出一個開關(guān)信號;每一個信號表示降水量0.1 mm，經(jīng)采集器的MCU計算處理，得到相應(yīng)降水量值。

JSP-01A智能型雨量計安裝高度為0.7 m或1.2 m，組件是2個翻斗式機械雙穩(wěn)態(tài)稱重機構(gòu)，其翻斗感量分別為3.14 g（相當(dāng)于0.1 mm降雨量）和15.2 g（相當(dāng)于0.5 mm降雨量，考慮翻轉(zhuǎn)過程中有雨水流淌，翻斗感量比理論感量小0.5 g）。

控制器采集小翻斗和大翻斗的信號，并進行邏輯判斷智能控制輸出高精度降雨量，同時將3個數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。這里的邏輯判斷可以有效地解決強降水時0.1 mm翻斗快速翻轉(zhuǎn)過程中的掛水、溢出等導(dǎo)致翻斗水量出現(xiàn)偏差的情況，象0.1 mm翻斗翻了4次，但0.5 mm翻斗已經(jīng)開始翻轉(zhuǎn)，則雨量綜合判斷為0.5 mm，同理，小翻斗翻了6次，大翻斗才開始翻1次，雨量仍計為0.5 mm。

從JSP型智能雨量計的設(shè)計可以看出，其相當(dāng)于0.1 mm翻斗和0.5 mm翻斗2臺設(shè)備，并具有智能計數(shù)功能，對大、小雨強具有廣泛適用性。2種儀器的性能指標見表1。

從表1可以看出，2種設(shè)備雨強測量范圍都超出了地面氣象觀測規(guī)范要求的每分鐘4 mm，JSP-01A型在測量精度上比SL3-1型更優(yōu)。為了對兩者性能進行比較，設(shè)計了對比實驗。

1 對比實驗設(shè)計

從2種降水觀測設(shè)備的原理看，都是翻斗計數(shù)型，不同的是JSP-01A型針對大雨強增加了0.5 mm大翻斗設(shè)計，而SL3型雙翻斗只有0.1 mm翻斗，兩者的差別應(yīng)該在大雨強部分，因此，實驗對0.5 mm/min雨強未考慮，僅對2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min雨強進行比對。按照地面氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范，雙翻斗降水傳感器的測量范圍是0 mm/min～

4 mm/min，但6 mm/min雨強在短時強降水中也可能會出現(xiàn)，10 mm/min雨強在正常降水過程中極少出現(xiàn)，只有在漏斗堵塞疏通后會出現(xiàn)，可以說是對翻斗型設(shè)備的極限考驗。

實驗中每種雨強對比3次，取算術(shù)平均值，降水總量為10 mm，雨強控制使用專用校準設(shè)備。

考慮SL3-1型翻斗雨量器自身沒有計數(shù)功能，采用自動氣象站采集器計數(shù)，為了避免采集器采樣數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致實驗失敗，實驗提供2種計數(shù)結(jié)果：一種是翻斗雨量器設(shè)備自身計數(shù)，采用雨量校準計數(shù)器計算翻斗翻動次數(shù)，換算成降水量;另一種是自動氣象站通過采集器計數(shù)，由自動站業(yè)務(wù)軟件（ISOS）輸出的降水量。

2 實驗結(jié)果

2019年6月17日，對比實驗由安徽分院、河海大學(xué)、安徽省大氣探測技術(shù)保障中心三方技術(shù)人員共同參與完成，結(jié)果見表2。

其中雨強分為2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min 4個強度。降水標準值為每次實驗使用的實際降水量值，均為10 mm。JSP型計數(shù)為JSP型智能雨量計綜合0.1 mm和0.5 mm 2種翻斗顯示的最終降水量值。標準偏離為測量值與標準值之間的差值占標準值的百分比，即（測量值-標準值）÷標準值×100%。測量值偏小為負偏離，測量值偏大為正偏離。SL3-1型設(shè)備計數(shù)是翻斗設(shè)備外接雨量校準計數(shù)器顯示的干簧管導(dǎo)通次數(shù)對應(yīng)的降水量，即計數(shù)翻斗翻動次數(shù)×0.1 mm。SL3型系統(tǒng)計數(shù)是自動氣象站采集器采集計數(shù)由觀測業(yè)務(wù)軟件（ISOS）輸出的降水量。

