遥测系统雨量观测误差分析与仪器选型

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1、遥测系统雨量观测误差分析与仪器选型1引言　　20世纪80年代研制成功的翻斗式雨量计，由于其结构简单和易于把降雨量转换成电信号输出，为无线遥测提供了方便。目前接入遥测系统的雨量计几乎全部采用了翻斗式。雨量传感器的灵敏度和测量精度是翻斗式雨量计固有的矛盾，这就要求遥测系统设计时，应根据不同的需求状况，对雨量传感器合理选型，以保证测量精度和提高测报系统的整体效益。　　2翻斗雨量计的性能指标及雨量观测误差分析　　翻斗雨量计的性能指标　　翻斗式雨量传感器可分为筒身、翻斗、底座等几个主要部件。双翻斗雨量传感器的结构与单翻斗类似，只是多了一层翻斗。翻斗式雨量计三个重要的性能指标是：分辨力、测

2、量精度、最大可测雨强。　　一般认为只要有了高灵敏度翻斗就可以得到高测量精度，这是不全面的。分辨力指最小可测量单位，有、、、等。测量精度指可保证的测量误差范围，该性能指标不仅与雨量计的分辨力和结构有关，而且与测量的条件有关。测量精度是在选型时必须慎重考虑的重要指标。　　除了高分辨力的雨量筒，之所以出现其他多种较低灵敏度的雨量筒，是由于高灵敏度的雨量筒引起大量低测量精度的结果。雨量计采集器为半径100mm的圆形接雨口，雨量的重量为：××102=克。翻斗动作就依靠这克的重力在转臂上产生的力矩克服摩擦力来完成的。排除接雨口安装水平问题，则误差首先来自两个斗的一致性和转轴与转轴摩擦系数的

3、不稳定性，两者都是制造工艺问题，因此有些厂家采用红宝石轴承来减小摩擦系数，提高摩擦系数的稳定性。但当雨强较大时，误差就不一样了，主要来自以下几点：①翻斗承接的不仅是雨滴的重量，还有它的动量。当雨势较大时，雨滴以柱形注入翻斗，这时动量值较大，雨量的增加又较快，在快要达到克时，动量也产生了作用，使翻斗提前动作，总计数明显增加，测量精度降低。②由于水是翻斗的浸润液体，具有一定的表面张力，因此翻斗在泼水时，不可能全部泼干净。当雨强较小时，翻斗倾斜时间长，滴水时间长，甚至还可以自然蒸发干；而当雨强较大时，几乎没有静态滴水时间，部分由于表面张力而浸润在翻斗表面上的水又被下一计量作为初值而累

4、计，使测量值明显大于实际值。　　雨势较大时自动雨量计测值偏大的问题，主要是灵敏度翻斗测量雨量系统固有的问题，因此派生出各种不同灵敏度的翻斗雨量计。　　雨量观测误差分析　　用雨量计观测降水量，由于受观测环境、气候、仪器性能、安装高度、记录方式和人为因素等影响，降水量观测值存在着系统误差和随机误差。　　翻斗式雨量计计量误差　　翻斗式雨量计计量误差有翻斗误差、风力误差、溅水误差、蒸发误差、沾水误差、仪器误差等方面。误差的主要来源是翻斗误差、风力误差。　　1）翻斗误差　　当翻斗内盛积的水量达到起动值W1时，翻斗就要翻转，倾倒积水。但每翻转一次倾倒出的水量θ为：θ=W1-q+ΔW。式中，

5、q为倒水后在斗内残存的水量，ΔW为翻斗从开始翻转到中间隔板越过中心线这段时间继续进入斗内的水量。翻斗在翻转过程中的进水量受降水强度h的影响，即：ΔW=h·Δt。Δt是翻斗从起动到中间隔板越过中心线的时间，是由翻斗材料、翻斗质量等制约的仪器常数。采用轻质木料，薄的斗壁，可使翻斗的转动惯量减小，从而可缩短Δt，以减小误差。据实验，Δt约为～。由于自然降水强度h是随机变量，因而ΔW也时大时小，从而影响每斗倾倒的水量θ，由此可带来较大的测量误差。　　2）风力误差　　在观测场环境合乎降水量观测要求的条件下，风力误差主要因高出地面安装的雨量器，在有风时阻碍空气流动，引起风场变形，在器口形成

6、涡流和上升气流，器口上方风速增大，使降水迹线偏离，导致仪器承接的降水量系统偏小。另外，降雨时如果有大风存在，强风则将雨柱由垂线改为斜线，使承雨器口的有效面积减小，从而使收集到的降水及测得的降水量也就减小。所以，应在雨量器的周围安置适当的防风罩，以提高测量准确度。　　风力误差是降水量观测系统误差的主要来源，一般可使年降雨量偏小2%～10%。　　雨日观测误差　　测量降雨量不仅需要知道某一时段的降雨总量，还应该知道降雨随时间变化的全部过程，从而推求降雨强度，或记录雨日资料。　　翻斗式雨量计记录的降水过程，就其本质上说是呈间歇性的，这是由仪器工作原理所决定的。当降水很小时，仪器记录的降

7、雨起始时间往往推迟，而降雨结束时间往往提前。若降雨量达不到使计量翻斗翻转一次所需要的水量，翻斗雨量计的输出就为零，即存在阈值误差。　　这一局限性也是一切以脉冲信号传输方式为基础的雨量计共有的局限性，是很难克服的。对于需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站，尤其应该注意采取一定的措施解决这一问题。　　其他误差　　水文自动测报系统雨量的遥测，除有上述系统性误差和的一般性随机观测误差外，还有以下几个方面的误差：一是通信传输设备的系统时钟不准，导致记录时间误差；二是信号接收误差，这类误差通常由信号接收