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基于多类型雨量计的降雨特性分析

廖爱民 刘九夫 张建云 王妞 廖敏涵 姜广旭

廖爱民, 刘九夫, 张建云, 王妞, 廖敏涵, 姜广旭. 基于多类型雨量计的降雨特性分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
引用本文: 廖爱民, 刘九夫, 张建云, 王妞, 廖敏涵, 姜广旭. 基于多类型雨量计的降雨特性分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
LIAO Aimin, LIU Jiufu, ZHANG Jianyun, WANG Niu, LIAO Minhan, JIANG Guangxu. Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
Citation: LIAO Aimin, LIU Jiufu, ZHANG Jianyun, WANG Niu, LIAO Minhan, JIANG Guangxu. Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005

基于多类型雨量计的降雨特性分析

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 91647203

国家自然科学基金资助项目 91847301

详细信息
    作者简介:

    廖爱民(1985-), 男, 江西赣州人, 博士, 主要从事水文实验、水文地球物理学和同位素水文学等研究。E-mail:seamsun1226@163.com

    通讯作者:

    刘九夫, E-mail:jfliu@nhri.cn

  • 中图分类号: P334

Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges

Funds: 

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 91647203

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 91847301

  • 摘要: 为提高对降雨特性的认识,选择常用的6种测雨设备(翻斗式SL3-1、JDZ05、RG-3,称重式Pluvio2,雨滴谱仪Parsivel2和非计数式JQH-1),成对布设在南京水利科学研究院滁州水文实验基地的同一个实验场地,同步观测了2019年4月1日至8月31日为期5个月的降雨过程。比测分析得到:在中大雨条件下(日雨量≥ 10 mm),SL3-1和JDZ05测的降雨总量能够满足4%误差控制要求,RG-3、Pluvio2和Parsivel2测的降雨量比JQH-1测值小4%;在小雨条件下(日雨量 < 10 mm),翻斗式和称重式雨量计的测量值小于JQH-1测值的4%;SL3-1、RG-3、Pluvio2、Parsivel2测得雨强≤ 0.1 mm/min的频率大于75%,雨强≤ 0.2 mm/min条件下的雨量累积比重大于50%;Pluvio2和Parsivel2监测的降雨开始时间比SL3-1分别早0.5 h和2 h以上,而结束时间分别晚0.5 h和2 h以上。比测结果有助于研究人员选择合适的测量设备获取所关注的降雨特性。
  • 图  1  雨量计布设

    Figure  1.  Instrumentation of rain gauges

    图  2  雨量计日降雨量和次降雨量的相对误差率

    Figure  2.  Relative error of daily and event rainfall measured by rain gauges

    图  3  不同类型雨量计所测雨强频率和降雨比重

    Figure  3.  Frequency and rainfall proportion of rainfall intensity measured by different rain gauges

    表  1  参与比测的雨量计信息

    Table  1.   Information of rain gauges adopted in the intercomparison

    雨量计编号 型号 分辨率/mm 器口高度/m 雨量计类型 生产商 出厂时间
    J01、J02 SL3-1 0.1 0.7 翻斗式 上海气象仪器厂 2018年
    J03、J04 JDZ05 0.5 0.7 翻斗式 江苏南水科技有限公司 2018年
    J05、J06 RG-3 0.2 0.7 翻斗式 ONSET, 美国 2017年
    D01、D02 Parsivel2 0.01 2 光学式 OTT, 德国 2017年
    M01 Pluvio2 0.01 1 称重式 OTT, 德国 2017年
    R01、R02 JQH-1 0.1 0.7 总量式 江苏南水科技有限公司 2017年
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    表  2  2019年监测期内的降雨场次划分