3 分析與結(jié)論

3.1 常規(guī)雨強

在地面氣象觀測規(guī)范要求的4 mm/min雨強范圍內(nèi)，兩者都達到了設(shè)計要求，誤差在2%以內(nèi)。

3.2 超常規(guī)雨強

在地面氣象觀測規(guī)范要求的4 mm/min雨強之上，單從設(shè)備考慮，兩者仍然達到了設(shè)計要求，最大誤差4%，而JSP-01A型略顯穩(wěn)定，誤差仍然控制在2%。但自動氣象站采集器計數(shù)由觀測業(yè)務(wù)軟件（ISOS）提供的最終降水量數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了較嚴重的負偏離，從6 mm/min雨強偏小6%，到10 mm/min雨強偏小至28%，呈現(xiàn)出降水強度越大，誤差越大的趨勢。

3.3 差值原因分析

如圖2所示，從超常規(guī)雨強自動氣象站降水量最終采樣數(shù)據(jù)異常偏小，而翻斗雨量傳感器本身計數(shù)卻正?？梢钥闯?，誤差原因存在于自動站的采集計數(shù)部分。實驗中6 mm/min雨強時，自動站分鐘雨量最大達6.1 mm/min，而在10 mm/min雨強時，自動站分鐘雨量最大只有4.0 mm/min，這說明SL3-1型雙翻斗雨量傳感器本身可以正常測量10 mm/min雨強的降水，但自動氣象站采集器只能允許6.1 mm/min左右的雨強，即

61次/min干簧管通斷計數(shù)，對于更加短暫的干簧管通斷間歇被忽略了，即在1秒鐘內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次只被計數(shù)為1次，這是造成強降水情況下自動站降水量嚴重偏小的原因。

實驗在超大雨強只選取了6 mm/min和10 mm/min 2種雨強，沒有做更多雨強的實驗，但根據(jù)自動站采樣1 s內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次只被計數(shù)為1次的誤差原因，可以推測出，在6 mm/min雨強以上，干簧管導(dǎo)通次數(shù)在60次/min以上，出現(xiàn)1 s內(nèi)干簧管導(dǎo)通2次的次數(shù)在增加，即被忽略掉的干簧管導(dǎo)通次數(shù)在增加，所以隨著降水雨強的增大，降水量采樣值會偏小更多，變化趨勢。

4 結(jié)語

通過SL3-1型雙翻斗降水傳感器和JSP-01A型智能雨量計實驗對比分析，可以看出JSP-01A型智能雨量計在10 mm/min雨強以內(nèi)技術(shù)性能穩(wěn)定，誤差在2%以內(nèi)，但由于0.1 mm翻斗與上匯集斗距離太近，在超強降水條件下，容易產(chǎn)生匯集斗水位過高頂托0.1 mm翻斗導(dǎo)致不計數(shù)的問題;SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在10 mm/min雨強以內(nèi)技術(shù)性能達到設(shè)計標準，誤差最大4%，但自動氣象站在6 mm/min雨強以上時采樣數(shù)據(jù)偏小超過了4%，10 mm/min雨強時偏小達28%，這是由于自動站采集器忽略間歇較小的干簧管導(dǎo)通次數(shù)導(dǎo)致的，可以推測，更大的雨強會使采樣數(shù)據(jù)偏小更多。

自動氣象站使用SL3-1型雙翻斗雨量傳感器能夠監(jiān)測每分鐘10 mm以內(nèi)的降水，但通過實驗分析，找到了其在大雨強時出現(xiàn)較大誤差的原因，如果能針對此原因采取措施改進采集器端軟件，防止正常的干簧管計數(shù)被忽略，即可減小誤差，提高觀測數(shù)據(jù)的準確性。

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