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(shì)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(qiáng)累計(jì)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(jì)所觀測(cè)數(shù)據(jù)，涉及平?jīng)鍪袥芪己恿饔?5個(gè)降水量觀測(cè)站，其中基本水文站5個(gè)，共收集到2008—2019年共10 a的實(shí)測(cè)降水量數(shù)據(jù)。主要從JEZ02型融雪式雨量計(jì)資料整編、數(shù)據(jù)比測(cè)分析、設(shè)備可靠性等方面對(duì)該儀器在平?jīng)鍪袥芪己恿饔蜻m用性進(jìn)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(jì)是利用電加熱方式將固態(tài)降水融化為液態(tài)后，進(jìn)行降水量自動(dòng)觀測(cè)的儀器，主要由融雪裝置、雨量傳感器、監(jiān)測(cè)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(cè)1次數(shù)據(jù)，適宜雨強(qiáng)范圍為0.01～2.0 mm/min[2]。

2.2 資料收集

平?jīng)鍪薪邓空军c(diǎn)分布為涇河流域28個(gè)，渭河流域17個(gè)，共計(jì)45個(gè)(見圖1所示)。各降水量觀測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)終端接口實(shí)地提取，或在“宏電RTU前置系統(tǒng)”遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)下載數(shù)據(jù)。其中，終端接口與服務(wù)平臺(tái)資料經(jīng)比對(duì)分析降水量趨勢(shì)基本一致，由于降水量觀測(cè)站點(diǎn)分布較為分散，交通不便，綜合考慮，建議采用遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)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(cè)站點(diǎn)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(yuǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)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(cè)方式不論是否有降水量產(chǎn)生均按5min為單位進(jìn)行觀測(cè)，單個(gè)設(shè)備1 h可觀測(cè)12個(gè)數(shù)據(jù)，1 d可觀測(cè)288個(gè)數(shù)據(jù)，全年觀測(cè)量為105 120個(gè)數(shù)據(jù)[3]。

所以需借用甘肅省水文測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)軟件對(duì)JEZ02型融雪式雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)摘錄[4]，軟件內(nèi)部摘錄算法為：

① 降水量保留5 min滑動(dòng)；

② 降水過程記起止時(shí)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(shí)降水量>2.5 mm時(shí)整點(diǎn)斷開。

為滿足上述③④條中關(guān)于1次降水過程中的整點(diǎn)分割要求，當(dāng)降水量數(shù)據(jù)達(dá)到條規(guī)則要求時(shí)，程序算法將前1 h最后一個(gè)降水量時(shí)間后延5～10 min，以達(dá)到整點(diǎn)，同時(shí)此算法會(huì)影響時(shí)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(cè)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(jiǎn)摘錄后，可獨(dú)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(shí)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(shí)，如雪、雨夾雪等，JEZ02型融雪式雨量計(jì)由于其電加熱方式導(dǎo)致降水量與真實(shí)值之間存在一定的滯后。JEZ02型融雪式雨量計(jì)加熱元件為電磁式，鋪設(shè)于雨量計(jì)桶身底部。當(dāng)降雪發(fā)生時(shí)，位于桶身上方的傳感器觸發(fā)加熱元件開始工作，儀器進(jìn)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(huì)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(shí)，此時(shí)會(huì)在儀器桶身內(nèi)發(fā)生降雪累積，從而出現(xiàn)降水量觀測(cè)值滯后的情況[6]。

3.2 降雪量數(shù)據(jù)比測(cè)

選取具有降雪代表性的觀測(cè)站點(diǎn)，將JEZ02型融雪式雨量計(jì)與人工觀測(cè)進(jìn)行比測(cè)(見圖2)。

圖2 某觀測(cè)站點(diǎn)JEZ02型融雪式雨量計(jì)與人工觀測(cè)降雪數(shù)據(jù)比測(cè)示意

通過分析圖2可以發(fā)現(xiàn)降雪強(qiáng)度范圍在0～5.0 mm/h時(shí)，降水量趨勢(shì)基本一致；降雪強(qiáng)度范圍在5.0～20.0 mm/h時(shí)，降水量峰值延后5～15 min；當(dāng)降雪強(qiáng)度大于20 mm/h時(shí)，降水量曲線出現(xiàn)平頭，此時(shí)儀器觀測(cè)值失真。通過大量的觀測(cè)站數(shù)據(jù)分析，JEZ02型融雪式雨量計(jì)觀測(cè)滯后的現(xiàn)象直接導(dǎo)致小時(shí)降雪強(qiáng)度普遍小于人工觀測(cè)值，人工觀測(cè)JEZ02型融雪式雨量計(jì)觀測(cè)雨強(qiáng)趨勢(shì)對(duì)比見圖3。平?jīng)鍪袥芪己恿饔驅(qū)儆诶錅貛啙駶?rùn)性氣候，冬季降雪強(qiáng)度普遍低于10 mm/h，JEZ02型融雪式雨量計(jì)降雪觀測(cè)精度符合本區(qū)域降水量觀測(cè)要求，當(dāng)小時(shí)降雪強(qiáng)度大于5.0 mm/h時(shí)應(yīng)通過人工觀測(cè)值對(duì)JEZ02型融雪式雨量計(jì)資料進(jìn)行校正[7]。