    Table  2.   Rain events during the observing period in 2019

    场次编号 降雨时间(Th1/Th2) 次降雨量/mm
    T01 04-09T09:01/04-09T17:00 5.7
    T02 04-21T11:01/04-23T05:00 13.1
    T03 04-26T09:01/04-26T12:00 2.2
    T04 04-28T16:01/04-29T12:00 16.5
    T05 05-15T18:01/05-15T20:00 1.8
    T06 05-25T10:01/05-26T13:00 63.7
    T07 05-30T08:01/05-31T00:00 7.2
    T08 06-05T23:01/06-06T12:00 28.0
    T09 06-17T18:01/06-18T09:00 22.9
    T10 06-20T07:01/06-21T00:00 23.9
    T11 06-28T22:01/06-29T09:00 12.7
    T12 07-01T17:01/07-01T19:00 10.0
    T13 07-06T17:01/07-07T10:00 17.0
    T14 07-08T22:01/07-09T09:00 2.3
    T15 07-12T11:01/07-13T00:00 18.0
    T16 07-16T08:01/07-17T08:00 0.3
    T17 07-23T12:01/07-26T16:00 17.1
    T18 07-30T13:01/08-02T19:00 56.3
    T19 08-04T14:01/08-04T21:00 11.4
    T20 08-10T07:01/08-11T18:00 25.6
    T21 08-26T17:01/08-29T22:00 16.4
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    表  3  各类雨量计与JQH-1测量次降雨量线性回归系数

    Table  3.   Linear regressed coefficients between event rainfall measured by different rain gauges and JQH-1

    参数 J01 J02 J03 J04 J05 J06 M01 D01 D02
    k 0.964 1.015 0.956 0.938 0.931 0.890 0.973 0.839 0.825
    R2 0.996 0.993 0.997 0.998 0.998 0.995 1.000 0.987 0.994
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    表  4  不同时段最大降雨量统计

    Table  4.   Maximum rainfall in different duration mm

    时长/min J01 J02 J03 J04 J05 J06 M01 D01 D02
    1 3.1 2.9 3.0 3.0 2.4 2.6 2.78 2.47 2.43
    5 13.9 13.9 13.5 13.5 11.2 11.8 13.44 10.62 10.18
    10 24.6 25.0 24.5 23.5 21.6 21.4 23.96 18.44 19.12
    30 43.7 43.9 43.0 42.5 40.2 38.0 43.13 32.92 34.32
    60 45.2 45.5 44.5 43.5 41.6 39.4 44.38 33.10 34.48
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    表  5  次降雨时间特征参数均值

    Table  5.   Means of the characteristic time parameters for rain events

    雨量计编号 开始时间/min 结束时间/min T/h α/%
    J01 0 0 22.5 16.8
    J02 2.8 4.6 22.6 18.8
    J03 33.1 -36.8 21.4 8.7
    J04 40.7 -18.9 21.9 10.0
    J05 0.4 -9.1 21.9 12.1
    J06 2.0 -17.0 21.8 13.6
    M01 -36.0 38.0 23.1 26.6
    D01 -124.1 188.3 26.4 28.3
    D02 -154.9 127.1 25.8 27.2
    注:开始时间和结束时间都是相对J01的开始和结束时间, 负值表示早于J01, 正值表示晚于J01。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 网络出版日期:  2020-04-13
  • 刊出日期:  2020-11-30

基于多类型雨量计的降雨特性分析

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 91647203

    国家自然科学基金资助项目 91847301

    作者简介:

    廖爱民(1985-), 男, 江西赣州人, 博士, 主要从事水文实验、水文地球物理学和同位素水文学等研究。E-mail:seamsun1226@163.com

    通讯作者: 刘九夫, E-mail:jfliu@nhri.cn
  • 中图分类号: P334

摘要: 为提高对降雨特性的认识,选择常用的6种测雨设备(翻斗式SL3-1、JDZ05、RG-3,称重式Pluvio2,雨滴谱仪Parsivel2和非计数式JQH-1),成对布设在南京水利科学研究院滁州水文实验基地的同一个实验场地,同步观测了2019年4月1日至8月31日为期5个月的降雨过程。比测分析得到:在中大雨条件下(日雨量≥ 10 mm),SL3-1和JDZ05测的降雨总量能够满足4%误差控制要求,RG-3、Pluvio2和Parsivel2测的降雨量比JQH-1测值小4%;在小雨条件下(日雨量 < 10 mm),翻斗式和称重式雨量计的测量值小于JQH-1测值的4%;SL3-1、RG-3、Pluvio2、Parsivel2测得雨强≤ 0.1 mm/min的频率大于75%,雨强≤ 0.2 mm/min条件下的雨量累积比重大于50%;Pluvio2和Parsivel2监测的降雨开始时间比SL3-1分别早0.5 h和2 h以上,而结束时间分别晚0.5 h和2 h以上。比测结果有助于研究人员选择合适的测量设备获取所关注的降雨特性。

