普通雨量器降水量觀測誤差的分析

別肯·哈布齊克

(新疆阿勒泰市水文水資源勘測局，新疆阿勒泰836500)

隨著我國水文事業(yè)發(fā)展，普通雨量器是在非汛期期間基層測站普遍使用的降水量觀測儀器之一，主要用于人工觀測日雨量。它采取了把自然降水量通過已知一定面積的承水口收集后導(dǎo)入儲(chǔ)水瓶，然后再將收集到的降水量用專用量杯量取的方法測取，由人工測量記載雨量，所以它構(gòu)造簡單，使用方便。但在觀測過程中和其它水文觀測項(xiàng)目一樣，由于降水資料的好壞將直接影響洪水預(yù)報(bào)的精度，降水資料的獲取，主要靠普通雨量器觀測和自計(jì)雨量計(jì)記錄，受蒸發(fā)以及測計(jì)等一些因素的影響，難免存在觀測誤差。測量時(shí)，由于各種因素會(huì)造成少許的誤差，這些因素必須去了解，并有效的解決，方可使整個(gè)測量過程中誤差減至最少。下面就其存在的誤差情況進(jìn)行探討。

1 雨量器

雨量器是用來收集降水的專用器具，并通過與之配套的雨量量筒，以毫米為單位測定降水量。適用于氣象臺(tái)(站)、水文站、環(huán)保、防汛排澇以及農(nóng)、林等有關(guān)部門用來測量降水量。它的優(yōu)點(diǎn)是:不通過任何的傳輸和轉(zhuǎn)換，所采集的雨量較為接近天然降雨，不需要人守侯，它的缺點(diǎn):受蒸發(fā)以及人為的測計(jì)誤差影響較大。

1.1 雨量器的構(gòu)造

雨量器由雨量筒與量杯組成。外殼是金屬圓筒分上下兩節(jié)，上節(jié)是一個(gè)口徑為20 cm的盛水漏斗，為防止雨水濺失，保持器口面積和形狀，筒口用堅(jiān)硬銅質(zhì)做成內(nèi)直外斜的刀刃狀;下節(jié)筒內(nèi)放一個(gè)儲(chǔ)水瓶用來收集雨水。雨量筒用來承接降水物，它包括承水器、貯水瓶和外筒。我國采用直徑為20 cm正圓形承水器，它的口緣鑲有內(nèi)直外斜刀刃形的銅圈，用來防止雨滴濺失和筒口變形。承水器有帶漏斗的承雨器和不帶漏斗的承雪器。外筒內(nèi)放貯水瓶，用來收集降水量。有刻度的專用量杯口徑和刻度與雨量筒口徑成一定的比例，量杯有100分度，每1分度等于雨量筒內(nèi)水深0.1 mm。

1.2 直接觀測降水量

氣象站雨量器安裝在觀測場內(nèi)固定架子上。器口保持水平，距地面高70 cm。測量時(shí)，將雨水倒入特制的雨量杯內(nèi)讀取降水量毫米數(shù)。直接計(jì)量降水的數(shù)量和時(shí)間，并以該點(diǎn)的降水代表其鄰近的一定范圍的降水。主要觀測日降水量、一次降水量和不同歷時(shí)的降水強(qiáng)度。在炎熱干燥的日子，為防止蒸發(fā)，降水停止后，要及時(shí)進(jìn)行觀測。一日之內(nèi)對(duì)雨量器采用定時(shí)分段觀測制，或用雨量計(jì)自動(dòng)記錄，以反映降水過程。降雪和降雹的水量是指其融化后的水當(dāng)量。冬季積雪較深地區(qū)，應(yīng)備有一個(gè)較高的備份架子。當(dāng)雪深超過30 cm時(shí)，應(yīng)把儀器移至備份架子上進(jìn)行觀測。將儲(chǔ)水瓶取出，換上不帶漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒內(nèi)，待雪融化后再讀數(shù)，也可將雪秤出重量然后根據(jù)筒口面積換算成毫米數(shù)。

2 測量誤差產(chǎn)生的原因

普通雨量器測量的降水量比較直接，在定時(shí)觀測時(shí)間將儲(chǔ)水瓶的降水倒入雨量杯讀取的數(shù)值即為降水量。觀測者的工作態(tài)度、技術(shù)水平以及情緒的變化，都會(huì)對(duì)觀測成果的質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。但也存在人為因素的誤差，如濕潤誤差、讀數(shù)誤差、測量過程中的操作誤差等，同樣會(huì)導(dǎo)致雨量的測量偏差。

