双翻斗与JSP-01A型智能雨量计比较实验分析

刘慧杰 舒大兴 陆斌 吴欢

摘  要：为了适应强降水观测，在我国南方气象部门同时使用0.1 mm和0.5 mm斗的雨量传感器，而在水文部门0.5 mm斗的大翻斗雨量传感器得到普遍采用。JSP-01A型智能雨量计综合了0.1 mm与0.5 mm斗的优势，为了测试其与气象部门普遍采用的0.1 mm双翻斗雨量传感器的性能差异，组织了比较实验。实验按2 mm/min、4 mm/min、

6 mm/min、10 mm/min雨强进行，每个雨强实验3次取平均值，结果表明在2 mm/min、4 mm/min雨强时二者性能相当，在雨强进一步增大后双翻斗测量值偏小增大，而JSP-01A型依旧稳定。

关键词：双翻斗;JSP型雨量计;比较

中图分类号：P414               文献标志码：A

0 引言

双翻斗降水传感器普遍应用于地面气象观测自动站中，常用型号为SL3-1型，其安装高度为0.7 m（从承雨口平面至观测场地面距离）。工作过程为：降水由直径200 mm的集水器汇集，通过装有护网的漏斗及其下端的引流管进入上翻斗;通过上翻斗流入计量（计数）翻斗，当翻斗承积的水量达到一定的数量值时（3.14 mL）翻转一次;计数翻斗中部上端装有一块小磁钢，磁钢后面下面墙板上装有塑料封装的干簧管，计数翻斗翻倒一次使干簧开关闭合一次，送出一个开关信号;每一个信号表示降水量0.1 mm，经采集器的MCU计算处理，得到相应降水量值。

JSP-01A智能型雨量计安装高度为0.7 m或1.2 m，组件是2个翻斗式机械双稳态称重机构，其翻斗感量分别为3.14 g（相当于0.1 mm降雨量）和15.2 g（相当于0.5 mm降雨量，考虑翻转过程中有雨水流淌，翻斗感量比理论感量小0.5 g）。

控制器采集小翻斗和大翻斗的信号，并进行逻辑判断智能控制输出高精度降雨量，同时将3个数据显示在LCD显示屏上。内部结构如图1所示。这里的逻辑判断可以有效地解决强降水时0.1 mm翻斗快速翻转过程中的挂水、溢出等导致翻斗水量出现偏差的情况，象0.1 mm翻斗翻了4次，但0.5 mm翻斗已经开始翻转，则雨量综合判断为0.5 mm，同理，小翻斗翻了6次，大翻斗才开始翻1次，雨量仍计为0.5 mm。

从JSP型智能雨量计的设计可以看出，其相当于0.1 mm翻斗和0.5 mm翻斗2台设备，并具有智能计数功能，对大、小雨强具有广泛适用性。2种仪器的性能指标见表1。

从表1可以看出，2种设备雨强测量范围都超出了地面气象观测规范要求的每分钟4 mm，JSP-01A型在测量精度上比SL3-1型更优。为了对两者性能进行比较，设计了对比实验。

1 对比实验设计

从2种降水观测设备的原理看，都是翻斗计数型，不同的是JSP-01A型针对大雨强增加了0.5 mm大翻斗设计，而SL3型双翻斗只有0.1 mm翻斗，两者的差别应该在大雨强部分，因此，实验对0.5 mm/min雨强未考虑，仅对2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min雨强进行比对。按照地面气象观测业务规范，双翻斗降水传感器的测量范围是0 mm/min～

4 mm/min，但6 mm/min雨强在短时强降水中也可能会出现，10 mm/min雨强在正常降水过程中极少出现，只有在漏斗堵塞疏通后会出现，可以说是对翻斗型设备的极限考验。

实验中每种雨强对比3次，取算术平均值，降水总量为10 mm，雨强控制使用专用校准设备。

考虑SL3-1型翻斗雨量器自身没有计数功能，采用自动气象站采集器计数，为了避免采集器采样数据异常导致实验失败，实验提供2种计数结果：一种是翻斗雨量器设备自身计数，采用雨量校准计数器计算翻斗翻动次数，换算成降水量;另一种是自动气象站通过采集器计数，由自动站业务软件（ISOS）输出的降水量。

