遙測(cè)雨量與人工雨量對(duì)比分析

周海英

（上海市奉賢區(qū)水文站，上海 201499）

1 概況

奉賢區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲南緣，太湖流域尾閭，上海市南部。境域北枕黃浦江、南臨杭州灣，擁有長(zhǎng)31.6 km 的海岸線和長(zhǎng)13.7 km 的黃浦江岸線，總面積695.35 km2。年平均降水量為1110.6 mm。

奉賢區(qū)水文站遙測(cè)系統(tǒng)自2010 年建成至今，已基本形成一套完整的水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)體制，對(duì)中心站、遙測(cè)站點(diǎn)的運(yùn)維有標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范。目前37 個(gè)水文測(cè)點(diǎn)全部納入水情遙測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，及時(shí)準(zhǔn)確、安全可靠地采集區(qū)域內(nèi)所有測(cè)站的水情、雨情、風(fēng)速風(fēng)向以及其它相關(guān)信息。近幾年來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)有序，數(shù)據(jù)傳輸快速、準(zhǔn)確，各類(lèi)報(bào)汛信息的精度完全達(dá)到規(guī)范要求。

長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，上海市奉賢區(qū)水文站一直采用DT350 固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備采集水文數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編。DT350 固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的主要特點(diǎn)是穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。缺點(diǎn)是只能本地調(diào)取數(shù)據(jù)，無(wú)法定期自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，基本一個(gè)月調(diào)取一次數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性欠佳，而且DT350 現(xiàn)已停產(chǎn)。

本文根據(jù)現(xiàn)有資料，對(duì)遙測(cè)站雨量和人工雨量資料進(jìn)行對(duì)比分析。

2 測(cè)站信息與雨量計(jì)特點(diǎn)

2.1 資料選取及測(cè)站基本信息

本次分析選取轄區(qū)內(nèi)青村、金匯港南閘二個(gè)基本站2018 年、2019 年年度遙測(cè)站和人工降水資料進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)站基本信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)站基本信息表

2.2 觀測(cè)場(chǎng)地與安裝情況

2 個(gè)測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)均為地面觀測(cè)場(chǎng)，非強(qiáng)風(fēng)區(qū)，周?chē)諘?、平坦，四周無(wú)明顯建筑物、樹(shù)林等障礙物遮擋。場(chǎng)內(nèi)儀器之間、儀器與柵欄之間間距不小于2 m。場(chǎng)內(nèi)地面平整，有均勻草層，草高未超過(guò)20 cm。觀測(cè)四周均設(shè)置了防護(hù)欄柵，欄柵不高于1.2 m。青村站和金匯港南閘站均設(shè)人工雨量器1 臺(tái)、自計(jì)雨量計(jì)2 臺(tái)，其中自計(jì)雨量計(jì)分別應(yīng)用于水情遙測(cè)系統(tǒng)和固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備，儀器之間不互相影響，滿(mǎn)足觀測(cè)精度要求。

2 個(gè)測(cè)站的人雨量器和自記雨量計(jì)安裝高度均為0.7 m。人工雨量器安裝在特制的圓形鐵架上，以保證儀器位置不變。自記雨量計(jì)儀器底坐與基座連接牢固；各零部件安裝正確，調(diào)節(jié)水準(zhǔn)氣泡居中；記錄存儲(chǔ)傳輸裝置安裝穩(wěn)固，信號(hào)線和電源線連接正確、牢固；儀器調(diào)試和注水試驗(yàn)結(jié)果符合儀器性能要求。

2.3 雨量計(jì)類(lèi)型

遙測(cè)系統(tǒng)使用翻斗式自記雨量計(jì)采集降水量，型號(hào)為20 cmJDZ05，分辨率為0.5 mm，與人工雨量器安裝于同一雨量場(chǎng)內(nèi)。翻斗式雨量計(jì)雨水由承水器匯集，通過(guò)滴嘴及引流管注入翻斗。當(dāng)翻斗承接的水量達(dá)到0.5 mm 時(shí)，翻斗翻倒，磁剛對(duì)干簧管掃描，使干簧管接點(diǎn)因磁化而瞬間閉合1 次，送出1 個(gè)電路脈沖信號(hào)，相當(dāng)于0.5 mm 降水量存入存儲(chǔ)器中。該儀器分辨率為0.5 mm，降水強(qiáng)度測(cè)量范圍為0.01 mm/min～4.00 mm/min。按照規(guī)范要求，每年汛前及汛后，對(duì)翻斗式雨量計(jì)都要進(jìn)行滴水試驗(yàn)，校準(zhǔn)其誤差范圍，確保雨量計(jì)在誤差范圍內(nèi)。