2.1 濕潤誤差

普通雨量器的承水器和貯水瓶內(nèi)壁對(duì)部分降雨的吸附造成的水量損失，稱濕潤誤差。濕潤誤差是一種負(fù)向系統(tǒng)誤差，使觀測的降水量系統(tǒng)偏小。因?yàn)橛^測者的感覺器官的鑒別能力有一定的局限性，所以在雨量器的安置、照準(zhǔn)、讀數(shù)等方面都會(huì)產(chǎn)生誤差。由于雨量器的材料、結(jié)構(gòu)、風(fēng)速、空氣濕度以及氣溫都能引起濕潤誤差。普通雨量器內(nèi)壁如果越光滑，瓶的口徑越小，承雨器濕潤面積就越小，產(chǎn)生的濕潤誤差就越小。如果風(fēng)速大、地面濕度小、氣溫偏高，濕潤誤差就越大。

2.2 讀數(shù)誤差

讀數(shù)誤差是指對(duì)測量儀器示值不準(zhǔn)確讀數(shù)所引起的誤差。讀數(shù)誤差包括視差和估讀誤差。視差常在讀取測量值的方向不同或刻度面不在同一平面時(shí)所發(fā)生，兩刻度面相差約在0.3～0.4 mm，若讀取尺寸在非垂直于刻度面時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生的誤差量。俯視，視線斜向下，視線與筒壁的交點(diǎn)在水面上，所以讀出的數(shù)值比實(shí)際值數(shù)值偏大。仰視，視線斜向上視線與筒壁的交點(diǎn)在水面下，所以讀出的數(shù)值比實(shí)際值數(shù)值偏小。觀測時(shí)眼睛所在的位置不同，讀數(shù)也不同，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。

2.3 觀測時(shí)間誤差

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，人工每日定時(shí)觀測降水;在炎熱干燥的天氣，降水停止后要及時(shí)進(jìn)行觀測。在2次定時(shí)觀測時(shí)間段內(nèi)，尤其遇連陰雨天氣，由于降水未停止而得不到及時(shí)測量，同時(shí)夏天氣溫較高，雨水會(huì)有緩慢蒸發(fā)，造成雨量測量值偏小。

2.4 外界環(huán)境誤差

普通雨量器的承水器上口的四周沒有安裝防濺雨柵格，雨量的測量受風(fēng)場影響很大。雨量器高出地面，風(fēng)對(duì)雨量器的繞流作用導(dǎo)致筒口上方出現(xiàn)局部的上升氣流，阻礙了雨滴落入筒口，造成降水量偏小，產(chǎn)生誤差。如果風(fēng)速較大，風(fēng)向變化快，普通雨量器上方的氣流擾動(dòng)使雨滴落入筒口不均勻，因此也會(huì)產(chǎn)生誤差。如發(fā)現(xiàn)環(huán)境條件對(duì)測定結(jié)果有影響時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行測定。

2.5 四舍五入引起誤差

按照《地面氣象觀測規(guī)范》的要求:不足0.05 mm時(shí)作0.0處理，即小數(shù)第二位四舍五入保留一位小數(shù)。然而，在日常測量工作中發(fā)現(xiàn)，例如:某次降水過程:20—08時(shí)，降水量為3.04 mm，第二位小數(shù)四舍五入為3.0 mm。08—20時(shí)降水量為3.04 mm，第二位小數(shù)四舍五入后為3.0 mm。全天合計(jì)3.0+3.0=6.0 mm，實(shí)際為3.04+3.04=6.08 mm，第二位小數(shù)四舍五入后為6.1 mm。顯然，所測結(jié)果比實(shí)際結(jié)果小了0.1 mm，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)這種測量方法測量次數(shù)越多誤差就愈大。

2.6 儀器誤差

儀器誤差是儀器作為工廠的合格產(chǎn)品本身具有的誤差，不包括儀器現(xiàn)場安裝調(diào)試不合格、器口安裝不水平等人為原因所產(chǎn)生的誤差。普通雨量器每月應(yīng)至少定期檢查1次，不注意及時(shí)維護(hù)或來不及維護(hù)，自動(dòng)站雨量傳感器承水器呈漏斗狀，其中過濾小圓護(hù)網(wǎng)的網(wǎng)眼細(xì)小，會(huì)使承水器漏斗處易積聚灰塵、雜物而造成輕微堵塞，使自動(dòng)站雨量無示值、雨量示值偏小或雨量示值滯后。