English Abstract

廖爱民, 刘九夫, 张建云, 王妞, 廖敏涵, 姜广旭. 基于多类型雨量计的降雨特性分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
引用本文: 廖爱民, 刘九夫, 张建云, 王妞, 廖敏涵, 姜广旭. 基于多类型雨量计的降雨特性分析[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
LIAO Aimin, LIU Jiufu, ZHANG Jianyun, WANG Niu, LIAO Minhan, JIANG Guangxu. Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
Citation: LIAO Aimin, LIU Jiufu, ZHANG Jianyun, WANG Niu, LIAO Minhan, JIANG Guangxu. Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
  • 降雨是水循环的关键组成部分, 是干旱、洪水和自然灾害的核心要素[1], 也是气候变暖背景下重点关注的要素[2]。深入认识降雨特性有助于开展径流模拟、土壤侵蚀、气候变化等研究。目前, 越来越多的研究关注降雨特性, 如降雨量[3]、降雨强度[4]、降雨历时[5]、雨滴谱[6]和空间分布[7]等, 并已采用多种设备对以上降雨特性参数进行观测。在精确测量降雨量方面, 主要采用人工测量的标准雨量器[8]和坑式雨量器[9-10];为了自动化计量降雨量, 可使用虹吸式雨量计[11-12]和翻斗式雨量计[13], 其中后者是目前世界上最常用的测雨设备[8], 在国内气象部门常用分辨率为0.1 mm的SL3-1型翻斗式雨量计[14], 水文部门常用0.2 mm或0.5 mm的JDZ型翻斗式雨量计[15-16]。称重式雨量计分辨率能达到0.01 mm, 已开始在一些气象站和水文站进行比测研究[17], 但因造价昂贵, 并受环境影响较大, 目前安装的数量有限。以上雨量计只能对降雨量、降雨强度、降雨历时等宏观特性进行观测, 无法获取降雨过程中的雨滴大小、下落速度和个数等微观特性, 而这些降雨微观特性对雷达反演降雨[18]、土壤侵蚀动能[19]等研究具有重要的作用。

    为获取降雨的微观特性, 各种类型的雨滴谱仪被开发出来, 用于监测降雨的雨滴数据, 如撞击式的Joss-Waldvogel雨滴谱仪[20]和二维视频雨滴谱仪[21-22]、激光式的LNM[23]和Parsivel雨滴谱仪[24-25]。通过雨滴谱仪获取的雨滴信息可以计算出雷达反射率因子、雨强和降雨总量[6]。以雨强和降雨总量作为对比变量, 可对不同雨滴谱仪和雨量计进行比测, 如Tokay等[26]比测了Joss-Waldvogel雨滴谱仪、二维视频雨滴谱仪、Parsivel雨滴谱仪和翻斗式雨量计4种设备, 得到各种雨滴谱仪的优势和不足, Liu等[21-22]比测了Joss-Waldvogel雨滴谱仪、二维视频雨滴谱仪、现时天气侦测器、光学雨量计、称重式雨量计和翻斗式雨量计等设备。各种雨量计(含雨滴谱仪)都只在点上监测降雨量, 难以获取降雨的空间分布, 尤其在地形变化较大的山区。为了解决降雨空间分布问题, 可以采用地面测雨雷达[27]和卫星测雨产品(如GPM和TRMM[28-29])获取降雨的空间分布, 但它们仍需要地面站点降雨信息进行校核来提高测雨精度[1, 30-31]