人工雨量器觀測(cè)降水量，采用2 段制，每天8 時(shí)、20 時(shí)觀測(cè)并記錄。人工雨量觀測(cè)人員均為專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的水文技術(shù)人員。人工雨量觀測(cè)精度為0.1 mm。

3 資料比測(cè)分析

3.1 比測(cè)分析的方法

通過(guò)對(duì)兩組雨量數(shù)據(jù)的降水天數(shù)、年降水量、月降水量、日降水量進(jìn)行分析，依據(jù)傳感器關(guān)于雨量記錄的誤差允許規(guī)定，當(dāng)固態(tài)雨量器記錄雨量數(shù)值小于10 mm，且與排水量的絕對(duì)誤差在±0.2 mm；當(dāng)固態(tài)雨量器記錄雨量數(shù)值大于10 mm，且與排水量的相對(duì)誤差在±4%，說(shuō)明該雨量傳感器有適用價(jià)值。

3.2 比測(cè)分析

3.2.1 年降水量統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)2 個(gè)測(cè)站2018 年、2019 年年降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 年降水量統(tǒng)計(jì)表

年降水量最大誤差2.37%，最小誤差為0.83%；誤差天數(shù)最大為-9 d，最小為-4 d。其誤差范圍在±4%之內(nèi)，降水天數(shù)因?yàn)槿斯び炅坑^測(cè)采用0.1 mm 分辨率，遙測(cè)雨量采用0.5 mm 分辨率，故人工雨量觀測(cè)天數(shù)大于遙測(cè)雨量天數(shù)。

3.2.2 月降水量統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)2 個(gè)測(cè)站2018 年、2019 年各月降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 月降水量統(tǒng)計(jì)表

月降水量最大誤差3.21%，最小誤差為0.18%，其誤差范圍在±4%之內(nèi)。

3.2.3 日降水量統(tǒng)計(jì)分析

按雨量≤10.0 mm，＞10 mm 兩種情況分別統(tǒng)計(jì)。

①當(dāng)雨量≤10.0 mm 時(shí)，差值=遙測(cè)站雨量- 人工觀測(cè)雨量

②當(dāng)雨量＞10.0 mm 時(shí)，差值=（遙測(cè)站雨量- 人工觀測(cè)雨量）/人工觀測(cè)雨量×100%

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 日降水量統(tǒng)計(jì)表

在≤10.0 mm 雨量區(qū)間，誤差均在-0.4 mm～0.4 mm 之間波動(dòng)，平均誤差0.1 mm，由于兩種雨量器分辨率不一樣，降水量較小時(shí)，可能產(chǎn)生一個(gè)設(shè)備有降水量，一個(gè)設(shè)備沒(méi)有降水量，所以?xún)烧咧g的比測(cè)結(jié)果沒(méi)有參考意義，不能得出對(duì)遙測(cè)雨量數(shù)據(jù)誤差的判定。

在＞10.0 mm 雨量區(qū)間，平均誤差率最大為2.37%，最小為0.83%，日差值＞±4%的出現(xiàn)19 次，青村站2018 年出現(xiàn)4 次、2019 年出現(xiàn)4 次；金匯港南閘站2018 年出現(xiàn)4 次、2019 年出現(xiàn)4 次。單日最大誤差為5.75%。通過(guò)對(duì)19 次誤差＞±4%的雨量資料分析，基本出現(xiàn)在8 時(shí)連續(xù)降水或強(qiáng)降水的日期。由于人工測(cè)量時(shí)間與遙測(cè)時(shí)間有誤差，導(dǎo)致誤差率較大；由于強(qiáng)降水導(dǎo)致翻斗來(lái)不及翻轉(zhuǎn)影響降水?dāng)?shù)據(jù)，導(dǎo)致誤差率大。

