趙 鈺，王正紅，張 艷

(濟(jì)南市水文局，山東濟(jì)南250013)

傳統(tǒng)方法降水量觀測(cè)主要為人工觀測(cè)，通過(guò)普通雨量器收集自然降水，人工采用專用量杯量取儲(chǔ)水瓶中的雨量，操作簡(jiǎn)便。隨著近些年自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，先后應(yīng)用有虹吸式自計(jì)雨量器、翻斗式雨量器，這些自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用大大減輕了人工觀測(cè)的工作量，但是降雪天氣的降水觀測(cè)，仍然需要人工完成。通過(guò)OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器在崮山水文站的應(yīng)用及對(duì)比分析，在不同降水形式下均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)，可有效解決固態(tài)降水的自動(dòng)觀測(cè)，可真正實(shí)現(xiàn)降水量的無(wú)人值守。

1 崮山站概況

崮山水文站位于山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)崮山鎮(zhèn)鳳凰村，北大沙河中游，集水面積373 km2。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、單位水樣含沙率、降水、蒸發(fā)、墑情、水文調(diào)查等。本站設(shè)站目的為系統(tǒng)積累水文資料研究水文規(guī)律，為防汛抗旱、工程管理、水資源管理、調(diào)度、配置等服務(wù)。

該站多年平均降水量671 mm，最大年降水量為1145.0 mm(2004年)，年際變化較大，年內(nèi)分布不均，降雨主要集中在6月～9月，占全年降水量的65%左右。最大24 h降雨量229.3 mm(1996年7月30日)。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)目前設(shè)有普通人工雨量器[1]、0.5 mm翻斗式自計(jì)雨量器、OTT Pluvio2-400型稱重式融雪雨量器等。

2 OTT pluvio2-400型稱重式雨量器工作原理

傳統(tǒng)的降水量觀測(cè)采用翻斗式雨量桶或人工測(cè)量。OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器為德國(guó)OTT Hydromet公司研制的一種全天候降水量計(jì)，它使用精準(zhǔn)的基于稱重技術(shù)來(lái)測(cè)量雨、雪和冰雹的數(shù)量和強(qiáng)度。OTT Pluvio2-400與業(yè)界領(lǐng)先的氣象服務(wù)合作開(kāi)發(fā)，采用了高精度的稱重傳感器和算法，可補(bǔ)償風(fēng)、溫度和蒸發(fā)，確保在一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高精度的降水測(cè)量[2]。

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器底座內(nèi)采用高精度壓力傳感元件，稱量采樣桶所收集的液態(tài)和固態(tài)雨水，集成的溫度傳感器用于補(bǔ)償平衡系統(tǒng)內(nèi)的溫度，內(nèi)部安裝有機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置防止來(lái)自垂直方向的破壞。OTT Pluvio2-400采用平衡原理，雨量器每隔6 s采集一次采樣桶的重量，測(cè)得的數(shù)值根據(jù)所使用的過(guò)濾計(jì)算法則相加計(jì)算雨量的累積值，如果在6 s內(nèi)雨量的增加超過(guò)了4 mm，則不會(huì)作為雨量輸出，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值超出了雨量的正常水平。OTT pluvio2-400型稱重式雨量器采樣桶開(kāi)口為200 cm2，測(cè)量能力為750mm，分辨率0.1 mm/min。

3 不同降水形式下數(shù)據(jù)分析

為了準(zhǔn)確分析OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器在崮山水文站應(yīng)用的可靠性，采用2020年1月1日～9月30日人工雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[3]，以人工雨量為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，人工雨量減去稱重式雨量的差值為雨量差，作為誤差分析主要依據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 人工觀測(cè)與OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器降水量統(tǒng)計(jì)表

3.1 不同降水形式誤差分析

2020年1月、2月主要已降雪天數(shù)為主，月累積降水量OTT Pluvio2-400型數(shù)值普遍大于人工觀測(cè)數(shù)值，相對(duì)誤差最大為-18.4%。3月～9月主要以降雨為主，OTT Pluvio2-400型數(shù)值普遍小于人工觀測(cè)數(shù)值，其中6月份有2日出現(xiàn)冰雹天氣，統(tǒng)計(jì)對(duì)比冰雹兩日的單日誤差均小于0.2 mm。統(tǒng)計(jì)分析單日最大誤差為20.1 mm，最小單日誤差為0。1月～9月總的雨量差為29.7 mm，總的相對(duì)誤差為4.2%。

