JEZ02型融雪式雨量計在平?jīng)鍪袥芪己恿饔虻倪m用性研究

朱曉濤,雒 儀

(1.甘肅省水文站，蘭州 730030；2.甘肅省平?jīng)鏊恼?，甘肅 平?jīng)?744000)

1 概述

平?jīng)鍪袥芪己恿饔虻靥庪]東黃土高原，位于甘肅省東部，陜甘寧三省區(qū)交匯處，全境由東向西呈啞鈴型分布。地勢中部高，東西兩側(cè)低，以六盤山山脈為分水嶺，東部屬于涇河水系，西部屬渭河水系[1]。流域降水主要集中在6—9月，多年平均降水量位于378.3～703.6 mm之間，24h雨強累計最大值為284.0 mm，歷年均值為58.6 mm，市內(nèi)流域面積約11 196 km2。本次研究的降水量資料均為JEZ02型融雪式雨量計所觀測數(shù)據(jù)，涉及平?jīng)鍪袥芪己恿饔?5個降水量觀測站，其中基本水文站5個，共收集到2008—2019年共10 a的實測降水量數(shù)據(jù)。主要從JEZ02型融雪式雨量計資料整編、數(shù)據(jù)比測分析、設(shè)備可靠性等方面對該儀器在平?jīng)鍪袥芪己恿饔蜻m用性進行分析。

a 日降水量

a 涇川站逐日降水量

2 資料收集與整編方法

2.1 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

JEZ02型融雪式雨量計是利用電加熱方式將固態(tài)降水融化為液態(tài)后，進行降水量自動觀測的儀器，主要由融雪裝置、雨量傳感器、監(jiān)測終端3部分構(gòu)成，冬季電加熱功率在350 W，工作環(huán)境在-20℃～40℃。結(jié)構(gòu)類型采用翻斗式，雨量傳感器分辨率為0.2 mm，每5 min觀測1次數(shù)據(jù)，適宜雨強范圍為0.01～2.0 mm/min[2]。

2.2 資料收集

平?jīng)鍪薪邓空军c分布為涇河流域28個，渭河流域17個，共計45個(見圖1所示)。各降水量觀測站資料完整度較高，分布合理，具有良好的流域代表性。JEZ02型融雪式資料可通過水情自動監(jiān)測終端接口實地提取，或在“宏電RTU前置系統(tǒng)”遠程服務(wù)平臺下載數(shù)據(jù)。其中，終端接口與服務(wù)平臺資料經(jīng)比對分析降水量趨勢基本一致，由于降水量觀測站點分布較為分散，交通不便，綜合考慮，建議采用遠程服務(wù)平臺下載資料用于水文資料整編與分析研究。

圖1 平?jīng)鍪袥芪己恿饔蚪邓坑^測站點分布示意

2.3 整編方法

JEZ02型融雪式降水量數(shù)據(jù)受限于數(shù)據(jù)提取方式和遠程服務(wù)器的不穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中存在丟包、亂碼、奇異值等問題，需要后期通過計算機技術(shù)進行檢查校正方可用于資料整編。另外由于設(shè)備特性，其資料觀測方式不論是否有降水量產(chǎn)生均按5min為單位進行觀測，單個設(shè)備1 h可觀測12個數(shù)據(jù)，1 d可觀測288個數(shù)據(jù)，全年觀測量為105 120個數(shù)據(jù)[3]。

所以需借用甘肅省水文測驗系統(tǒng)軟件對JEZ02型融雪式雨量計觀測數(shù)據(jù)進行精簡摘錄[4]，軟件內(nèi)部摘錄算法為：

① 降水量保留5 min滑動；

② 降水過程記起止時間；

③ 降水量>15 min為2次降水過程；

④ 當(dāng)1次降水過程中小時降水量>2.5 mm時整點斷開。

為滿足上述③④條中關(guān)于1次降水過程中的整點分割要求，當(dāng)降水量數(shù)據(jù)達到條規(guī)則要求時，程序算法將前1 h最后一個降水量時間后延5～10 min，以達到整點，同時此算法會影響時段最大降水量摘錄值，但屬于誤差范圍內(nèi)。上述降水量摘錄算法符合《降水量觀測規(guī)范》(SL 2102006)與《水文資料整編規(guī)范》(SL 24702012)要求。數(shù)據(jù)完成精簡摘錄后，可獨立或配合水文資料整編系統(tǒng)HDP5.0軟件得到《逐日降水量表》《時段最大降水量表(1)》《降水量摘錄表》等整編成果，為后續(xù)研究提供資料支撐。