    综上可知, 降雨设备类型多样, 在水文、气象、农业、环境等领域得到广泛应用, 但目前已开展的比测研究更多的是从降雨总量和雨滴谱方面, 未综合比较采用常用的测雨设备分析降雨特性, 并且参与比测的设备一般都是一种类型布设一个, 缺少代表性。因为不同类型雨量计各有所长, 可以针对不同降雨测量需求进行选择组合雨量计或开发新的降雨测量设备。据此, 本文选择多类型常用的测雨设备, 成对布设在同一个实验场, 进行同步观测天然降雨, 分析不同类型雨量计监测降雨的特性, 如降雨总量、降雨时间、雨强频率和雨量比重, 可增强对降雨特性的认识, 有助于各领域的研究人员选择合适的测量设备获取所关注的降雨特性。

    • 为联合多种类型雨量计同步测量降雨, 在南京水利科学研究院滁州水文实验基地的综合水文气象观测场布设了一个雨量观测场(图 1), 在观测场内布设了6个类型、11个雨量计, 具体情况见表 1。其中, 翻斗式雨量计有3个类型, 包括:① SL3-1型, 分辨率为0.1 mm, 是国内气象部门最常用的一款雨量计;② RG-3型, 分辨率为0.2 mm, 在美国常用、国内进口使用的一款翻斗式雨量计;③ JDZ05型, 分辨率为0.5 mm, 是国内水文部门常用的一款翻斗式雨量计。以上3种翻斗式雨量计都成对布设。同时成对布设2台雨滴谱仪型号为Parsivel2;布设1台称重式雨量计, 型号为Pluvio2, 这两种雨量计是目前国内外常用的类型。以上雨量计为自计式, 都可以实时计量降雨量, 测量时间分辨率为1 min。为了评价以上自计式雨量计的测量准确性, 设置2个非自计式雨量计(后文称雨量器), 雨量器是收集降雨时段总量, 在每天8:00使用配套的量雨筒进行测量, 读数精确到0.1 mm。除了称重式雨量计设置1个, 其他雨量计都成对布设, 这样可以排除单个雨量计的代表性问题。利用以上雨量计同步监测了2019年4月1日至8月31日共5个月的降雨。

      图  1  雨量计布设

      Figure 1.  Instrumentation of rain gauges

      表 1  参与比测的雨量计信息

      Table 1.  Information of rain gauges adopted in the intercomparison

      雨量计编号 型号 分辨率/mm 器口高度/m 雨量计类型 生产商 出厂时间
      J01、J02 SL3-1 0.1 0.7 翻斗式 上海气象仪器厂 2018年
      J03、J04 JDZ05 0.5 0.7 翻斗式 江苏南水科技有限公司 2018年
      J05、J06 RG-3 0.2 0.7 翻斗式 ONSET, 美国 2017年
      D01、D02 Parsivel2 0.01 2 光学式 OTT, 德国 2017年
      M01 Pluvio2 0.01 1 称重式 OTT, 德国 2017年
      R01、R02 JQH-1 0.1 0.7 总量式 江苏南水科技有限公司 2017年
    • 降雨总量包括日降雨量和次降雨量。采用每天8:00到第2天8:00时段内的累加降雨量作为日降雨量, 这与中国水文站业务人工测量降雨相适应, 本文同步设置2个非自计式的雨量器测量每天8:00到第2天8:00的降雨量。目前, 降雨场次划分没有严格的准则, 比如有采用1 h[32]、3 h[33]、6 h[34]、24 h[35], 或者使用最小降雨间歇期[36]。本文采用的降雨场次划分方法分为两步: ①以每天8:00为时间节点, 统计前1天8:00到该时间节点的累积降雨量, 累积降雨量为0 mm的时间段作为分隔点, 划分一级次降雨。采用这种划分降雨场次的依据是中国水文站人工测降水一般都是每天的8:00, 这样便于对比翻斗式雨量计的日降雨量(8:00—8:00)。②以0.1 mm分辨率雨量计记录的降雨系列出现第1次计数所在小时的第1 min作为次降雨开始时间Th 1, 以最后1次计数所在小时最后1 min作为次降雨结束Th2。根据以上次降雨划分方法, 得到监测期内(2019年4月1日至8月31日)的降雨场次为21(见表 2), 总降雨量为372.1 mm。

