大连地区称重式与双翻斗降水观测数据对比分析

发表时间:2019/6/24   来源:《中国西部科技》2019年第8期   作者:马兵,刘广强,宫丽艳,杨晓艳,张晶,艾青
[导读] 本文通过分析2016-2017年大连地区不同仪器观测的降水数据,对比差异。结果表明,在非结冰期,当降水量≥10mm时,相对偏差为2.8%;降水量 <10mm时,绝对偏差为-0.25,总体差值较小。在结冰期,当降水量≥10mm时,人工降水量大于自动降水量;降水量小于10mm时,人工降水量大多不小于自动降水量且差值不大。再结合实际情况探讨雨量传感器使用中经常出现的问题和解决办法。

  大连市气象装备保障中心
  1 仪器结构和原理介绍
  1.1 翻斗式雨量传感器介绍
  翻斗式雨量传感器主要应对测量液态降水,它是由承水口(常用20cm口径)、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗、磁钢等部分组成。采用的是机械双稳态结构,在一个平衡器的两端安装翻斗,当降雨把一侧的斗室灌满之后,发生翻转,另一斗室开始工作。在翻转过程中带动磁钢吸合一次干簧管,产生一个开关信号(脉冲信号),对该信号进行计数处理,便可以得到降水量。
  1.2 称重式降水传感器介绍
  称重式降水传感器主要应对测量固态降水,也可以用于测量液态降水。它由储水桶承接降水,再通过对降水重量的测量,测出降水量。称重测量分为两种方式,即:应变片方式和弦振方式。称重式降水传感器DSC3型和DSC2型,由于感应元件的不同,使得仪器稳定度不同。DSC3型采用在储水筒下方的测压传感器感应元件来测重量,根据重量变化输出的脉冲来测量降水量;DSC2型采用振弦为测重感应元件,由振弦构成的三个称重式传感器吊着储水筒,根据重力拉伸振弦的而改变振弦的振动频率,通过降水的重量和振动频率的对应关系,来测量降水量。
  2资料来源
  本文使用的数据是2016、2017年大连地区9个台站非结冰期的翻斗雨量传感器和称重式降水传感器测量的小时数据和月数据,大连本站的分钟数据。2016-2018年大连本站结冰期人工观测降水数据和称重式降水传感器测得数据。
  3数据分析
  3.1 非结冰期数据分析
  3.1.1月降水量分析
  翻斗式雨量传感器测得数据量比称重式大些。经统计,翻斗式大于称重式的天数为353 d,占55.4%;两者数据相同的天数为187d,占29.4%,翻斗式小于称重式的天数为97 d,占15.2%;。由此可知,翻斗式雨量传感器测得数据量比称重式大些。这种现象的主要是仪器安装的高度和传感器结构原理的差异造成的。
  3.1.2过程降水量分析
   大连地区9站2016年、2017年出现大暴雨5次,暴雨42次,大雨71次,中雨92 次,小雨427次。它们各自的均差值随着降水等级的升高而增加。产生这种现象的原因主要由于在强降水时,翻斗翻动由于惯性或降水的冲击力使降水量的测量雨量大些, 称重式每次输出前会存在一个质控的过程。虽然翻斗在每年使用前、使用中都进行维护,前几次降水也进行与人工测量值的比对再调整,称重式也定期维护,但仍不可避免。两种仪器也经过诸多的对比和改进设计,性能逐步完善和稳定。
  此外,还统计了大连本站2016-2018年非结冰期的降水数据,分析大连本站2018年较2016、2017年过程降水量的差值,发现两种传感器测得的值更接近。大连本站在2017年底更换了称重式的型号,由原来的DSC3型更换为DSC2型. 所以,DSC2型称重式较DSC3型称重式更适用于本站。
  3.1.3仪器的测量偏差
  两种仪器测量的降水量偏差通过绝对偏差和相对偏差来衡量,当降水量小于等于10 mm时,用绝对偏差;当降水量大于10 mm时,用相对偏差,当降水量小于等于10 mm时,偏差为0.25,当大于10 mm时,偏差为2.8%,按照地面规范,允许的偏差范围:10 mm以下,±4 mm;10 mm以上,±4%。所以仪器的测量偏差都在规范允许的范围之内。
  3.1.4仪器滞后降水
  滞后降水是降水天气现象停止后仪器仍测得降水量的情况。在测量降水过程中,翻斗雨量传感器会因为降水结束后的翻斗中残留雨水由于外界环境变化而产生,称重雨量传感器没有滞后降水情况,但会出现无降水类天气现象而出现野值的情况。这种差异一是与两种雨量传感器的结构有关,二是当夏季阵性降雨变小时,雨水容易吸附在仪器的表面,水滴汇集过程较慢,拉长了时间,从而产生滞后。
  3.1.5仪器降水起始时间
  在统计2016-2018年大连本站非结冰期两种仪器的分钟数据中测得的降水起始时间,用翻斗与称重的时间差值来绘成图1,发现翻斗测得的降水起始时间一般比称重测得的时间平均要早,经统计表明平均早5 min左右,这是由于对少量的降水翻斗传感器响应较及时,而称重式降水传感器在每次输出前会存在一个质控的过程。在夏季阵性降水较多一些,从而造成了降水起始时间有时不同步。

 