3 降雪量滯后性分析

3.1 產(chǎn)生原因分析

當(dāng)冬季來臨產(chǎn)生固態(tài)降水時，如雪、雨夾雪等，JEZ02型融雪式雨量計由于其電加熱方式導(dǎo)致降水量與真實值之間存在一定的滯后。JEZ02型融雪式雨量計加熱元件為電磁式，鋪設(shè)于雨量計桶身底部。當(dāng)降雪發(fā)生時，位于桶身上方的傳感器觸發(fā)加熱元件開始工作，儀器進入融雪模式。由于儀器處于開放空間，需考慮電加熱導(dǎo)致的蒸發(fā)現(xiàn)象[5]，故而其加熱功率一般不會太大。在融雪速度恒定的情況下，當(dāng)降雪量大于儀器融雪速度時，此時會在儀器桶身內(nèi)發(fā)生降雪累積，從而出現(xiàn)降水量觀測值滯后的情況[6]。

3.2 降雪量數(shù)據(jù)比測

選取具有降雪代表性的觀測站點，將JEZ02型融雪式雨量計與人工觀測進行比測(見圖2)。

圖2 某觀測站點JEZ02型融雪式雨量計與人工觀測降雪數(shù)據(jù)比測示意

通過分析圖2可以發(fā)現(xiàn)降雪強度范圍在0～5.0 mm/h時，降水量趨勢基本一致；降雪強度范圍在5.0～20.0 mm/h時，降水量峰值延后5～15 min；當(dāng)降雪強度大于20 mm/h時，降水量曲線出現(xiàn)平頭，此時儀器觀測值失真。通過大量的觀測站數(shù)據(jù)分析，JEZ02型融雪式雨量計觀測滯后的現(xiàn)象直接導(dǎo)致小時降雪強度普遍小于人工觀測值，人工觀測JEZ02型融雪式雨量計觀測雨強趨勢對比見圖3。平?jīng)鍪袥芪己恿饔驅(qū)儆诶錅貛啙駶櫺詺夂?，冬季降雪強度普遍低?0 mm/h，JEZ02型融雪式雨量計降雪觀測精度符合本區(qū)域降水量觀測要求，當(dāng)小時降雪強度大于5.0 mm/h時應(yīng)通過人工觀測值對JEZ02型融雪式雨量計資料進行校正[7]。

圖3 人工觀測與雨量計觀測雨強趨勢對比示意

4 降水精度研究

4.1 研究方法

按照《水文資料整編規(guī)范》(SL 24702012)規(guī)定，對45處雨量站JEZ02型融雪式雨量計采集的降水量資料利用水文統(tǒng)計學(xué)方法進行分析比測。以人工觀測資料為真實數(shù)據(jù)作為參考，人工觀測采用20 cm口徑雨量桶。將人工觀測資料與JEZ02型融雪式雨量計資料進行整編，并借用IBM SPSS軟件進行分析，從而評價JEZ02型融雪式雨量計觀測精度。

4.2 誤差分析

誤差分析采用抽樣數(shù)據(jù)，以2010—2020年資料為樣本庫，對比1 h、6 h、24 h最大降水量值誤差和月、年統(tǒng)計值誤差。因統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)量較多，因此不再逐一列舉，只選取2020年涇渭河具有代表性的觀測站為例，逐日降水量對照見圖4，誤差統(tǒng)計結(jié)果見表1。其雨強范圍在0～2.0 mm/min時JEZ02型融雪式雨量計低于人工觀測值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時滿足中小河流山洪監(jiān)測預(yù)警精度要求[8-9]。在月年總降水量的對比分析中，月總降水量絕對誤差在1.2～4.2 mm之間，年總降水量絕對誤差在8.6～22.4 mm之間，月、年相對誤差均小于4.0%。在年總降水天數(shù)的對比分析中，JEZ02型融雪式雨量計降水日數(shù)普遍少于人工觀測1～3 d，其因為JEZ02型融雪式雨量計雨量傳感器分辨率為0.2 mm，對于小于0.2 mm的降水無法觀測記錄，導(dǎo)致年總降水天數(shù)有所減少[10-11]。

分析表1可知，JEZ02型融雪式雨量計絕對誤差均小于或等于0，由于其翻斗機械結(jié)構(gòu)特點，在正常工作狀態(tài)下，所測得的降水量均小于或等于實際降水量。如JEZ02型融雪式雨量計觀測值大于人工觀測值，確定人工觀測無誤的情況下，應(yīng)及時對雨量計進行檢修。在野外觀測條件下，由于塵土、植物、小型生物的影響，會導(dǎo)致雨量計翻斗容量減小，在降水量不變的情況下，翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)增加，從而影響測驗精度。

表1 各時段最大降水量誤差統(tǒng)計

圖5為人工、JEZ02型融雪式雨量計相關(guān)性散點示意，由圖5可以看出，JEZ02型融雪式雨量計觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，能夠反映出流域降水時空分布與短歷時雨強特征[12]。

5 儀器維護

在對JEZ02型融雪式雨量計數(shù)據(jù)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)個別站點年降水量過于偏小，綜合分析判斷為設(shè)備故障，其資料借用附近具有代表性的站點進行插補。分析原因，一方面為設(shè)備電子故障，另一方面為儀器后期使用中維護不當(dāng)所造成。應(yīng)每年汛前應(yīng)對所管轄區(qū)域內(nèi)JEZ02型融雪式雨量計進行維護與清洗：① 疏通進水口，影響降雨強度與歷時；② 清洗翻斗，測試翻斗翻轉(zhuǎn)是否靈活，影響雨量精度，防止記錄雨量值偏大；③ 排水疏通，防止?jié)穸冗^高，感應(yīng)器氧化；④ 儀器調(diào)平，調(diào)節(jié)螺栓整平儀器；⑤ 儀器清洗后應(yīng)進行滴水測試，各項數(shù)值應(yīng)符合規(guī)范要求，并記錄測試時間、天氣、滴水量等信息；⑥ 連接外接設(shè)備，查看數(shù)據(jù)采集與傳輸是否正常。

6 結(jié)語

通過對JEZ02型融雪式雨量計進行實地比測與大量資料分析，結(jié)果表明：① JEZ02型融雪式降水量數(shù)據(jù)受限于數(shù)據(jù)提取方式和遠程服務(wù)器的不穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中存在丟包、亂碼、奇異值等問題，可利用甘肅省水文測驗系統(tǒng)軟件進行檢查校正與精簡摘錄后用于水文資料整編。② 冬季產(chǎn)生降雪時，JEZ02型融雪式雨量計降水量觀測值存在滯后性。降雪強度范圍在0～5.0 mm/h時，降水量趨勢基本一致；降雪強度范圍在5.0～20.0 mm/h時，降水量峰值延后5～15 min;當(dāng)降雪強度大于20 mm/h時，降水量曲線出現(xiàn)平頭，此時儀器觀測值失真，其觀測值需要后期通過人工校正。③ JEZ02型融雪式雨量計降水量數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，能夠反映出流域降水時空分布與短歷時雨強特征，觀測值在0～2.0 mm/min降雨強度范圍內(nèi)低于人工觀測值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時滿足中小河流山洪監(jiān)測預(yù)警精度要求。④ 部分降水量站點由于維護等原因存在年降水量值異常，對于年降水量小于100 mm的站點，分析其原因，并與附近具有代表性的站點進行比測分析后插補替換。應(yīng)每年汛前、汛后對JEZ02型融雪式雨量計進行兩次維護，以確保其正常運行。