      表 2  2019年监测期内的降雨场次划分

      Table 2.  Rain events during the observing period in 2019

      场次编号 降雨时间(Th1/Th2) 次降雨量/mm
      T01 04-09T09:01/04-09T17:00 5.7
      T02 04-21T11:01/04-23T05:00 13.1
      T03 04-26T09:01/04-26T12:00 2.2
      T04 04-28T16:01/04-29T12:00 16.5
      T05 05-15T18:01/05-15T20:00 1.8
      T06 05-25T10:01/05-26T13:00 63.7
      T07 05-30T08:01/05-31T00:00 7.2
      T08 06-05T23:01/06-06T12:00 28.0
      T09 06-17T18:01/06-18T09:00 22.9
      T10 06-20T07:01/06-21T00:00 23.9
      T11 06-28T22:01/06-29T09:00 12.7
      T12 07-01T17:01/07-01T19:00 10.0
      T13 07-06T17:01/07-07T10:00 17.0
      T14 07-08T22:01/07-09T09:00 2.3
      T15 07-12T11:01/07-13T00:00 18.0
      T16 07-16T08:01/07-17T08:00 0.3
      T17 07-23T12:01/07-26T16:00 17.1
      T18 07-30T13:01/08-02T19:00 56.3
      T19 08-04T14:01/08-04T21:00 11.4
      T20 08-10T07:01/08-11T18:00 25.6
      T21 08-26T17:01/08-29T22:00 16.4

      为了更好地比较各类型雨量计所测总降雨量的差异, 计算降雨量相对误差率:

      $$\delta=\frac{P_{i}-P_{0}}{P_{0}} \times 100 \% $$ (1)

      式中: Pi为第i种型号雨量计测量的日降雨量或次降雨量, mm;P0取2个雨量器测量的日降雨量或次降雨量的平均值, mm。并以场次的P0与各个雨量计测的场次Pi进行线性回归分析(定截距为0), 得到回归系数k

    • 本文采用日尺度上划分次降雨过程, 利用0.1 mm分辨率雨量计的小时数据确定降雨的开始和结束时间, 即Th1Th2。为了更好地比较不同类型雨量计定量的降雨时长, 对于翻斗式雨量计, 在对[Th1, Th2]时段内的分钟降雨数据内获取第一个和最后一个雨强非零的时刻作为更精确的开始时间和结束时间, 记为T1T2。因为称重式雨量计和雨滴谱仪可以计量0.01 mm及以下的雨强, 导致它们测量的降雨开始时间会超前于Th1, 降雨结束时间可能滞后于Th2。称重式雨量计和雨滴谱仪测量在[Th1-720, Th2+720]范围内分钟降雨数据内获取第一个和最后一个雨强非零的时刻作为更精确的开始时间和结束时间。本文采用精确的开始时间T1、结束时间T2, 次降雨时长T、有效降雨时长Te和有效降雨率α来分析次降雨的时间特性。Te为[T1, T2]范围内非零值的总个数, 单位为min。

      $$T=T_{2}-T_{1} $$ (2)
      $$\alpha=\frac{T_{e}}{T} \times 100 \% $$ (3)
    • 对翻斗式雨量计测得的降雨过程, 采用对应的分辨率雨强为分级步长来统计降雨强度的频率, 称重式雨量计和雨滴谱仪以0.1 mm/min为分级步长来统计各降雨强度的频率pi, 为了更好地适应数据采集频率为1 min的降雨时间系列, 本文雨强单位取mm/min。

      $$p_{i}=\frac{N_{i}}{\sum\limits_{j=1}^{n} N_{j}} \times 100 \% $$ (4)