2 实验结果

2019年6月17日，对比实验由安徽分院、河海大学、安徽省大气探测技术保障中心三方技术人员共同参与完成，结果见表2。

其中雨强分为2 mm/min、4 mm/min、6 mm/min、10 mm/min 4个强度。降水标准值为每次实验使用的实际降水量值，均为10 mm。JSP型计数为JSP型智能雨量计综合0.1 mm和0.5 mm 2种翻斗显示的最终降水量值。标准偏离为测量值与标准值之间的差值占标准值的百分比，即（测量值-标准值）÷标准值×100%。测量值偏小为负偏离，测量值偏大为正偏离。SL3-1型设备计数是翻斗设备外接雨量校准计数器显示的干簧管导通次数对应的降水量，即计数翻斗翻动次数×0.1 mm。SL3型系统计数是自动气象站采集器采集计数由观测业务软件（ISOS）输出的降水量。

3 分析与结论

3.1 常规雨强

在地面气象观测规范要求的4 mm/min雨强范围内，两者都达到了设计要求，误差在2%以内。

3.2 超常规雨强

在地面气象觀测规范要求的4 mm/min雨强之上，单从设备考虑，两者仍然达到了设计要求，最大误差4%，而JSP-01A型略显稳定，误差仍然控制在2%。但自动气象站采集器计数由观测业务软件（ISOS）提供的最终降水量数据，出现了较严重的负偏离，从6 mm/min雨强偏小6%，到10 mm/min雨强偏小至28%，呈现出降水强度越大，误差越大的趋势。

3.3 差值原因分析

如图2所示，从超常规雨强自动气象站降水量最终采样数据异常偏小，而翻斗雨量传感器本身计数却正常可以看出，误差原因存在于自动站的采集计数部分。实验中6 mm/min雨强时，自动站分钟雨量最大达6.1 mm/min，而在10 mm/min雨强时，自动站分钟雨量最大只有4.0 mm/min，这说明SL3-1型双翻斗雨量传感器本身可以正常测量10 mm/min雨强的降水，但自动气象站采集器只能允许6.1 mm/min左右的雨强，即

61次/min干簧管通断计数，对于更加短暂的干簧管通断间歇被忽略了，即在1秒钟内干簧管导通2次只被计数为1次，这是造成强降水情况下自动站降水量严重偏小的原因。

实验在超大雨强只选取了6 mm/min和10 mm/min 2种雨强，没有做更多雨强的实验，但根据自动站采样1 s内干簧管导通2次只被计数为1次的误差原因，可以推测出，在6 mm/min雨强以上，干簧管导通次数在60次/min以上，出现1 s内干簧管导通2次的次数在增加，即被忽略掉的干簧管导通次数在增加，所以随着降水雨强的增大，降水量采样值会偏小更多，变化趋势。

4 结语

通过SL3-1型双翻斗降水传感器和JSP-01A型智能雨量计实验对比分析，可以看出JSP-01A型智能雨量计在10 mm/min雨强以内技术性能稳定，误差在2%以内，但由于0.1 mm翻斗与上汇集斗距离太近，在超强降水条件下，容易产生汇集斗水位过高顶托0.1 mm翻斗导致不计数的问题;SL3-1型双翻斗雨量传感器在10 mm/min雨强以内技术性能达到设计标准，误差最大4%，但自动气象站在6 mm/min雨强以上时采样数据偏小超过了4%，10 mm/min雨强时偏小达28%，这是由于自动站采集器忽略间歇较小的干簧管导通次数导致的，可以推测，更大的雨强会使采样数据偏小更多。

自动气象站使用SL3-1型双翻斗雨量传感器能够监测每分钟10 mm以内的降水，但通过实验分析，找到了其在大雨强时出现较大误差的原因，如果能针对此原因采取措施改进采集器端软件，防止正常的干簧管计数被忽略，即可减小误差，提高观测数据的准确性。

参考文献

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