  3.2结冰期降水数据分析
  统计大连本站2016-2018年结冰期,人工测得和称重式测量降水量两份数据。降水量按照RR≥10mm和0.1mm≤RR<10mm 两个级别分别进行统计。当降水量大于10 mm时,用百分率(百分率=(人工观测量-称重式观测量)/人式观测量×100%。)来表示。在2016-2018年结冰期,降水量超过10mm的降水日数共 3天,平均差值百分率1.02%。差值百分率为正值,即人工降水量大于自动降水量。
  当降水量小于或等于10 mm时,我们用人工量与自动量的差值来表示,从表3可以看出,降水量不大于10mm的降水日数共53次,其中差值为正的15天,差值为负的8天,差值为0的30天,平均差值0.15。也就是说,降水量小于10mm时,人工降水量大部分是大于或等于自动降水量的,且差值不大。
  4 仪器出现的问题和解决办法
  4.1 翻斗式雨量传感器使用过程中遇到的问题与解决方法
  4.1.1 承水器下水口和漏斗被杂物堵塞
  由于清洁仪器时不能把灰尘、鸟粪等杂物完全清除,随着大风降水还会混入花粉,柔软的草棍,活的小虫等杂物,会堵塞集雨器下水口和漏斗、节流管等部分,使雨水淤积而不能正常下流,造成翻斗不正常计量降水量。此时应当及时进行清淤。可以选择在晴好天气,定期维护清洁,大雨间歇期观察漏斗情况进行检查和疏通,擦拭承雨器环口及内表面,保证出水畅通。盛水斗室如有淤积,可使用清洗笔等工具(或带干净的橡胶手套)蘸清水或酒精清洗,切勿用手触摸斗室内壁,以防有油污污染,从而影响翻斗的测量精度。
  4.1.2翻斗式雨量传感器故障
  4.1.2.1雨量线接线松动或断线
  首先检查接线柱螺帽与接线连接是否牢固。如果螺帽松动或线头断开会使线路断路,不能传递降水量信号。此时应当拧紧螺帽,固定好接线。
  如果接线连接完好,再采用短路法检查从传感器到采集器的线缆是否完好。如果线缆断开或破损而断路,则必须更换线缆,做好线缆保护工作或更换采集器。定期维护,日常观察。
  4.1.2.2干簧管损坏或磁钢性能降低
  通过以上的检查,还未检查到故障原因,就继续排查干簧管是否损坏。干簧管损坏就不能和磁钢吸合,直接造成无记录。此时可以用万用表来确定,若损坏就直接更换新的。接着排查磁钢性能,一旦性能下降就换新磁钢。
  4.1.2.3计数翻斗不能翻动
  翻斗部件翻转过程中如有滞感,计数翻斗的轴上灰过多或者轴碎裂就会造成翻斗翻动不正常。此时应当清洗轴承及转轴或者更换新轴承,并定期检查维护。用清水或酒精清洗翻斗两端轴和宝石轴的孔。如不见效,可用大头针沿轴承内孔表面轻触,仍有滞感应,则更新轴承,小心调整翻斗轴的工作间隙。
  4.2 DSC3型称重式降水传感器使用过程中遇到的问题与解决方法
  4.2.1承水口有杂物或承水桶中有活物
  观测员要定期取下传感器的保护外壳检查OPD遮光管,看有无蜘蛛网或者其他物质悬挂。检查承水桶中有无活物。
  解决办法:在大的降水过程后及时清除蜘蛛网或者其他物质悬挂物。把桶中活物及时取出。平时和降水间歇期巡视仪器,定期维护,使收集容器处于良好的状态。
  注意:维护仪器前应该先断电,保证数据的准确性和仪器稳定性。小心取出收集容器,避免因冲击传感器而损害感应元件。
  4.2.2称重式降水传感器故障
  4.2.2.1 查看脉冲口工作是否正常
  电脑连接调试串口,发送"fr 10000"命令,等待几秒后,会从脉冲口输出10个计数显示到计数器或自动站终端上,每输出一个计数就有"啪嗒"的一声,即脉冲口能正常工作。若有"啪嗒"声,但终端上没有值,就检查线是否正确连接,若没有"啪嗒"的声,可能脉冲口有问题,要更换新的。
  解决办法:检查脉冲口状态,雨量线连接状态,是否需要更换新的。
  4.2.2.2查看OPD工作是否正常和数据处理单元是否正常
  取下保护罩,电脑与设备的调试串口相连,用细小物质从OPD圈的中心晃动,同时发送命令"LS",看OPD是否有记录,有则说明OPD能够启动降水的发生。然后停止OPD圈的中心晃动,同时连续发送"LS"命令,此时OPD显示的次数应该是否增长,不增长说明OPD工作正常,否则OPD存在故障,会影响降水量的输出或误报降水量。
  解决方法:更换OPD。定期查看并维护,保证OPD的正常运行。
  查看当前收集容器内的液体高度。当内筒液体已满,液体溢出使测得的量不变,载荷元件受冲击损坏而测不到降水量。之后易发生无降水类天气,有降水的错误计量,使元件的使用寿命降低。
  解决方法:更换数据处理单元。定期查看并维护,保证筒内液体处于正常的范围。
  4.3  DSC2型称重式降水传感器使用过程中遇到的问题与解决方法
  4.3.1承水桶中有活物
  观测员要定期检查承水桶中有无活物。
  解决办法:把桶中活物及时取出。
  4.3.2查看振弦工作是否正常
  电脑连接调试串口,发送"GETRAINCAL"命令,系统返回设置的参数,检查是否有变化。
  解决办法:维护过程要注意小心取出收集容器,避免冲击传感器而损害感应元件。
  参考文献
  [1]缪启龙,江志红,陈海山,等编著.现代气候学[M].北京:气象出版社,2010.
  [2]中国气象局综合观测司.降水观测规范-称重式降水传感器(试行)[M] .北京:中国气象局综合观测司,2011.
  

投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: