短时强降雨条件下SL3-1雨量传感器测量能力试验与误差分析

短时强降雨条件下SL3-1雨量传感器测量能力试验与误差分析

韩啸1，江涛1，郑静瑜1，汪洋1，陈姣荣2，舒怀1

1.湖南省气象技术装备中心 410007   2.岳阳市气象局 414000

摘要：近年来，我国极端强降水天气过程日益增多，目前部分降水天气过程降雨量已超出在用的雨量传感器测量量程，超出部分的数据无法确定是否准确。通过控制ZOGLAB雨量校验仪模拟不同降水强度，收集SL3-1雨量传感器测量数据和模拟雨强数据等试验数据样本，建立误差曲线，揭示形成误差的成因机理，获取误差曲线，可对不同降水强度进行检验和订正，为提高短时强降水条件下雨强订正提供理论支撑。

关键词：短时强降雨；SL3-1雨量传感器；测量能力；误差

引言

在全球气候回暖背景下，我国极端强降水事件呈增多趋势，中国气象局8月4日分布的《中国气候变化蓝皮书（2021）》显示，20世纪90年代后期以来登陆中国台风的平均强度波动增强，气候风险指数呈升高趋势。在2021年河南“7.20”特大暴雨过程中，7月17日20时到20日20时，郑州三天的过程降雨量617.1mm，24小时降雨量达457.5mm，其中20日16-17时降雨量达201.9mm，部分时段部分站点收集的分钟降雨量甚至突破雨量传感器测量量程（4mm/min）达到6mm/min甚至更强。理论上，超出雨量传感器量程，并且未经计量检定，观测数据质量已得不到保证。鉴于现有气象观测设备探测能力的现状，本文根据河南“7.20”特大暴雨事件，思考及分析湖南综合气象观测系统是否能够应对类似极端事件。

湖南省目前监测雨量使用的传感器全部为SL3-1型，量程为4mm/min，开展的计量工作也全部在量程范围内，对超出量程设备是否还能够正常工作，准确性及误差情况等都不知悉，围绕现用业务降水传感器开展模拟大雨试验，掌握设备在极端降水条件下工作性能，为误差订正等提供试验支撑，就显得十分必要。

1.试验设计

通过控制ZOGLAB雨量校验仪模拟不同降水强度，通过导管加入SL3-1雨量传感器漏斗中，获得SL3-1雨量传感器的测量数据，收集模拟雨强和测量雨强得到试验数据样本。

本文利用三套SL3-1雨量传感器和一套ZOGLAB雨量校验仪，分别开展三组雨强和偏差关系实验，共获取了三组试验数据样本，模拟雨强在3.56-6.49mm/min区间内，按0.06mm/min逐步提高，每一套雨量传感器在同一模拟雨强下进行三次测量，获得三次测量数据。对应模拟雨强和测量雨强形成完整的实验数据，分析试验数据离散度及与标准数据偏离度等建立校准曲线，利用最小二乘法拟合建立雨量订正曲线函数。

2.试验结果

各组SL3-1雨量传感器设备在不同模拟雨强数据下对应的雨强测量数据散点图如图1-9所示：

设备1（SL3-1-NO.201707896）：

图1：设备1测量数据1

图2：设备1测量数据2

图3：设备1测量数据3

设备2（SL3-1-NO.201907980）：

图4：设备2测量数据1

图5：设备2测量数据2

图6：设备2测量数据3

设备3（SL3-1-NO.201912111）：

图7：设备3测量数据1

图8：设备3测量数据2

图9：设备3测量数据3

从图1-9所示的雨强测量数据看，SL3-1雨量传感器在雨强小于4.5mm/min时，雨量测量值较准确，偏差在传感器测量精度要求范围内，均≤0.2mm/min。

当4.5mm/min≤雨强≤5.5mm/min时，SL3-1雨量传感器测量偏差随着雨强的增大而增大，且基本呈现线性关系。

当5.5mm/min≤雨强≤6.4mm/min时，SL3-1雨量传感器测量偏差基本不变，偏差在0.5mm/min-0.7mm/min。

当6.4mm/min≤雨强时，SL3-1雨量传感器测量偏差急剧增大，偏差至少1mm/min。

3.试验结果分析

经分析模拟雨强数据和对应雨强测量数据，利用最小二乘法拟合建立雨强超量程时实况测量数据订正分段函数：

假设yCRT为订正后的分钟雨量值，x为雨量传感器实测值,d为偏差值

（1）当4mm/min≤x≤4.5mm/min

yCRT=x

（2）当4.5mm/min≤x≤5.5mm/min

为减小订正函数误差，选取3套设备各3组测量偏差数据平均值作为偏差

x=（4.51，4.58，4.64，4.7，4.76，4.83，4.89，4.95，5.02，5.08，5.14，5.2，5.26，5.33，5.39，5.45）

d=（0.27，0.31，0.30，0.36，0.33，0.34，0.36，0.41，0.40，0.42，0.36，0.41，0.46，0.51，0.46，0.54）

利用EXCEL自动计算拟合函数的方法，得出拟合函数：

所以yCRT=x+d=1.2365x-0.7887

（3）当5.5mm/min≤雨强≤6.4mm/min时

yCRT=x+tcmpt（0.5mm/min≤t

cmpt≤0.7mm/min的任意值）

（4）当雨强≥6.4mm/min时

因无实验数据支持，从有限的几组数据看：当雨强等于6.43mm/min时，3套设备3组测量数据分别为：（0.6，0.6，0.8），（0.7，0.8，0.7），（1.1，1.2，1.1）；当雨强等于6.49mm/min，3套设备3组测量数据分别为：（0.5，0.8，0.7），（0.8，0.7，0.9），（1.1.1，0.9），因此建议拟合函数为：

yCRT=x+tcmpt（建议tcmpt=1mm/min）。

综上：分钟雨强分段订正函数为：

4.小结

本文通过试验掌握了SL3-1雨量传感器测量能力（即最大可测量雨强大小），通过建立雨量误差曲线，获取误差曲线，建立分段雨强订正算法。在实际降水过程中，可根据不同降水强度情况，对SL3-1雨强进行订正，为提高短时强降水条件下雨强订正提供理论支撑，为我省气象预警预报工作提供扎实的装备保障服务。

参考文献

[1]陈龙福, 郑道淮, 蒋文欣,等. SL3-1翻斗式雨量传感器测量不确定度的评定[J]. 海峡科学, 2020(6):3.

[2]刘宗庆, 郑亮, 陈涛. SL3-1型双翻斗雨量传感器测量误差试验分析[J]. 气象科技, 2020, 48(5):5.

[3]黄鹏良, 周自忠, 姚静远,等. SL3-1型双翻斗雨量计测量协调性研究[J]. 水利信息化, 2021.

作者简介：韩啸（1986.05）女，汉族，北京人，本科学历，工程师，从事研究方向或职业：气象装备保障。