3 消除誤差的措施

要提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，必須考慮在分析過程中可能產(chǎn)生的各種誤差，采取有效措施，將這些誤差減少到最小。量具使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)程度磨耗，必須經(jīng)校正或送修方能再使用。

3.1 合理設(shè)計(jì)，恰當(dāng)安裝

雨量器一般采用直徑為20 cm正圓形承水器，其口緣鑲有內(nèi)直外斜刀刃形的銅圈，以防雨滴濺失和筒口變形。雨水濺失對(duì)于大多數(shù)普通雨量器來說約為0.1～0.2 mm，可視為器差，很容易消除。單純測量降水的站點(diǎn)不宜選擇在斜坡或建筑物頂部，應(yīng)盡量選在避風(fēng)地方。不要太靠近障礙物，最好將雨量儀器安在低矮灌木叢間的空曠地方。保持雨量器經(jīng)常干凈，無雨或少雨季節(jié)，可將承水器口加蓋，但注意在降水前及時(shí)打開。每次檢查儀器時(shí)，應(yīng)該及時(shí)清除承水器、儲(chǔ)水瓶內(nèi)的昆蟲、塵土、樹葉、鳥糞等雜物。承水器的刀刃口要保持正圓，避免碰撞變形，及時(shí)消除設(shè)計(jì)和安裝的誤差。

3.2 有效測量，消除環(huán)境誤差

按有關(guān)規(guī)定徹底清洗所用量杯、貯水瓶，使其達(dá)到測量要求。每次觀測后放好放正承水器、貯水瓶和外筒，保持水平。風(fēng)是影響降水量測量準(zhǔn)確性的主要因素。風(fēng)速較大時(shí)，將部分江水被風(fēng)刮走而沒有落入承水器內(nèi)，導(dǎo)致儀器的測量總是偏小。降雨時(shí)，觀測誤差取決于降雨類型，確切地說取決于雨滴大小和風(fēng)速。可以加尼夫防風(fēng)罩，以提高測量準(zhǔn)確度。定期檢查雨量器的高度、水平，外筒有無漏水現(xiàn)象，貯水器刀刃面應(yīng)保持正圓，避免碰撞變形，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正。普通雨量器由于蒸發(fā)引起的平均誤差占年降水量的3%～6%，單獨(dú)的觀測誤差是0.3～0.5 mm。承雨器的接雨面一定要保持光滑，使雨水到達(dá)接雨面很快通過漏斗，減少雨水的沾附，降雨停止后，立即進(jìn)行測量，在炎熱的夏季和濕度較小的干燥季節(jié)，要及時(shí)量取由蒸發(fā)引起降水量的損失，消除環(huán)境誤差。最有力的條件是:雨量器器口上空能形成平行的氣流，避免有風(fēng)的局地加速度，減少?zèng)_擊器壁氣流或湍流。在普通雨量器安裝時(shí)，不要安裝在過于空曠和四周有高大的樹林或建筑物的地方。雨量器內(nèi)收集的降水量隨著儀器安置高度的增加而減少。所以雨量器的器口高度應(yīng)盡可能低一些，低到能防止從地面可能濺入雨水為度，普通雨量器的高度70 cm。

3.3 精準(zhǔn)測量，消除四舍五入的誤差

除測準(zhǔn)雨量筒自重外，換下的雨量筒應(yīng)用干布將筒身外(包括外筒底)的降雪擦拭干凈后再稱其重量，用稱出的結(jié)果減去雨量筒身自重就是降水量。8時(shí)測量后，將量杯中的水保留并加上蓋防止蒸發(fā)，等到20時(shí)再測量時(shí)合并測量為6.08 mm，四舍五入后是6.1 mm，減去8時(shí)的3.0 mm等于3.1 mm，這樣測量計(jì)算所得到的結(jié)果更加精確、更接近真值。

總之，普通雨量器使用方法不當(dāng)或缺少必要的維護(hù)，使儀器帶故障工作，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。減小和消除誤差的方法都是以增加時(shí)間或采取更多的步驟為代價(jià)。觀測者一定要了解誤差的產(chǎn)生原因，盡可能地將誤差減小到最小。誤差越小，準(zhǔn)確度越高;誤差越大，準(zhǔn)確度越低，正確的操作方法能使誤差大大減少。

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