4 誤差原因分析

通過(guò)對(duì)比分析，奉賢區(qū)水文站遙測(cè)雨量與人工雨量產(chǎn)生誤差的主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）兩種雨量設(shè)備位置不同，分辨率不同，引起誤差。人工雨量器和翻斗雨量計(jì)雖在同一個(gè)雨量場(chǎng)，但位置有所不同。遙測(cè)翻斗雨量計(jì)采用0.5 mm 分辨率的設(shè)備，人工觀測(cè)雨量采取0.1 mm 分辨率，因此在降水天數(shù)上，人工雨量降水天數(shù)要多于遙測(cè)站雨量降水天數(shù)。

（2）當(dāng)降水強(qiáng)度較大或降水量較大時(shí)，翻斗雨量計(jì)盡管未達(dá)到0.5 mm 的降水量，由于降水產(chǎn)生較大沖擊力使翻斗提前翻轉(zhuǎn)，使遙測(cè)雨量計(jì)記錄雨量值偏大，且降雨越強(qiáng)，誤差越大。降水較小時(shí)，翻斗內(nèi)雨量達(dá)不到0.5 mm，一種是被蒸發(fā)，一種是被記錄第二天的降水量，使第二天的降水量偏大。

（3）遙測(cè)站翻斗雨量計(jì)基本是一個(gè)星期運(yùn)行維護(hù)一次，其間有可能集雨口內(nèi)有昆蟲(chóng)、塵土、樹(shù)葉等雜物導(dǎo)致堵塞，使降水不能實(shí)時(shí)記錄，造成偏差，使降水歷時(shí)被拉長(zhǎng)，降水量也被影響。

（4）遙測(cè)翻斗雨量計(jì)與人工雨量采集時(shí)間不能完全同步，引起誤差。特別是日分界8 時(shí)如果有雨，導(dǎo)致雨量差異。

（5）遙測(cè)翻斗雨量計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中可能因承雨口不水平產(chǎn)生誤差。

（6）人工雨量觀測(cè)誤差。由于觀測(cè)人員的視差或是誤讀造成誤差。

5 結(jié)論

（1）奉賢區(qū)水文站遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)近10 a 的運(yùn)轉(zhuǎn)，已基本形成一套完善的遙測(cè)系統(tǒng)管理運(yùn)行方法，通過(guò)遙測(cè)雨量和人工觀測(cè)雨量數(shù)據(jù)的對(duì)比，雨量遙測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定、可靠。年降水量最大誤差2.37%，最小誤差為0.83%；月降水量最大誤差3.21%，最小誤差為0.18%，都在±4%范圍之內(nèi)。

（2）遙測(cè)站采用0.5 mm 分辨率的設(shè)備，每0.5 mm 降水漏斗一翻。人工觀測(cè)雨量采取0.1 mm 分辨率，因此在天數(shù)上，人工觀測(cè)雨量天氣略多于遙測(cè)站下雨天數(shù)。

（3）奉賢區(qū)水文站對(duì)遙測(cè)站汛前、汛后各做一次滴水試驗(yàn)以校準(zhǔn)遙測(cè)雨量設(shè)備。并在汛期，對(duì)產(chǎn)生暴雨后的雨量設(shè)備也要進(jìn)行雨量桶的校測(cè)，確保了遙測(cè)雨量桶的準(zhǔn)確性。

（4）通過(guò)比測(cè)資料，遙測(cè)雨量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度還是比較高的，已滿(mǎn)足規(guī)范要求，并且應(yīng)用條件基本成熟。隨著水文信息技術(shù)越來(lái)越成熟，其數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，而水文現(xiàn)代化也是總趨勢(shì)。

（5）遙測(cè)雨量站及時(shí)、準(zhǔn)確的特性為防汛提供著第一手的水文資料。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，奉賢區(qū)水情遙測(cè)數(shù)據(jù)完全可以逐步代替人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)納入整編系統(tǒng)。

（6）要進(jìn)一步加強(qiáng)遙測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)管理，提升應(yīng)急搶修能力、確保水情遙測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為將來(lái)水情遙測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于資料整編打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。