石家庄CAWS600-BⅠ型自动气象站与人工观测降水量误差分析

分析

张翠华;卞韬;王丽荣

【摘 要】通过对2005-2009年4～10月石家庄站(53698)自动气象站与人工观测降水量进行对比分析,发现自动气象站观测降水量与人工观测降水量存在一些偏差.进一步分析得出:观测数据采集方式不同、观测时间不一致、自动气象站雨量传感器自身原因、承接降水物形态、未定期维护而造成的测量误差以及外界环境因素是导致自动气象站和人工观测降水量观测误差产生的主要原因. 【期刊名称】《宁夏农林科技》 【年(卷),期】2011(052)001 【总页数】3页(P66-68)

【关键词】自动气象站;人工观测;降水量;误差;原因分析 【作 者】张翠华;卞韬;王丽荣

【作者单位】兰州大学大气科学学院,甘肃兰州,730000;河北省石家庄市气象局,河北石家庄,050081;兰州大学大气科学学院,甘肃兰州,730000;河北省石家庄市气象局,河北石家庄,050081;河北省石家庄市气象局,河北石家庄,050081 【正文语种】中 文 【中图分类】S161.6

降水量的多寡是影响农业生产的重要条件，降水量观测数据的准确性是指导农业生产的重要依据和长序列气象资料可用的重要保证，同时可为政府部门指挥和决策气象防灾减灾提供科学依据[1]。响应国家统一部署，石家庄CAWS600-BⅠ型自动气象站于2003年1月投入地面观测业务使用，经历2003年双轨和2004年并轨运行地面气象观测业务，LS2-1型自动降水量计观测降水量基本能满足日常业务需要和气候资料的连续使用[2]。2005年进入单轨运行，2009年发现自动观测降水量与人工观测降水量相比存在一些偏差。2005—2009年，人工观测日降水量为0.l和0.2mm的记录共145次，其中111次自动气象站无降水记录；人工观测无降水而自动气象站有降水记录的现象共23次，其中2005年出现最多（11次）。另外，2006年4月12日自动气象站雨量传感器发生严重的漏斗堵塞现象，造成长达6 h无观测数据。为此，笔者对对石家庄站（53698）2005—2009年4～10月自动气象站与人工观测降水量进行对比分析，并着重对自动气象站和人工站降水量观测误差产生的原因进行了分析，以期找出它们之间的相互关系，使自动气象站与人工观测降水量资料更好地衔接，这可为自动气象站单轨运行前后的数据分析提供参考依据，同时对于了解自动气象站数据准确性，提高降水量统计可靠性有重要意义。

1 自动气象站与人工观测降水量对比分析 1.1 日降水量对比分析

2005—2009年4～10月各降水日自动气象站比人工观测降水量偏大的日数较多，其中偏大的占30%，偏小的占10%。自动气象站日降水量平均偏大0.1 mm，最大正差值为9.7 mm，最大负差值为9.9 mm，其中2008年6月25、26日和9月4、5日差值显著偏大，分别为9.7、9.9、8.1、8.0 mm（表1）。 查看这4 d的天气现象，2008年6月25日天气现象为：“801934-2000，

171937-2000;N-Z”（17雷暴，80阵雨）；2008年6月26日天气现象为:“80 2000-2105，17 2000-2034;Z”（17雷暴，80阵雨）。2008年6月25和26日的降水为一个天气系统过程，此次降水过程自动记录和人工观测总量分别为30.8、31.0 mm。2008年9月4日天气现象为:“80 1937-2000，17 1934-2000;N-Z”（17雷暴，80阵雨）；2008年9月5日天气现象为:“80 2000-2014，17 2000-2017;Z-S”（17雷暴，80阵雨）。2008年9月4和5日为一个天气系统过程，此次降水过程自动记录和人工观测总量分别为11.0、10.9mm。由此可见，这2次降水过程自动气象站和人工观测降水量相当，过程差值百分比都为1%。按照测报业务文件要求，每次降水过程（降水量≥10.0mm）后须将自动气象站降水量值与人工降水量筒测定值比较，计算公式为：差值百分比=（人工降水量筒测定值一自动气象站降水量值）/人工降水量筒测定值×100%。计算差值百分比小于4%作为自动气象站数据可信的标准。因此，2008年6月25、26日和9月4、5日记录差值显著偏大应判断为正常记录。 1.2 月降水量对比分析

