魏邦憲，楊云蕓，苗 婷，蘇軍鋒

(1.隴南市氣象局，隴南 746000；2.湖南省氣象臺，長沙 410118；3.靖遠縣氣象局，靖遠 730600)

0 引言

目前，在全球氣候變暖的大背景下，中國極端天氣氣候事件頻頻出現(xiàn)，特別是暴雨、干旱、臺風(fēng)和冰雹等惡劣天氣更顯現(xiàn)出了災(zāi)害性天氣的突發(fā)性、局地性和重災(zāi)性，對人民的經(jīng)濟生活和生命安全造成了極大的損失[1]。對于地處半干旱地區(qū)的甘肅省隴南山區(qū)，由暴雨和短時強降水引發(fā)的泥石流、山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害尤為嚴重，為全市經(jīng)濟建設(shè)和精準扶貧工作造成巨大損失。為進一步減輕因暴雨和短時強降水造成的損失，隴南市氣象部門在全市布設(shè)了409個自動氣象觀測站，為雨量監(jiān)測提供了準確及時的數(shù)據(jù)。但是隨著近幾年區(qū)域氣象站、國家天氣站的建成，市級裝備保障人員的工作量日益繁重，且由于各類站點主要建在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，交通不便對維修維護工作造成了極大的困難和較高的維修成本。現(xiàn)階段，中國氣象部門大部分使用翻斗式雨量傳感器進行液態(tài)降水地面觀測業(yè)務(wù)，但是翻斗式雨量傳感器的故障率相較于其他氣象觀測儀器比較高，其中“有降水實況，而降水記錄異?！钡默F(xiàn)象偏多[2]。目前，氣象學(xué)者們對雨量傳感器的維修和改進方法做了大量的研究，黨選發(fā)[3]等對自動氣象站現(xiàn)場校準和傳感器調(diào)整方法進行了探討，指出為了將傳感器誤差降到最低值可以在雨量傳感器超差時進行微凋；陳武框[4]等研究了消除雨量傳感器故障的方法；周憶和[5]等對雨量傳感器的故障診斷與維護提出了一些初步的處理方式和資料補充方法；劉偉龍[6]等探索了將疏水性材料作為原材料加入雨量傳感器的生產(chǎn)過程中的可行性。從以上研究可以看出，對于雨量傳感器的故障診斷與維護都是基于經(jīng)驗或數(shù)據(jù)分析，并且都沒有考慮在現(xiàn)場進行改進和維護時外部條件的限制。文章通過對甘肅省隴南市氣象局409個自動氣象站2017-2019年維修記錄以及2018-10-01-2019-09-30的故障記錄統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)上述情況95%以上是由于雨量傳感器的漏斗(或翻斗)被異物堵塞或翻斗被蜘蛛結(jié)網(wǎng)掛住無法翻動或干簧管損壞所致。文章綜合考慮現(xiàn)場維護雨量傳感器外部條件的限制因素，提出了翻斗式雨量傳感器的改進方法，從而極大地減少了上述現(xiàn)象的發(fā)生，提升了全市自動氣象站雨量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 改進方法說明

為進一步加強自動氣象觀測站雨量觀測數(shù)據(jù)的可靠性，文章通過甘肅省隴南市氣象局裝備保障人員對全市自動氣象觀測站維護時發(fā)現(xiàn)的問題以及相應(yīng)的處理方式和實際效果，提出翻斗式雨量傳感器基于外部條件的改進方法。