3.2 降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器共統(tǒng)計(jì)有降水天數(shù)為111 d，人工觀測(cè)總天數(shù)為94 d，稱重式雨量器比人工多觀測(cè)17 d降水。根據(jù)降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，由于有樹(shù)葉或飛蟲(chóng)等雜物掉入，造成稱重式雨量器的天數(shù)多出7 d觀測(cè)。去除因樹(shù)葉、雜物等外部因素干擾后，1月～2月人工有9次漏記不大于0.2 mm的降雪，6月稱重式雨量器有1日漏記，9月人工漏記2 d，其他觀測(cè)月份天數(shù)均一致，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖1。排除了樹(shù)葉或雜物干擾因素外，與人工觀測(cè)天數(shù)一致率為89.4%。

圖1 稱重式觀測(cè)與人工觀測(cè)降水天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 降水量相關(guān)性分析

根據(jù)表1月雨量數(shù)據(jù)對(duì)比，以人工觀測(cè)值為橫坐標(biāo)，OTT Pluvio2-400型稱重式雨量觀測(cè)值為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，并做回歸分析(見(jiàn)圖2)。圖上可見(jiàn)數(shù)據(jù)排列趨勢(shì)形成一條直線分布，其中求得回歸方程為y=0.9366x+1.6387，二者相關(guān)性系數(shù)為0.9997，表明相關(guān)性較好。

圖2 稱重式觀測(cè)與人工觀測(cè)月降水分布

3.4 誤差成因及分析

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)有降雪天氣時(shí)，稱重式觀測(cè)要比人工觀測(cè)降水量偏大，在出現(xiàn)雨水天氣時(shí)，稱重式觀測(cè)數(shù)據(jù)普遍小于人工觀測(cè)降水量。當(dāng)有冰雹降水天氣時(shí)，造成日降水量誤差偏差較大。分析成因主要有以下幾方面：

(1)因觀測(cè)設(shè)備及觀測(cè)方法不同，測(cè)量?jī)x器的不同就會(huì)不可避免的造成對(duì)比系統(tǒng)偏差、加之儀器的濕潤(rùn)誤差、觀測(cè)時(shí)間誤差等，都會(huì)成為誤差的來(lái)源。

(2)稱重式雨量器安裝有防風(fēng)裝置，因?yàn)榘惭b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。其次，冬季人工觀測(cè)降雪一般采用臺(tái)秤稱量，受臺(tái)秤精度誤差和人工觀讀誤差影響，微量降雪存在觀測(cè)誤差。

(3)分析出現(xiàn)單日最大誤差20.1 mm。主要原因：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)稱重式雨量器當(dāng)日采用桶內(nèi)雨水已盛滿采用桶，未及時(shí)傾倒采樣桶內(nèi)雨水，造成部分雨量漏測(cè)。在今后的維護(hù)中需特別注意，當(dāng)累計(jì)的總降水量接近600 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)清空采樣桶內(nèi)的雨水。

(4)樹(shù)葉或雜質(zhì)的掉落，對(duì)稱重式雨量器測(cè)量誤差有一定影響，特別是無(wú)降水日被誤記為當(dāng)日發(fā)生降水，但統(tǒng)計(jì)量都小于0.5 mm，分析原因：有風(fēng)天氣造成樹(shù)葉、飛蟲(chóng)等雜物掉入采樣桶，較大雜物因重量大會(huì)被稱重式雨量器通過(guò)過(guò)濾計(jì)算法則過(guò)濾掉外部干擾，但較小質(zhì)量的雜物過(guò)濾法則無(wú)法進(jìn)行判斷。

4 結(jié)論

OTT Pluvio2-400型稱重式雨量器是一種適合固態(tài)、液態(tài)和混合態(tài)降水總量及降水強(qiáng)度測(cè)量的、全自動(dòng)、全天候降水觀測(cè)儀器，小量降水時(shí)稱重觀測(cè)的能力較優(yōu)。該稱重式雨量器維護(hù)較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高，當(dāng)采樣桶中的水樣達(dá)到總體積80%時(shí)才需清空，特別注意為避開(kāi)周圍的樹(shù)木、花草等外界干擾因素，安裝時(shí)盡量選取在空曠的位置。在冬季，如果不使用防凍液，只用當(dāng)采樣桶的填充液位不足200 mm時(shí)，操作才是可靠的。在特殊天氣如降雪、冰雹等的情況下與人工觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性較好，可以替代人工觀測(cè)雨量,實(shí)現(xiàn)降水量無(wú)人值守，提高水文站觀測(cè)自動(dòng)化水平。