由图1可知，2005—2009年4～10月自动气象站月平均降水量比人工测量值多数偏大，其中偏大的占66%，偏小的占14%；自动气象站月平均降水量平均偏大0.9 mm，最大正差值为8.5 mm，出现在2009年8月，最大负差值为1.3 mm，出现在2005年8月。

表1 2008年4～10月各降水日自动气象站与人工观测降水量对比调查日期降水量（mm）工降水量（mm）人观自动气象测 站记录 差值 人工观测调查日期 自动气象站记录 差值04-09 10.2 10.3 0.1 07-29 0.1 0.1 0 04-10 1.1 1.1 0 07-30 37.8 38.3 0.5 04-11 2.8 2.8 0 07-31 1.7 1.5-0.2 04-12 7.9 8.0 0.1 08-06 2.9 2.9 0.0 04-20 23.9 24.2 0.3 08-10 12.7 12.7 0 04-21 2.0 2.0 0 08-12 27.3 27.8 0.5 05-09 6.9 6.9 0 08-13 28.7 29.3 0.6 05-11 11.4 11.5 0.1 08-14 78.5 79.6 1.1

05-12 4.5 4.5 0 08-15 5.2 4.9-0.3 05-17 8.7 8.7 0 08-17 0.4 0.4 0 06-03 29.1 29.5 0.4 08-20 0.6 0.6 0 06-04 2.5 2.1-0.4 08-21 60.7 61.7 1.0 06-05 0.1 0.1 0 08-25 18.0 18.0 0 06-06 5.8 5.9 0.1 08-30 3.6 3.7 0.1 06-13 3.8 4.0 0.2 09-04 1.9 10.0 8.1 06-14 2.8 2.7-0.1 09-05 9.0 1.0-8.0 06-16 4.5 4.5 0 09-07 59.9 60.4 0.5 06-25 4.2 13.9 9.7 09-08 2.0 1.7-0.3 06-26 26.8 16.9-9.9 09-09 5.0 5.2 0.2 06-27 4.4 4.5 0.1 09-10 7.8 7.8 0 06-28 12.9 12.9 0 09-21 1.4 1.4 0 06-29 0.2 0.1-0.1 09-22 3.6 3.8 0.2 07-01 6.7 6.9 0.2 09-23 13.5 13.6 0.1 07-02 0.5 0.5 0 09-24 5.7 5.7 0 07-05 7.9 7.9 0 09-25 2.1 2.1 0 07-11 26.0 26.6 0.6 09-27 3.1 3.1 0 07-14 4.5 4.7 0.2 09-28 1.4 1.4 0 07-15 25.6 25.6 0 10-04 9.0 9.2 0.2 07-17 10.4 10.4 0 10-05 0.7 0.7 0 07-18 8.0 8.2 0.2 10-21 4.2 4.3 0.1

图1 2005—2009年4～10月自动气象站与人工观测月平均降水量对比 2 自动气象站与人工观测降水量的误差原因分析 2.1 观测数据采集方式不同

自动气象站雨量传感器测量降水量采用的是翻斗式[1]，其工作原理为：雨水由承水器汇集，通过装有圆护网的小漏斗及下端的引流管注入上翻斗；当上翻斗承积的水量达到一定值时，上翻斗翻倒，雨水经过汇集漏斗流入计量翻斗；当计量翻斗降水量承积到0.l mm降水量时，计量翻斗翻倒，使计数翻斗翻动1次，因而使干簧管接点瞬间闭合1次，送出1个电路导通信号，传输到数据采集器[3]。这样，降水量每达到0.l mm时，就会送出1个脉冲信号，实现分钟降水量、小时降水量、日降水量值的采集和存储。人工观测降水量是每日定时（02：00、08：00、14：00、20：00）用量杯直接量取降水量筒内的降水量。

由此可见，降水量传感器实时测量降水，时间分辨率高，消除了人为操作的误差，但是，进出水管道不畅通、上下翻斗翻转不灵敏和干簧管触点多发或少发信号等，

均会影响降水量的计量准确性，从而造成系统性误差，导致降水量的测量偏差。人工测量的降水量比较直接，但是存在人为误差（读数误差、测量过程中的操作误差等）及仪器误差（储水瓶的沾湿误差、降水附着内壁引起的误差）[4-5]等，同样会导致降水量的测量偏差。 2.2 观测时间不同步