      式中: Ni为各个雨强在场次降雨中出现的次数。场次降雨内各个级别雨强Ii的降雨量占总雨量的比重为

      $$q_{i}=\frac{N_{i} I_{i}}{\sum\limits_{j=1}^{n}\left(N_{j} I_{j}\right)} \times 100 \% $$ (5)
    • 图 2(a)给出了日降雨量Pd≥10 mm条件下各个雨量计相对雨量器测量值的误差率, 图中蓝色线为±4%的误差控制线。由图 2可知, 在Pd≥10 mm条件下, J01、J02、J03和J04雨量计的相对误差率基本在±4%的误差控制线以内, 说明在中大雨时, SL3-1和JDZ05类型的翻斗式雨量计能够满足误差控制要求。其他雨量计的相对误差率多数在-4%误差控制线以下, 说明RG-3型翻斗式雨量计、称重式雨量计Pluvio2和雨滴谱仪Parsivel2测量的降雨量小于雨量器测值4%, 存在较明显的低测。图 2(b)给出了日降雨量Pd < 10 mm条件下各个雨量计相对雨量器测量值的误差率, 所有翻斗式雨量计(J01—J06)和Pluvio2的测量值基本都小于雨量器测值4%, 存在较明显的低测;但2个雨滴谱仪测的降雨量有部分能达到±4%的误差控制线以内, 说明雨滴谱仪可能更适合测量小雨条件下的降雨量。

      图  2  雨量计日降雨量和次降雨量的相对误差率

      Figure 2.  Relative error of daily and event rainfall measured by rain gauges

      图 2(c)图 2(d)分别给出了次降雨量Pt≥10 mm和Pt < 10 mm条件下各个雨量计相对雨量器测量值的误差率。总体上与日降雨量的分布相类似, 但点据比日降雨量要集中。J02出现异常高估(图 2(a)图 2(c))的原因可能是有些SL3-1型雨量计的分辨率0.1 mm的翻斗可能出现复翻现象, 即在翻动1次过程中因振动产生2次的计数, 从而导致其计量的值偏大。翻斗式雨量计基本是低估了实际降雨, 原因可能包含:翻斗的计量损失;雨量计内部结构的浸润损失;斗内残余雨量损失;因承雨器口低而造成的溅水损失。这些原因会造成翻斗式雨量计测得的降雨量系统性减小。对于称重式雨量计和雨滴谱仪测值偏小, 主要原因是它们可能对微小雨滴捕捉不敏感;另外, 多个大雨滴同时到达雨滴谱仪检测光区而产生重叠效应[24, 26]

      表 3给出各类雨量计与雨量器JQH-1测量次降雨量线性回归系数, 可知翻斗式雨量计的k值大小排序为SL3-1>JDZ05>RG-3, 趋势与相对误差率的分布一致, 说明SL3-1测量的次降雨量与JQH-1最为接近, 其次是JDZ05, 而RG-3偏小。称重式雨量计测量的次降雨量整体略小于JQH-1, k值为0.973, 回归的确认系数接近1.0。2个雨滴谱的k值都小于0.84, 回归的确认系数约为0.99, 说明Parsivel2型雨滴谱仪测的次降雨量要系统小于JQH-1。

      表 3  各类雨量计与JQH-1测量次降雨量线性回归系数

      Table 3.  Linear regressed coefficients between event rainfall measured by different rain gauges and JQH-1

      参数 J01 J02 J03 J04 J05 J06 M01 D01 D02
      k 0.964 1.015 0.956 0.938 0.931 0.890 0.973 0.839 0.825
      R2 0.996 0.993 0.997 0.998 0.998 0.995 1.000 0.987 0.994
    • (1) 时段最大降雨量分析。表 4给出不同雨量计测得不同时段长的最大降雨量, 时段最大降雨量由J01监测得到, 国内的SL3-1和JDZ05型翻斗式雨量计测的1 min最大降雨量相近, 约3 mm, 相差0.2 mm。而国外的雨量计测的1 min最大降雨量都较小, 在2.4~2.8 mm之间。RG-3偏小的可能原因是它的承雨器的器口比较浅, 易发生向外溅水。称重式雨量计偏小的原因可能是其内部算法设置的系数偏小, 需要标定后订正。雨滴谱仪测的最大雨强偏小的原因是大雨强条件下, 大雨滴发生重叠效应导致低测[24, 26]。随着统计时段的增长, 称重式雨量计测的最大雨量与SL3-1和JDZ05型接近, 但RG-3和Parsivel2测值仍明显小于SL3-1和JDZ05型。综上可知, SL3-1和JDZ05型翻斗式雨量计适于降雨极大值的监测, RG-3、Pluvio2和Parsivel2测的降雨极大值偏小, 不符合监测雨强极大值。

