摘 要：【目的】系統(tǒng)梳理造成雨量誤差不確定性的主要來源，有效改善雨量傳感器的誤差狀況?！痉椒ā客ㄟ^在不同環(huán)境條件下，分別用JJS2型雨量校準(zhǔn)儀、JJS1型翻斗雨量校準(zhǔn)儀，對隨機抽取的兩臺翻斗式雨量傳感器開展檢定試驗，運用豐富的第一手檢測數(shù)據(jù)，逐一分析了溫度、濕度、隔板反爬與雨量值之間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】基本確定了誤差的主要來源是隔板反爬，并且通過對隔板的改造與調(diào)整，兩臺試驗用翻斗式雨量傳感器合格率達到了100％?！窘Y(jié)論】通過該方案能有效調(diào)整翻斗式雨量傳感器的誤差，對提高氣象雨量觀測的準(zhǔn)確性有極大的提升。

關(guān)鍵詞：單翻斗；雨量傳感器；測量誤差；校準(zhǔn)

中圖分類號：TN6；TB9" " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0055-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.010

Error Source Analysis and Solution of Single Tipper Rain Sensor

LI Changchun

（Jiangxi Province Meteorological Detection， Nanchang 330001， China）

Abstract： [Purposes] In order to effectively judge the main source of uncertainty of rainfall error， and effectively improve the error condition of rainfall sensor. [Methods] Under different environmental conditions， the JJS2 rainfall calibrator and JJS1 tipping rainfall calibrator were used respectively to carry out verification experiments on two randomly selected tipping bucket rain sensors， and the relationship between temperature， humidity， diaphragm anti climbing and rainfall value was analyzed one by one using abundant first-hand detection data. [Findings] It was basically determined that the main source of error was the diaphragm reverse climbing， and through the transformation and adjustment of the diaphragm， the qualification rate of the two experimental tipping bucket rain sensors reached 100%. [Conclusions] The scheme can effectively adjust the error of the tipping bucket rain sensor and greatly improve the accuracy of meteorological rainfall observation.

Keywords： single tip bucket; rain sensor; measurement error; calibration

0 引言

雨量是指一段時間內(nèi)，降落在水平地面上的雨水深度。目前氣象上常用翻斗式雨量傳感器（以下簡稱雨量傳感器）對雨量進行監(jiān)測，為了確保其監(jiān)測的準(zhǔn)確性，通常須對其進行檢定。臺站現(xiàn)實監(jiān)測中反映誤差偏大的雨量傳感器，檢定結(jié)果往往都很正常，甚至出現(xiàn)結(jié)果完全相反的情況，即臺站反映差值偏大的，檢定結(jié)果卻顯示差值偏小。經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料和咨詢有關(guān)專家，未有準(zhǔn)確答案。

目前已有許多學(xué)者研究了翻斗式雨量傳感器的測量值影響因素，如雨強、動量等，并將傳感器觀測結(jié)果與人工觀測結(jié)果進行對比，得出了一系列有重要價值的結(jié)論［1-5］。雨量測量誤差是雨量傳感器的一項重要指標(biāo)。許嘉玲等［6］通過比對得出誤差隨雨強增加而增加。溫曉輝等［7］從動量和雨水殘留得出了誤差隨雨強增加而增加。鐘湘福［8］從結(jié)構(gòu)分析了誤差原因，提出了改進意見。歸納起來，以上幾種方法都是在同一種環(huán)境條件下做的分析研究，給出的基本是定性的結(jié)論，未考慮一年四季溫度變化對雨量造成的影響，從實際情況看，尚有不足之處。溫度不僅會改變翻斗的容積，也會改變水的密度和黏度。

在分析研究雨量傳感器的結(jié)構(gòu)特點后，雨量傳感器誤差來源可能有如下幾個部分：第一翻斗黏滯誤差、隔板反爬和濺出誤差、隔板切換損失誤差、雨量瀉流誤差、最后一斗損失誤差和其他誤差。其他誤差主要包括風(fēng)、蒸發(fā)、環(huán)境和塵土沙粒等造成的影響。本研究將通過在不同環(huán)境條件下，用不同的標(biāo)準(zhǔn)器對不同的雨量傳感器開展檢定試驗，獲得真實的檢測數(shù)據(jù)，分析以確定誤差的主要來源和各部分的占比，并制定出相應(yīng)的應(yīng)對解決辦法，旨在為雨量傳感器檢定提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究方法概述

面對諸多誤差來源，一時難以區(qū)分主次，最有效的辦法就是通過試驗找出答案。結(jié)合其他學(xué)者的研究過程和結(jié)果，必須將溫度、濕度、氣壓的變化考慮進去，才能較為真實地還原雨量傳感器的實際測量過程，也才能較為準(zhǔn)確地分析誤差的產(chǎn)生過程。