根据规范规定，人工每日定时观测降水；在炎热干燥的日子，降水停止后要及时进行观测[6]。在2次定时观测时间段内，尤其是遇连阴雨天气，常常会由于降水未停止而得不到及时测量；而夏天气温较高，雨水会缓慢蒸发，从而造成降水量测量值偏小。自动气象站降水量的测量是通过雨水注入翻斗，翻斗的翻动产生脉冲信号，传输到采集器，而采集器每分钟采集1次降水量数据，具有实时性，能够比较及时地测量到降水量真值。

自动气象站是正点时刻00：00采集降水量数据，而人工定时观测比自动气象站早观测7min。如在日界20时正点前7min降水强度大，则日降水量的差异更明显，但过程降水量差异不大。如2008年6月25日20：00自动气象站观测的是19:34～20:00 26min的降水量，为13.9mm；而人工观测的是19:34～19:53 19 min的降水量，为4.2mm，自动气象站记录比人工观测迟7min，但降水量多9.7mm。延续到26日，自动气象站记录降水量为16.9mm，人工观测为26.8mm，自动气象站记录比人工观测少9.9mm。此次降水过程自动气象站记录降水量为30.8mm，人工观测为31.0mm，自动气象站记录比人工观测少0.2mm，差值百分比为1%，小于4%。这说明观测时间的差异虽然引起日降水量差异较大，但是过程降水量符合观测业务规定要求，并不是造成自动站和人工观测降水量偏差的主要原因。

2.3 自动气象站雨量传感器自身的原因

由降水量传感器的测量原理可知，翻斗翻转次数的多少会影响降水量测量系统的计

量准确度。当降水强度较大时，翻斗翻转速度快、次数多，降水量测量值偏大；当降水强度较小时，相对来说翻斗内能聚集较多雨水，翻转速度慢、翻动次数相对较少，降水量测量值偏小。以2005～2009年石家庄站气象观测记录中降水量最大的一次天气过程为例进行分析，2009年8月26日21:36～02:13出现雷雨天气，自动气象站记录从21：46开始有分钟降水量，01:37分钟降水量止，过程降水量为88.5 mm；人工于22：00～02：00进行了小时降水量观测，过程降水量为82.9 mm，自动气象站比人工观测降水量偏大5.6 mm。

由表2可知，2009年8月26日21:36～02:13平均分钟雨强变化趋势为由大依次减小，小时降水量差值变化趋势为由小变最大，随后又减小，直至负值。22:00为15 min降水量，02:00为37 min降水量，按照22:00和02:00降水强度反演计算这2个时段为1 h降水量。与其他3个时次进行对比，降水强度较大时，1 h降水量差值显著偏大，随着降水强度的减弱，1 h降水量差值迅速减小，直至变为负值，自动降水量与人工降水量相比，经历明显偏大、逐渐接近和较小的过程，说明降水强度增大，降水量迅速增大，降水强度减弱，降水量迅速减小，翻斗的翻转惯性起一定的推动作用。另外，根据观测员实际观察，降水强度大时，雨水有从上翻斗溢出的现象，这能使降水量测量值偏小，从而对降水强度大时由翻斗的惯性而引起的降水量测量值偏大起一定的削弱作用。

表2 2009年8月26日21:46～01:37和21:01～02:00自动气象站与人工观测降水量对比自动气象站记录 人工观测 差值21:46～22:00 14.2 13.1 1.1 0.90 01:37 23:00 47.6 44.2 0.8 0.80 24:00 21.7 20.9 0.4 0.40 01:00 4.6 4.2 0.1 0.10 02:00 0.4 0.5 -0.1 0.01 21:01～22:00 56.8 52.4 4.4 0.90 02:00 23:00 47.6 44.2 3.4 0.80 24:00 21.7 20.9 0.8 0.40 01:00 4.6 4.2 0.4 0.10 02:00 0.6 0.8 -0.2 0.01时段 时次 降水量（mm） 平均分钟雨强（mm/min） 2.4 承接降水物形态引起的误差