      表 4  不同时段最大降雨量统计

      Table 4.  Maximum rainfall in different duration mm

      时长/min J01 J02 J03 J04 J05 J06 M01 D01 D02
      1 3.1 2.9 3.0 3.0 2.4 2.6 2.78 2.47 2.43
      5 13.9 13.9 13.5 13.5 11.2 11.8 13.44 10.62 10.18
      10 24.6 25.0 24.5 23.5 21.6 21.4 23.96 18.44 19.12
      30 43.7 43.9 43.0 42.5 40.2 38.0 43.13 32.92 34.32
      60 45.2 45.5 44.5 43.5 41.6 39.4 44.38 33.10 34.48

      (2) 雨强频率和雨量比重分析。图 3给出了4个类型雨量计监测得到的雨强频率和雨量比重。SL3-1、Pluvio2和Parsivel2都能监测到≤0.1 mm/min的雨强, SL3-1和Pluvio2测得≤0.1 mm/min的雨强频率相近(约75%), Parsivel2的雨强频率(87.7%)远大于前二者;但在雨量比重上, Parsivel2型与SL3-1相近(约42%), Pluvio2较小(约32%)。RG-3的最小雨强示值为0.2 mm/min, 对应雨强频率为73.5%, 雨量比重占61.5%。

      图  3  不同类型雨量计所测雨强频率和降雨比重

      Figure 3.  Frequency and rainfall proportion of rainfall intensity measured by different rain gauges

      SL3-1、Pluvio2、Parsivel2和RG-3的雨强累积频率大于90%对应雨强分别为0.3 mm/min、0.3 mm/min、0.2 mm/min和0.4 mm/min;四者雨量累积比重大于50%对应雨强都是0.2 mm/min, 说明在0.2 mm/min以内, 任何一类雨量计监测的降雨比重都占到一半以上, 故在翻斗式雨量计率定中, 应更加注重在小雨强下的准确性。SL3-1、Pluvio2和RG-3降雨比重大于90%对应雨强相近, 分别为1.7 mm/min、1.6 mm/min和1.6 mm/min, 但Parsivel2偏低, 为1.0 mm/min, 说明雨滴谱仪监测的降雨量会偏低。

      考虑到分辨率达到0.1 mm的雨量计(SL3-1、Pluvio2和Parsivel2), 在≤0.1 mm/min的雨强频率基本都大于75%, ≤0.2 mm/min的雨量累积比重都大于50%, 所以在监测降雨时, 小雨强的精确测量值应重点关注, 并考虑在率定翻斗式雨量计过程中, 将零误差的雨强点定在小雨强位置, 如0.1 mm/min或0.2 mm/min。

    • 表 5给出不同雨量计监测降雨时间特征参数的平均值。由表 5可知, 2个SL3-1型雨量计(J01和J02)的开始结束时间相近, 时间差小于5 min。2个RG-3型雨量计(J05和J06)的开始时间与SL3-1型雨量计相近, 时间差小于5 min, 说明RG-3型雨量计对降雨响应快;但结束时间要早于SL3-1型雨量计, 原因是RG-3型雨量计的翻斗感量(0.2 mm)大于SL3-1型雨量计(0.1 mm)。2个JDZ05型雨量计(J03和J04)的开始时间晚于SL3-1型雨量计30 min以上, 结束时间要早于SL3-1型雨量计18 min以上, 这是由于JDZ05型雨量计的翻斗感量(0.5 mm)远大于SL3-1型雨量计, 导致其在开始时需要积累更多的降雨才开始翻动计数, 在降雨结束时, 因未达到0.5 mm而不会翻动, 表现为降雨提前结束。称重式雨量计M01的开始时间比SL3-1型雨量计早36 min, 这是由于M01的分辨率达到0.01 mm, 在SL3-1型雨量计达到0.1 mm之前已开始计量降雨;M01的结束时间比SL3-1型雨量计晚38 min, 这是由于在降雨结束段, SL3-1型雨量计需要积累到0.1 mm降雨量时才翻动, 而M01还在继续计量低于0.1 mm的降雨。2个雨滴谱仪的开始时间明显早于SL3-1型雨量计120 min以上, 并且结束时间明显晚于SL3-1型雨量计120 min以上, 说明雨滴谱仪能够对降雨前期和末期的细微降雨进行有效监测。