筆者按JJG（氣象）005-2015《自動氣象站雨量傳感器》的要求，通過用標(biāo)準(zhǔn)器對雨量傳感器進行校準(zhǔn)的方式來確定誤差的來源并進行分析。控制環(huán)境溫濕度開展試驗，相對容易實現(xiàn)，這雖然可以得到雨量傳感器在不同溫濕度環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)，但由于自來水的溫度基本保持不變，所以模擬的真實性不強，雨量隨溫度變化的特征沒有被如實反映。只有將試驗用水的溫度控制到與設(shè)定的環(huán)境溫度一致，才可以獲得盡量真實的試驗數(shù)據(jù)。因此，試驗在模擬不同溫度環(huán)境對最后誤差影響的分析時，采用相應(yīng)溫度的自來水進行模擬。

1.1 雨量傳感器

以目前氣象上常用的SL2-1型單翻斗雨量傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，雨量通過承水口，經(jīng)匯集漏斗匯集后，流經(jīng)節(jié)流管流出，通過翻斗進行匯集，當(dāng)翻斗匯集一定的雨量后會翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時磁鐵經(jīng)過干簧管會產(chǎn)生脈沖信號，通過測量該脈沖信號即可觀測出具體的降水量，由于314.16 mL容積的水量在SL2-1型雨量傳感器上的標(biāo)準(zhǔn)顯示值是157（即翻斗翻動157次剛好對應(yīng)10 mm的降水量）。另外，當(dāng)節(jié)流管雨水進入翻斗時，由于節(jié)流管離翻斗的距離不同，每次翻斗翻動過程中，會流失一部分的水量，該現(xiàn)象稱為反爬現(xiàn)象。一般當(dāng)隔板頂端離節(jié)流管的底部越近，則反爬的水量越小。從庫房中隨機拿取2臺傳感器，為了便于闡述，將其稱為1號傳感器和2號傳感器。

1.2 雨量標(biāo)準(zhǔn)器

試驗用雨量標(biāo)準(zhǔn)器是整個試驗過程的關(guān)鍵設(shè)備之一，為了較為完整地研究雨量誤差原因，減少誤差與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)性，分別采用了2個廠家的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

其一是福建省大氣探測技術(shù)中心監(jiān)制，福建省風(fēng)光物資技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的JJS2型雨量校準(zhǔn)儀。該裝置的標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器，容量為314.16 mL，準(zhǔn)確度高，量值傳遞誤差≤±1.5 mL。

其二是遼寧省氣象信息與技術(shù)保障中心監(jiān)制，沈陽新力新信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JJS1型翻斗雨量校準(zhǔn)儀。該裝置的標(biāo)準(zhǔn)器是臺站專用的314.16 mL容量的專用量杯，最小刻度為1 mm。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，精度較低，但可作為對比試驗用器具。

為了便于闡述，筆者分別把JJS2型雨量校準(zhǔn)儀和JJS1型翻斗雨量校準(zhǔn)儀稱為A標(biāo)準(zhǔn)器和B標(biāo)準(zhǔn)器。

1.3 計量性能要求

根據(jù)JJG（氣象）005-2015《自動氣象站雨量傳感器》的計量性能要求。其最大允差為±0.4 mm（雨量≤10 mm，雨強≤4 mm/min）；±4％（雨量 10 mm，雨強≤4 mm/min），通常將1 mm/min稱為小雨強，將4 mm/min稱為大雨強。0.4 mm水量在傳感器上顯示值可根據(jù)公式得出X0.4＝±（157×0.4/10）＝±6.28，其對應(yīng)的翻斗翻動次數(shù)的區(qū)間為±6.28，即12.56次翻斗翻動次數(shù)。

1.4 試驗環(huán)境模擬

為了有效地模擬不同環(huán)境對雨量測量結(jié)果的影響，將整套雨量試驗裝置（含標(biāo)準(zhǔn)器和被檢雨量傳感器）放入調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)進行試驗，采用德國偉思富奇環(huán)境試驗儀器（太倉）有限公司生產(chǎn)的環(huán)境實驗箱作為試驗環(huán)境模擬用設(shè)備。該設(shè)備能實現(xiàn)溫度范圍為-5～40 ℃，濕度范圍為10%～95% RH的環(huán)境調(diào)節(jié)，溫度和性能均滿足檢定規(guī)程關(guān)于試驗性能的要求。