中国北方4和10月较容易出现雨夹雪天气，10月还较易出现连续性降雨夹带冰粒的天气，7和8月会有暴雨夹带冰雹或霰的天气，雨量传感器在承接这些降水现象时，其滤网、小圆护网、漏斗、引流管和翻斗的承水装置很容易造成通道堵塞，使观测记录失真或缺测。如石家庄站2006年4月12日出现了雨转雨夹雪又转成雪的天气过程，人工观测过程总量16.0 mm，当日天气现象“60 2000～0034，68 0034～0350，70 0350～0740”（60雨，68雨夹雪，70雪），雨量传感器漏斗02:01开始发生堵塞，自动气象站记录总量13.6 mm，直到09:43后才无分钟降水量记录显示。可见，降水量测量值明显滞后、偏小，造成自动气象站小时和分钟记录缺测。在这种情况下，只能启动人工观测降水，即拧下人工观测降水量筒漏斗，取走储水瓶，直接用降水量筒来承接降水，在观测时间用台秤称量降水量筒中的降水量。这说明，翻斗式雨量传感器承接固态和混合降水有一定的局限性，需要人工观测降水与之配合应用。 2.5 未定期维护造成的误差

根据规范规定，自动气象站雨量传感器每月至少定期检查1次，清除过滤网上的尘沙、小虫等，以免堵塞管道，特别要注意保持节流管畅通；无雨或少雨季节，可将承水器口加盖，但注意在降水前及时打开[7]。如果不及时维护，自动气象站雨量传感器承水器漏斗处易积聚灰尘、杂物而造成轻微堵塞，尤其节流管不畅通，或翻斗翻动不灵敏，均会造成测量误差，从而造成自动气象站降水量无示值或滞后或偏小。

2.6 外界环境因素

（1）承水器口四周没有安装国际标准降水量器要求的防溅雨栅格[7]，而降水量的测量受风场影响很大。由于降水量器高出地面，所以风对降水量器的绕流作用会导致筒口上方出现局部的上升气流，从而阻碍雨滴落入筒口，造成降水量偏小，产生误差。在不稳定天气条件下，风速较大，风向变化较快，降水量器上方气流扰动使

雨滴落入筒口不均匀，产生误差。另外，在有风而无雨的时候，由于筒身安装不牢固，会使翻斗翻动而造成降水量有记录，也会产生误差。

（2）干簧管发送1次开关信号，代表产生0.1 mm降水量，若通信干扰或振动致使降水量传感器翻斗翻动，产生误发信号，可能会使无降水时而有降水记录，有降水时降水量偏大。当降水量器周围有较强磁场时，可使干簧管接收错误信号而发生不规则的闭合，形成多发信号，使降水值偏大，甚至在无降水时也出现降水记录。避免此类误差的方法是保证外筒接地良好，如若发现此类现象应及时寻找干扰源并消除。

（3）人工降水量筒和自动雨量传感器在观测场中的距离约9 m，降水存在空间分布的不均匀性[8]，会使落入处在人工和自动雨量测量仪器筒口内的量值产生差异。如石家庄站2005年4月8～9日出现持续降雨，主要降水时段发生在8日16:00至9日23:00。观测记录降水时段天空为高层云，平均风速为1.4 m/s，此次降水过程自动气象站记录为10.5 mm，人工观测记录为10.2 mm，自动气象站记录比人工观测降水量偏大0.3 mm，差值百分比为3%，未超过观测业务规定允许范围；层状云中气流一般比较稳定，上升下沉气流的交替起伏不明显、升速较小[9]，降水受乱流扰动影响不大；平均分钟雨强不足0.1 mm/min，最大分钟雨强为0.1 mm/min，雨量传感器翻斗翻转受降水强度影响较小。因此，降水空间分布的不均匀性是产生这类差异的主要原因。 3 结论

（1）观测数据采集方式不同、观测时间不同步、自动气象站雨量传感器自身原因、承接降水物形态、为定期维护而造成的测量误差以及外界环境因素是导致自动气象站和人工站降水观测误差产生的原因。风场、降水空间分布的不均匀性是自动气象站和人工观测降水量产生差异的共同影响因素。

（2）石家庄CAWS600-BⅠ型自动气象站与人工观测降水量相比，2005—2009

年4～10月降水量测量值存在一些偏差。其中，外界干扰信号和源体等对自动气象站雨量传感器有一定的影响，承接固态和混合降水有一定局限性，需要人工观测降水量与之配合应用，但雨量传感器时间分辨率高，在实时测量上有绝对优势，尤其在强对流天气持续时间，降水量和降水强度跨度大的时次表现突出，在观测时间上大大地弥补了人工观测降水量的不足；降水过程总量与人工测量值差值百分比在观测业务规定允许范围内，自动气象站与人工观测降水量基本一致，能够保证自动观测资料和人工观测资料的有机衔接。

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