圖3 人工觀測(cè)與雨量計(jì)觀測(cè)雨強(qiáng)趨勢(shì)對(duì)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(duì)45處雨量站JEZ02型融雪式雨量計(jì)采集的降水量資料利用水文統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析比測(cè)。以人工觀測(cè)資料為真實(shí)數(shù)據(jù)作為參考，人工觀測(cè)采用20 cm口徑雨量桶。將人工觀測(cè)資料與JEZ02型融雪式雨量計(jì)資料進(jìn)行整編，并借用IBM SPSS軟件進(jìn)行分析，從而評(píng)價(jià)JEZ02型融雪式雨量計(jì)觀測(cè)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(duì)比1 h、6 h、24 h最大降水量值誤差和月、年統(tǒng)計(jì)值誤差。因統(tǒng)計(jì)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(cè)站為例，逐日降水量對(duì)照見圖4，誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。其雨強(qiáng)范圍在0～2.0 mm/min時(shí)JEZ02型融雪式雨量計(jì)低于人工觀測(cè)值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時(shí)滿足中小河流山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警精度要求[8-9]。在月年總降水量的對(duì)比分析中，月總降水量絕對(duì)誤差在1.2～4.2 mm之間，年總降水量絕對(duì)誤差在8.6～22.4 mm之間，月、年相對(duì)誤差均小于4.0%。在年總降水天數(shù)的對(duì)比分析中，JEZ02型融雪式雨量計(jì)降水日數(shù)普遍少于人工觀測(cè)1～3 d，其因?yàn)镴EZ02型融雪式雨量計(jì)雨量傳感器分辨率為0.2 mm，對(duì)于小于0.2 mm的降水無法觀測(cè)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(jì)絕對(duì)誤差均小于或等于0，由于其翻斗機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在正常工作狀態(tài)下，所測(cè)得的降水量均小于或等于實(shí)際降水量。如JEZ02型融雪式雨量計(jì)觀測(cè)值大于人工觀測(cè)值，確定人工觀測(cè)無誤的情況下，應(yīng)及時(shí)對(duì)雨量計(jì)進(jìn)行檢修。在野外觀測(cè)條件下，由于塵土、植物、小型生物的影響，會(huì)導(dǎo)致雨量計(jì)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(cè)驗(yàn)精度。

表1 各時(shí)段最大降水量誤差統(tǒng)計(jì)

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

5 儀器維護(hù)

在對(duì)JEZ02型融雪式雨量計(jì)數(shù)據(jù)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別站點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)。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(hù)不當(dāng)所造成。應(yīng)每年汛前應(yīng)對(duì)所管轄區(qū)域內(nèi)JEZ02型融雪式雨量計(jì)進(jìn)行維護(hù)與清洗：① 疏通進(jìn)水口，影響降雨強(qiáng)度與歷時(shí)；② 清洗翻斗，測(cè)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(jìn)行滴水測(cè)試，各項(xiàng)數(shù)值應(yīng)符合規(guī)范要求，并記錄測(cè)試時(shí)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(duì)JEZ02型融雪式雨量計(jì)進(jìn)行實(shí)地比測(cè)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(yuǎn)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(cè)驗(yàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行檢查校正與精簡(jiǎn)摘錄后用于水文資料整編。② 冬季產(chǎn)生降雪時(shí)，JEZ02型融雪式雨量計(jì)降水量觀測(cè)值存在滯后性。降雪強(qiáng)度范圍在0～5.0 mm/h時(shí)，降水量趨勢(shì)基本一致；降雪強(qiáng)度范圍在5.0～20.0 mm/h時(shí)，降水量峰值延后5～15 min;當(dāng)降雪強(qiáng)度大于20 mm/h時(shí)，降水量曲線出現(xiàn)平頭，此時(shí)儀器觀測(cè)值失真，其觀測(cè)值需要后期通過人工校正。③ JEZ02型融雪式雨量計(jì)降水量數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，能夠反映出流域降水時(shí)空分布與短歷時(shí)雨強(qiáng)特征，觀測(cè)值在0～2.0 mm/min降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)低于人工觀測(cè)值0.1%～4.0%，誤差范圍滿足水文資料整編精度要求，同時(shí)滿足中小河流山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警精度要求。④ 部分降水量站點(diǎn)由于維護(hù)等原因存在年降水量值異常，對(duì)于年降水量小于100 mm的站點(diǎn)，分析其原因，并與附近具有代表性的站點(diǎn)進(jìn)行比測(cè)分析后插補(bǔ)替換。應(yīng)每年汛前、汛后對(duì)JEZ02型融雪式雨量計(jì)進(jìn)行兩次維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行。