2 試驗

2.1 方案一（小雨強、未調(diào)隔板、室溫環(huán)境）

使調(diào)溫調(diào)濕箱的溫濕度與外界試驗環(huán)境溫濕度保持一致，在室溫條件下，用自來水進行試驗，試驗采用A標(biāo)準(zhǔn)器對1號傳感器進行了為期1周的連續(xù)測量，共測量91次，最大值159，最小值149，測量值讀數(shù)最大差11，小于最大允許誤差12.56，全部合格，總的誤差值在±0.35 mm以內(nèi)，其中92.5%的測量值在±0.2 mm的誤差范圍內(nèi)，統(tǒng)計情況見表1。通過在測量過程中對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，得出雨量測量結(jié)果與氣溫、濕度相關(guān)性曲線如圖2所示。

2.2 方案二（方案一基礎(chǔ)上改變水溫）

使調(diào)溫調(diào)濕箱的溫濕度與外界試驗環(huán)境溫濕度保持一致，在室溫下，以不同溫度的水，用A標(biāo)準(zhǔn)器對1號雨量傳感器進行了16次連續(xù)測量，其雨量測量結(jié)果的概率分布見表2，最大值為155，最小值為151，平均值為152.9，測量值讀數(shù)最大差為4，小于最大允許誤差12.56次，全部合格，換算成降水量其最大誤差±0.13 mm，100％合格。通過在測量過程中對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，得出雨量測量結(jié)果與氣溫、水溫相關(guān)性曲線如圖3所示。

2.3 方案三（小雨強、未調(diào)隔板、不同氣溫環(huán)境）

將調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)溫度分別設(shè)定為5 ℃、15 ℃，用與箱內(nèi)同溫度的水開展對1號雨量傳感器的試驗（使用A標(biāo)準(zhǔn)器）。其測量結(jié)果的概率分布見表3，共測量51次，其測量結(jié)果的次數(shù)在157至179之間，測量結(jié)果的平均值為165.75 mm，以出現(xiàn)頻次集中的164為中點，12.56為波動范圍，允許誤差則介于158至170之間，因此其對應(yīng)的合格率為72.5%。

2.4 方案四（小雨強、加隔板、不同氣溫環(huán)境）

加高雨量傳感器翻斗中間的隔板，將圓弧形缺口拉平，如圖4所示在溫濕箱內(nèi)將溫度設(shè)定為15 ℃，待調(diào)溫調(diào)濕箱溫度穩(wěn)定，并確保水溫與箱內(nèi)溫度一致時對1號雨量傳感器進行測量（使用B標(biāo)準(zhǔn)器），共進行31次測量，其測量結(jié)果的概率分布見表4，其測量結(jié)果的次數(shù)在150至166之間，測量結(jié)果的平均值為157.4 mm，合格率為94.2%。在方案三的試驗過程中發(fā)現(xiàn)還有反爬現(xiàn)象后，又加高隔板約6 mm，方案四僅在第31次試驗過程中看到反爬，其他時間內(nèi)未見反爬現(xiàn)象，反爬現(xiàn)象較之前明顯減少。

2.5 方案五（小雨強、調(diào)整隔板高度及水滴位置）

采用B標(biāo)準(zhǔn)器對1號雨量傳感器進行測量，在前加高隔板的基礎(chǔ)上再加高約５ mm，調(diào)整節(jié)流管流出的水滴掃過隔板位置，讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處，使得翻斗翻動過程中，反爬的雨水盡量減少，在溫濕箱內(nèi)將溫度設(shè)定為3 ℃、15 ℃、38 ℃，共進行33次測量，其測量結(jié)果的概率分布見表5，其測量結(jié)果的次數(shù)在149至158之間，測量結(jié)果的平均值為153.2 mm，雨量最大值與最小值之差為9，小于最大允許誤差12.56，換算成毫米降水量的誤差值為±0.27 mm，合格率為100%，且64.7％的情況下小于0.13 mm。持續(xù)觀察水滴落入翻斗情況，未發(fā)現(xiàn)反爬現(xiàn)象。通過在測量過程中對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，得出雨調(diào)整隔板后雨量測量結(jié)果與氣溫、水溫相關(guān)性曲線如圖5所示。

采用A標(biāo)準(zhǔn)器對2號雨量傳感器進行測量，在前加高隔板的基礎(chǔ)上再加高約５ mm，調(diào)整節(jié)流管流出的水滴掃過隔板位置，讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處，在溫濕箱內(nèi)將溫度設(shè)定為15 ℃、30 ℃，共進行21次測量，其測量結(jié)果的概率分布見表6，其測量結(jié)果的次數(shù)在152至163之間，測量結(jié)果的平均值為156.9 mm，雨量最大值與最小值之差為11，小于最大允許誤差12.56，換算成毫米降水量的誤差值為±0.35 mm，合格率為100%，其中71.10%誤差小于等于±0.2 mm，且未發(fā)現(xiàn)反爬現(xiàn)象。通過在測量過程中對環(huán)境溫濕度監(jiān)測，得出雨調(diào)整隔板前后雨量測量結(jié)果與氣溫、水溫相關(guān)性曲線如圖6所示。

