不同降水形式下称重式雨量器在崮山水文站的应用分析

赵 钰，王正红，张 艳

(济南市水文局，山东济南250013)

传统方法降水量观测主要为人工观测，通过普通雨量器收集自然降水，人工采用专用量杯量取储水瓶中的雨量，操作简便。随着近些年自动化技术不断发展，先后应用有虹吸式自计雨量器、翻斗式雨量器，这些自动化设备的应用大大减轻了人工观测的工作量，但是降雪天气的降水观测，仍然需要人工完成。通过OTT Pluvio2-400型称重式雨量器在崮山水文站的应用及对比分析，在不同降水形式下均可实现自动观测，可有效解决固态降水的自动观测，可真正实现降水量的无人值守。

1 崮山站概况

崮山水文站位于山东省济南市长清区崮山镇凤凰村，北大沙河中游，集水面积373 km2。测验项目有水位、流量、悬移质输沙率、单位水样含沙率、降水、蒸发、墒情、水文调查等。本站设站目的为系统积累水文资料研究水文规律，为防汛抗旱、工程管理、水资源管理、调度、配置等服务。

该站多年平均降水量671 mm，最大年降水量为1145.0 mm(2004年)，年际变化较大，年内分布不均，降雨主要集中在6月～9月，占全年降水量的65%左右。最大24 h降雨量229.3 mm(1996年7月30日)。观测场内目前设有普通人工雨量器[1]、0.5 mm翻斗式自计雨量器、OTT Pluvio2-400型称重式融雪雨量器等。

2 OTT pluvio2-400型称重式雨量器工作原理

传统的降水量观测采用翻斗式雨量桶或人工测量。OTT Pluvio2-400型称重式雨量器为德国OTT Hydromet公司研制的一种全天候降水量计，它使用精准的基于称重技术来测量雨、雪和冰雹的数量和强度。OTT Pluvio2-400与业界领先的气象服务合作开发，采用了高精度的称重传感器和算法，可补偿风、温度和蒸发，确保在一段时间内实现最高精度的降水测量[2]。

OTT Pluvio2-400型称重式雨量器底座内采用高精度压力传感元件，称量采样桶所收集的液态和固态雨水，集成的温度传感器用于补偿平衡系统内的温度，内部安装有机械过载保护装置防止来自垂直方向的破坏。OTT Pluvio2-400采用平衡原理，雨量器每隔6 s采集一次采样桶的重量，测得的数值根据所使用的过滤计算法则相加计算雨量的累积值，如果在6 s内雨量的增加超过了4 mm，则不会作为雨量输出，因为这个数值超出了雨量的正常水平。OTT pluvio2-400型称重式雨量器采样桶开口为200 cm2，测量能力为750mm，分辨率0.1 mm/min。

3 不同降水形式下数据分析

为了准确分析OTT Pluvio2-400型称重式雨量器在崮山水文站应用的可靠性，采用2020年1月1日～9月30日人工雨量数据进行对比分析[3]，以人工雨量为基准数据，人工雨量减去称重式雨量的差值为雨量差，作为误差分析主要依据，统计结果见表1。

表1 人工观测与OTT Pluvio2-400型称重式雨量器降水量统计表

3.1 不同降水形式误差分析

2020年1月、2月主要已降雪天数为主，月累积降水量OTT Pluvio2-400型数值普遍大于人工观测数值，相对误差最大为-18.4%。3月～9月主要以降雨为主，OTT Pluvio2-400型数值普遍小于人工观测数值，其中6月份有2日出现冰雹天气，统计对比冰雹两日的单日误差均小于0.2 mm。统计分析单日最大误差为20.1 mm，最小单日误差为0。1月～9月总的雨量差为29.7 mm，总的相对误差为4.2%。

3.2 降水天数统计分析

OTT Pluvio2-400型称重式雨量器共统计有降水天数为111 d，人工观测总天数为94 d，称重式雨量器比人工多观测17 d降水。根据降水天数统计分析，由于有树叶或飞虫等杂物掉入，造成称重式雨量器的天数多出7 d观测。去除因树叶、杂物等外部因素干扰后，1月～2月人工有9次漏记不大于0.2 mm的降雪，6月称重式雨量器有1日漏记，9月人工漏记2 d，其他观测月份天数均一致，统计情况见图1。排除了树叶或杂物干扰因素外，与人工观测天数一致率为89.4%。

图1 称重式观测与人工观测降水天数统计表

3.3 降水量相关性分析

根据表1月雨量数据对比，以人工观测值为横坐标，OTT Pluvio2-400型称重式雨量观测值为纵坐标，绘制散点图，并做回归分析(见图2)。图上可见数据排列趋势形成一条直线分布，其中求得回归方程为y=0.9366x+1.6387，二者相关性系数为0.9997，表明相关性较好。

图2 称重式观测与人工观测月降水分布

3.4 误差成因及分析

通过对比分析发现，在出现有降雪天气时，称重式观测要比人工观测降水量偏大，在出现雨水天气时，称重式观测数据普遍小于人工观测降水量。当有冰雹降水天气时，造成日降水量误差偏差较大。分析成因主要有以下几方面：

(1)因观测设备及观测方法不同，测量仪器的不同就会不可避免的造成对比系统偏差、加之仪器的湿润误差、观测时间误差等，都会成为误差的来源。

(2)称重式雨量器安装有防风装置，因为安装有防风圈的雨量器能够比无防风圈的雨量器采集到更多的降水量，特别是对固态降水。其次，冬季人工观测降雪一般采用台秤称量，受台秤精度误差和人工观读误差影响，微量降雪存在观测误差。

(3)分析出现单日最大误差20.1 mm。主要原因：经现场检查发现称重式雨量器当日采用桶内雨水已盛满采用桶，未及时倾倒采样桶内雨水，造成部分雨量漏测。在今后的维护中需特别注意，当累计的总降水量接近600 mm时，应及时清空采样桶内的雨水。

(4)树叶或杂质的掉落，对称重式雨量器测量误差有一定影响，特别是无降水日被误记为当日发生降水，但统计量都小于0.5 mm，分析原因：有风天气造成树叶、飞虫等杂物掉入采样桶，较大杂物因重量大会被称重式雨量器通过过滤计算法则过滤掉外部干扰，但较小质量的杂物过滤法则无法进行判断。

4 结论

OTT Pluvio2-400型称重式雨量器是一种适合固态、液态和混合态降水总量及降水强度测量的、全自动、全天候降水观测仪器，小量降水时称重观测的能力较优。该称重式雨量器维护较为简单，稳定性较高，当采样桶中的水样达到总体积80%时才需清空，特别注意为避开周围的树木、花草等外界干扰因素，安装时尽量选取在空旷的位置。在冬季，如果不使用防冻液，只用当采样桶的填充液位不足200 mm时，操作才是可靠的。在特殊天气如降雪、冰雹等的情况下与人工观测降水数据相关性较好，可以替代人工观测雨量,实现降水量无人值守，提高水文站观测自动化水平。