2 雨量筒的改進

雨量傳感器均安裝在戶外，會發(fā)生蜘蛛等昆蟲鉆入雨量傳感器，導(dǎo)致雨量傳感器漏斗、翻斗堵塞或蜘蛛結(jié)網(wǎng)將翻斗掛住后無法翻轉(zhuǎn)。針對這種情況，維護人員需現(xiàn)場清洗雨量傳感器才可使傳感器恢復(fù)正常。區(qū)域自動氣象站經(jīng)常出現(xiàn)此類現(xiàn)象，保障人員必須到現(xiàn)場進行清洗工作，因此維護成本很高。經(jīng)過2017-2019年的長期維護改進實踐，發(fā)現(xiàn)在承水器的內(nèi)壁使用熱熔膠固定6根6～30 cm長的塑料管，將其頂部密封，同時在管內(nèi)塞入樟腦丸及干果栗子和樟木等，管的下部用紗布堵住就可以長期有效地防止蜘蛛等昆蟲進入雨量筒，極大地減少了因昆蟲堵塞翻斗現(xiàn)象的發(fā)生，降低維護成本的同時不會對雨量傳感器產(chǎn)生影響，提高了雨量觀測數(shù)據(jù)的可用率。

3 干簧管的改進

傳感器故障使觀測數(shù)據(jù)失真，發(fā)生故障的主要原因是雨量傳感器的核心元件——干簧管發(fā)生物理損壞并失效。隴南氣象局裝備保障人員經(jīng)過實踐，對SL3-1和SL2-1翻斗式雨量傳感器的干簧管做了進一步的改進。改進工作所需的成本低，且易操作、維護簡單。

3.1 改進原因

區(qū)域氣象站一般安裝在野外，不具備交流供電的條件，在這種情況下對干簧管進行焊接更換很困難。SL3-1雙翻斗式雨量傳感器采用雙管工作模式，雙干簧管焊接難度大，若出現(xiàn)錯位，雨量就會翻倍。維修人員在焊接時必須嚴格把握雙管簧片的水平位置及垂直位置，該操作對焊接技術(shù)水平要求較高。SL3-1的干簧管部件是通過金屬材料與裝置進行連接，由于金屬材料受溫度變化影響會出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，對干簧管玻璃封裝管產(chǎn)生較大的拉力，造成干簧管的玻璃體破裂受損，從而導(dǎo)致干簧管漏氣(氮氣或真空)，外部空氣進入后，干簧管的觸點容易氧化并損壞。原干簧管的安裝結(jié)構(gòu)對由溫度變化引起的張力及干簧管的受力強度沒有進行充分考慮，致使干簧管經(jīng)常損壞。SL2-1單翻斗式雨量傳感器干簧管的焊接點，設(shè)計得小而脆弱，焊接孔很容易堵塞，若焊接時處理不好則焊盤很容易脫落，加大了更換干簧管的難度，致使雨量板的報廢率非常高，從而增加了維護成本。

3.2 改進后的應(yīng)用優(yōu)點

在改進方案中，選用環(huán)氧樹脂板與外圍的金屬裝置進行連接。環(huán)氧樹脂板物理性質(zhì)穩(wěn)定，受溫度影響小且不易造成拉伸變形，因此可以保證干簧管處于長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。將干簧管固定在環(huán)氧樹脂板上，使得干簧管兩端引腳間距離盡可能縮短(實際運用中干簧管兩端引腳分別不超過5 mm)，從而將金屬部分因熱脹冷縮產(chǎn)生的張力減到最小，在保證干簧管運行穩(wěn)定的前提下盡可能延長干簧管的使用壽命。采取上述方法改進后，干簧管的更換簡單易行，擺脫了對交流供電的依賴，更加適用于野外操作。

注意：不可使用鐵、鋼等材質(zhì)對磁鐵有影響的螺絲，因為磁力會影響翻斗的翻動，從而影響雨量測量的精準性，建議使用銅質(zhì)螺絲。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對隴南市409個自動氣象觀測站1 a的故障進行統(tǒng)計分析，改進后的雨量傳感器總故障率降低了43.26%，其中由于干簧管損壞導(dǎo)致的故障率降低了89.32%，因昆蟲堵塞導(dǎo)致的故障率降低了95.46%。改進后雨量傳感器的故障主要是由灰塵、樹葉堵塞雨量筒或翻斗造成，此類故障占總故障的96.74%。由此可看出對雨量傳感器進行改進后極大降低了維護成本，減輕了裝備保障人員的維護工作壓力。