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1、 横向雨量器的设计及由风引起的降水测量误差订正黎明琴 任芝花 邹耀芳?中国气象科学研究院?北京? ?提 要该文提出了横向雨量器的设计原理经?个站?年? ? ?万多次的坑式雨量器!台站雨量器和横向雨量器的对比观测?证实降水量测量的绝对差值与横向降水量呈一元幂函数关系?相关系数达? ? ? 在现行的台站观测业务中?只要增加横向雨量器的并行观测?就可对台站雨量器测量的降水量?包括雪量?实施订正订正后的精度接近于坑式雨量器的测量精度订正方法简便易行?可应用于业务观测关键词?横向雨量器 降水量 订正引 言?世纪中叶?人们发现雨量器安装高度不同测得的值不一样?后来认识到?这是由于 自然风场受高出于地面的雨
2、量器的干扰而变形所造成的?这一误差称之为风场变形误差一般认为?由于风场变形?普通雨量器对雨和雪的收集率分别偏少? ? ? ?和? ? ? ?为了消除这一误差?最初人们把注意力集中在研制各种各样的防风圈上?但 最终未能把问题解决之后找到了坑式雨量器?它能收集到最大的降水量?但由于坑内积水不易排出和观测不便?加之解决不了测雪中的吹雪问题?因此坑式雨量器未能应用于台站业务?而只能用它来作为对比标准后来人们又把注意力投放在降水资料的订正上国际气象组织和国际水文科学协会从?年开始先后组织过多次雨量器的国际对比?以便找到降水资料的订正方法在订正方法的研究上?经过各国的共同努力?虽然取得了可喜的进展?但由于
3、引起风场变形误差的作用机制复杂?至今未能开发出适合于业务订正的方法在雪量测量上?目前的测雪仪器均不理想本文从分析风场变形误差的物理机制出发?得出风场变形误差与横向降水量相关?并设计出了用来测量横向降水量的横向雨量器经全国不同地理气候的?个站?年对比观测?证实了降水量测量的绝对差值与横向降水量相关?且相关系数很高? 横向降水量和横向雨量器的设计从大气中降落到地面的各种液态或固态的水粒子在其降落的过程中具有矢量的特第?卷?期 ?年?月 应 用 气 象 学 报 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本项目得到中国气象局资助?并于?年开始实施?2?2?收到? ?2?
4、2?收到修改稿征?用矢量?的方向表示水粒子的降落方向?矢量?的长度表示水粒子的水量?如图? 我们称矢量?的水平分量?在降水方向上的投影大小为横向降水 量?用式表达为?图? 水粒子的矢量图 ? ?#? ? ? #? ? ? 式中为水粒子的降水角度同样?我们称垂直分量?在降水方向上的投影大小为纵向降水量?用式表达为 ? ?#? ? ? #? ? ?由式?和式?可得 ? ? ? 式?表明?水粒子的降水量为横向降水量与纵向降水量之和实际降水中?降水是由形状!大小各异的水粒子组成?降水角度各不相同?并随时间变 化而变化?因此具有普遍意义的公式应为 = ?= = ?+ = ?式中 = ?为降水量, = ?
5、为横向降水量, = ?为纵向降水量从式?可以看出?降水量为横向降水量与纵向降水量之和 我们称一个能够测量横向降水量的仪器为横向雨量器横向雨量器所收集到的水量应为 = ?= = ? ? ?(?)由于水粒子的大小!形状各异,加上自然界的风向和风速随时都在发生变化,因此各水粒子的降落方向和降落角度不但不同时刻不会一样,即令同一时刻也不会一样,这就要求雨量器能同时接收来自全方位(? ?)和不同降水角度(? ?)的水粒子 如果能设计出一种仪器,这种仪器收集降水面积随着横向降水量占整个降水量的比例的变化而变化,对每一特定的降水角度,且能满足 ?仪器的接水面积 普通雨量器的器口面积?该降水角度的横向降水量
6、该降水角度的降水量? ? ? ? ? ? ? ? ?进而在降水角度? ?的范围内?上式也能成立?那这种仪器就是我们所要设计的 横向雨量器要能够设计出一个完全满足方程?的仪器是非常困难的?但我们却可以近 似地做到?这只要在普通雨量器收集口的上方的某一高度上安上一个一定尺寸大小的圆 形遮雨板?如图? ?就能达到我们的设计目的 图?中的为普通雨量器的器口半径, ?为遮雨板的半径, ?为遮雨板的尺寸 系数, ?为遮雨板离普通雨量器器口的高度, ?为遮雨板的安装高度系数通过计算图?投影圆中圆非黑影部分的面积与圆面积的比值?我们可以得到下?期 黎明琴等?横向雨量器的设计及由风引起的降水测量误差订正 图?
7、横向雨量器? ?及其投影计算图? ?列方程? ? ? ?( ? ?)( ? ? ?)( ? ? ?#? ?)(?)其中 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中为有遮雨板时,仪器的接水面积(即圆非黑影部分的面积)与普通雨量器的器口面积(即圆的面积)之比值通过求取积分?| | ?的最小值,就可以求得?!?系数的最佳组合图? 横向雨量器的理论设计线(虚线)与实际设计线?实线?图中? !? !? !? !? !?线的?!?值分别为(? .? ,? .?) !(? .? ,? .?) !(? .