2.6 方案六（大雨強、調(diào)整隔板高度及水滴位置）

采用B標(biāo)準(zhǔn)器對1號雨量傳感器進行測量，調(diào)整節(jié)流管流出的水滴掃過隔板位置，讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處，做大雨強試驗。箱內(nèi)溫度分別設(shè)定為4 ℃、6 ℃、15 ℃、40 ℃等，用與箱內(nèi)同溫度的水開展試驗。共進行43次測量（分別為4 ℃時4次，6 ℃時6次，15 ℃時14次，40 ℃時13次），其測量結(jié)果的概率分布見表7，其測量結(jié)果的次數(shù)在145至153之間，測量結(jié)果的平均值為148.3 mm，雨量最大值與最小值之差為8，小于最大允許誤差12.56，換算成毫米降水量的誤差值為±0.26 mm，合格率為100%。通過在測量過程中對環(huán)境溫度監(jiān)測，得出雨量測量結(jié)果與環(huán)境溫度相關(guān)性曲線如圖7所示。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過檢定試驗，發(fā)現(xiàn)誤差的最大貢獻者主要來源于隔板反爬，而且隔板反爬的出現(xiàn)沒有固定的規(guī)律，隨機性很大。另外，雨量標(biāo)準(zhǔn)器也存在較大的不確定性，使雨量傳感器的誤差分析復(fù)雜性大大增加。不同環(huán)境條件下雨量誤差情況如下。

①在小雨強，未調(diào)隔板前，在室溫25 ℃的環(huán)境下的試驗（方案一和方案二），對雨量傳感器的測量結(jié)果顯示，無論是否采用不同溫度的水進行試驗，其合格率均為100%，通過雨量測量結(jié)果與氣溫、水溫相關(guān)性曲線圖（圖2、圖3）可知，當(dāng)氣溫較穩(wěn)定時，水溫對于最終測量結(jié)果的影響較小。

②在小雨強，未調(diào)隔板前，通過改變試驗環(huán)境溫度為5 ℃和15 ℃（方案三），對雨量傳感器的測量結(jié)果顯示，其合格率分別為72.5%，通過將與方案一進行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣溫環(huán)境發(fā)生變化時，對最終的測量結(jié)果存在一定的影響。

③在小雨強，當(dāng)試驗環(huán)境與方案三環(huán)境溫度相同時（均為15 ℃），當(dāng)調(diào)整隔板后（方案四），對雨量傳感器的測量結(jié)果顯示，其合格率分別為94.2%，通過與方案三進行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)整隔板后，反爬現(xiàn)象較之前明顯減少，合格率明顯上升。

④在小雨強，當(dāng)調(diào)整隔板高度到最高處，并整節(jié)流管流出的水滴掃過隔板位置，讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處（方案五），通過不同環(huán)境的氣溫和水溫的兩組試驗，其測量結(jié)果顯示，其合格率為100%，未發(fā)現(xiàn)反爬現(xiàn)象。通過調(diào)整隔板后雨量測量結(jié)果與氣溫、水溫相關(guān)性曲線圖（圖5、圖6）可知，當(dāng)調(diào)整隔板到一定高度，并且讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處時，環(huán)境溫度及水溫對測量結(jié)果影響很小。

⑤將方案五的小雨強調(diào)整為大雨強（方案六），通過不同環(huán)境的氣溫和水溫的試驗，測量結(jié)果顯示，合格率為100%，通過與方案五進行對比，當(dāng)調(diào)整隔板到一定高度，并且讓節(jié)流管流出孔徑的直徑最小部分經(jīng)過隔板的最高處時，無論是大雨強還是小雨強對測量結(jié)果影響均很小。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，翻斗式雨量傳感器的誤差值會隨著環(huán)境溫度的改變而改變。在自動站雨量檢定過程中，其檢定值只能代表當(dāng)前溫度環(huán)境下的該雨量傳感器的誤差情況。這從一定程度上解釋了為什么臺站反映誤差偏大的雨量傳感器，檢定時往往很正常，甚至出現(xiàn)結(jié)果完全相反的情況。

通過對單翻斗雨量傳感器的誤差來源進行分析，基本確定隔板反爬是造成雨量誤差不確定性的主要來源，通過改變隔板形狀和位置的調(diào)整，可以有效改善雨量傳感器的誤差狀況，對提高整個氣象雨量觀測的準(zhǔn)確性有極大的提升。

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