      表 5  次降雨时间特征参数均值

      Table 5.  Means of the characteristic time parameters for rain events

      雨量计编号 开始时间/min 结束时间/min T/h α/%
      J01 0 0 22.5 16.8
      J02 2.8 4.6 22.6 18.8
      J03 33.1 -36.8 21.4 8.7
      J04 40.7 -18.9 21.9 10.0
      J05 0.4 -9.1 21.9 12.1
      J06 2.0 -17.0 21.8 13.6
      M01 -36.0 38.0 23.1 26.6
      D01 -124.1 188.3 26.4 28.3
      D02 -154.9 127.1 25.8 27.2
      注:开始时间和结束时间都是相对J01的开始和结束时间, 负值表示早于J01, 正值表示晚于J01。

      从监测的降雨持续时间可知, 雨滴谱仪的监测值约为26 h, 其次为称重式和SL3-1型翻斗式雨量计, 分别约为23 h和22.5 h, 最短的是RG-3型和JDZ05型雨量计, 为21.4~21.9 h。再从有效降雨率(α)看, 雨滴谱仪和称重式雨量计的α都达到26%以上, 其次为SL3-1型雨量计(16%~19%), 再次为RG-3型雨量计(12%~14%), α最小的为JDZ05型雨量计, 不高于10%。说明随着雨量计的分辨率减小, 雨量监测的时间增长, 有效降雨率也增大。

      随着分辨率的增加, 翻斗式雨量计监测的降雨开始时间滞后, 结束时间提前, 降雨持续时间减小, 有效降雨率也减小。因称重式雨量计和雨滴谱仪的分辨率能达到0.01 mm, 重式雨量计监测的降雨开始时间比翻斗式雨量计早0.5 h以上, 降雨结束时间比翻斗式雨量计晚0.5 h以上;雨滴谱仪监测的降雨开始时间比翻斗式雨量计早2 h以上, 降雨结束时间比翻斗式雨量计晚2 h以上, 相应的降雨持续时间和有效降雨率都大于翻斗式雨量计。

    • (1) 基于多种雨量计同步监测的总降雨量可知, 在中大雨条件下, SL3-1和JDZ05翻斗式雨量计能够满足误差控制要求, RG-3型翻斗式雨量计、称重式雨量计Pluvio2和雨滴谱仪Parsivel2的降雨量小于雨量器测值4%, 存在较明显的低测。在小雨条件下, 所有翻斗式和称重式雨量计的测量值基本都小于雨量器测值4%, 存在较明显的低测;但2个雨滴谱仪测的降雨量有部分能达到±4%的误差控制线以内, 说明雨滴谱仪可能更适合测量小雨条件下的降雨量。

      (2) 在雨强频率和雨量比重方面, 对于分辨率能达到0.1 mm的雨量计(SL3-1、Pluvio2和Parsivel2), 在≤0.1 mm/min的雨强频率基本都大于75%, ≤0.2 mm/min的雨量累积比重都大于50%, SL3-1、Pluvio2和RG-3降雨累积比重大于90%对应雨强相近, 分别为1.7 mm/min、1.6 mm/min和1.6 mm/min, 但Parsivel2偏低, 为1.0 mm/min, 说明雨滴谱仪监测的降雨量会总体偏低。

      (3) 随着分辨率的增加, 翻斗式雨量计监测的降雨开始时间滞后, 结束时间提前, 降雨持续时间减小, 有效降雨率也减小。Pluvio2和Parsivel2监测的降雨开始时间比翻斗式雨量计分别早0.5 h和2 h以上, 而结束时间分别晚0.5 h和2 h以上, 相应的降雨持续时间和有效降雨率大于翻斗式雨量计。

参考文献 (36)

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