8、? ,? .?) !(? .? ,? .?) !(? .? ,? .?) !(? .? ,? .?) ,为降水角度?图?给出了与的关系曲线组?实线?和与的关系曲线?虚线? 表?给出了在 确定?值时的最佳?值?应 用 气 象 学 报 ?卷 表1 确定1值时的最佳2值表? .? .? .? .? .? .? .? .? .? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?误差? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 风场变形的物理机制雨量器的风洞实验表明?雨量器收集口上方处的风速明显地高于其它地方的风速在收集口上方的同一高度上?收集
9、口上方处的下风方向的风速又比上风方向的风速大?两者绝对差值随着风速的增大而增大?图? 雨量器收集口上方处的这一不对称的变形风场是造成雨量器收集率偏少的原因图? 雨量器风洞试验图?图中曲线中的数字为风速的百分增量?是距雨量器的器口高度?由于在高出于地面的雨量器的器口上方?下风方向的风速要比上风方向的大?对同样 大小的水粒子而言?下风方向的水粒子的降落角度比上风方向的大?因而?在雨量器收集 口处?水粒子的降落迹线形似喇叭口由于迹线发散?雨量器器口上方的水粒子密度比其 它地方的要稀?故而高出于地面的雨量器所收集到的降水量和与地面齐平的雨量器相比 其收集量要少风速越大?水粒子越小?则雨量器上方的水粒子
10、迹线愈发散?雨量器所收 集的降水量越少?即由风场变形所引起的误差越大从式?可知?横向降水量与降水量的比值是水粒子降落角度的函数风速越大?水 粒子越小?则降水角度愈大?横向降水量所占比例也愈大由于降水量测量的绝对差值与 降水量的比值也取决于风速与水粒子的大小?且风速越大?水粒子越小?这个比值也越大? 故横向降水量与降水量测量的绝对差值存在着某种确定关系?这一关系可以通过实验对 比求得? 降水量测量的绝对差值与横向降水量的实验关系为了确定风场变形误差与横向降水量的相关关系?我们在不同的气候区域和不同的?期 黎明琴等?横向雨量器的设计及由风引起的降水测量误差订正 海拔高度上组建了?个实验对比站这些站
11、址分布在? ? ? ?的广大区域?各站海拔高度差异很大?最低的? ? ? ? ?最高的? ? ? ? 各站的年 平均气温!年平均风速和年平均降水量均有很大差异对比实验站的仪器是这样设置的?台坑式雨量器? ?台台站雨量器? ?台横向雨量器各仪器间的安装距离均为? ? ? ?台雨量器的器口面积均为? ? ?台站雨量器与横向雨量器的安装高度同为? ? ? 表?中的最佳值是假定降水角度均匀地发生在? ?的范围内求得的?考虑到我国的降水角度多数情况是在? ?的范围内发生的?我们采用横向雨量器遮雨板的尺寸系数? ? .? ,遮雨板的安装高度系数? ? ? ? 此设计满足降水角度为?时?横向雨量器测定的横向
12、降水量没有误差坑式雨量器的防溅网采用标准设计用坑式雨量器作为对比标准?以它的测值作为降水量的真值用横向雨量器测定横向降水量由于降水量在空间分布上是随机性较大的气象要素?这种空间分布的不均匀性?会使得安装在不同地点的雨量器带来采样差?另外还存在着其它测量随机差?为了确定随机性的大小?故安装了两台同样型式的台站雨量器?用两台台站雨量器的测量差值来确定降水测量中的随机差用两台台站雨量器的测值的平均值作为台站雨量器的测值在有吹雪出现时?坑式雨量器所收集到的雪量往往很大部分是由吹雪引起的?这是一个伪误差?在作统计时?必须予以剔除由人工和其它原因所造成的伪误差也应予以剔除对比实验从?年开始?资料统计到?年
13、底?历时?年整个试验期间?有降水测次?次其中由于坑内积水排不出造成坑式雨量器缺测?次? ?测次无横向降水量?总缺测率为? ? ? ? 取得完整对比测次?次?剔除雨的伪误差?测次?雪?测次?雨和雪实际有效对比测次分别为?次和?次?合计?测次就降 水日而言?雨和雪的有效对比降水日分别为?日和?日?合计?日为了滤除随机差的影响?我们用分段平均值来求相关区间的大小要根据每区间段内原始样本数的多少来决定每区间段内的原始样本数越多?区间段越多?所求取的相关关系越能反映实际因为雨和雪为不同形态的降水?故分别进行统计为了比较按测次统计与按日统计的优劣?还分别进行了按测次统计与按日统计从?个站的统计结果看?不管
14、是雪还是雨?不管是按测次统计还是按日统计?降水量的测量差值都明显地与横向降水量相关在各种一元函数的相关统计中?以下列幂函数的相关系数为最高? ? ?式中为降水量测量的绝对差值? ?为横向降水量? 表2 降水测量差值与横向降水量的关系式( = )的系数值按测次统计 按日统计 雨? .? .? .? .? .? .?雪? .? .? .? .? .? .?表?列出了由对比试验得出的雨量器口径为? ? ?!安装高度? ? ?时的 !值!?应 用 气 象 学 报 ?卷 样本数及相关系数图?给出了式?的关系曲线不同口径和不同安装高度的雨量器的 !值应通过实测对比确定从表?可知?降水量的测量差值与横向降水量呈幂函数相关?其相关系数为? ? ? ?采 样次数越多?相关系数越高雪的相关曲线的斜率比雨的要大?故雨和雪的测量要按不同的系数进行订正从
