自动站降水值误差偏大的成因分析和处理方法

湖南省气象局装备中心   郑丽春

一．问题的提出

自动气象站作为专门用于气象数据的自动采集、计算处理和存储的综合观测仪器，能连续自动测量风向、风速、温度、湿度、气压、降水、地表温度、浅层温度和深层温度等气象要素。自动气象站以遥测化的现代技术取代了原始的人工观测方式。它客观、准确、实时地记录天气要素的变化，目前，在我国气象业务中广泛使用。随着自动气象站观测数据与人工气象站观测数据进入平行观测期，从自动气象站和人工气象站的降水值的对比评估分析中反映出部分台站的降水误差值偏大的情况。存在这种现象的原因可以从以下几方面来考虑和解决。

二．误差的成因分析和处理方法

（一.）由雨量传感器基点定位因素引入的测量误差

要分析自动气象站雨量误差偏大的原因，首先要从自动气象站雨量测量原理和雨量传感器结构上着手分析。

1．雨量传感器结构和测量原理

雨量传感器的结构由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等组成。（见图一）

其工作过程是雨水由承水口汇集，进入上翻斗，上翻斗的作用是使降水强度近似大降水强度，然后进入计量翻斗计量，计量翻斗转动一次为0.1mm降水量，随之雨水由计量翻斗倒入计数翻斗。在计数翻斗的中部装有一块小磁钢，磁钢的上面装有干簧开关，计数翻斗翻转时，与它相关的磁钢对干簧管扫描一次，干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这样，降水量每次达到0.1mm时，就送出一个脉冲信号，采集器存储0.1mm的降水量。

自动气象站雨量的测量原理是由雨量传感器感应雨量的大小转化为干簧管输出的开关信号，经采集器处理后进入计算机，计算机软件按地面观测规范中雨量计算方法计算降水量大小，并按规定格式显示。

图中1.承水器2.网罩3.漏斗4.上翻斗5.汇集漏斗6计数翻斗7.水平泡8.调整六角螺钉9.底盘10.干簧管11.红黑接线柱12.计数翻斗13.容量调节螺钉14定位螺钉15清洗拆卸螺帽16筒身

2.雨量测量误差成因分析

由以上雨量传感器结构和测量原理可知，降水量的测量是通过翻斗的翻动产生电信号得出。设计中，翻斗每翻转一次，定义为0.1mm的降水量。例如：降水量为10mm，计量翻斗应翻转100次。当计量翻斗的翻转次数等于100次时，雨量测量中的降水量为10mm，雨量测量的计量值准确；若计量翻斗的翻转次数大于100次或小于100次时，则表示降水量大于10mm或小于10mm，雨量测量的计量值有误差。这说明计量翻斗翻转次数的多少影响着雨量测量系统的计量准确度。而影响计量翻斗转动次数快慢的是雨量传感器中计量翻斗的基点定位螺钉间的距离。当基点定位螺钉间的距离越大，表明翻斗翻转时的时间长，翻转速度慢，翻转次数少，雨量测量值小。反之，基点定位螺钉间的距离越小，表明翻斗翻转时的时间短，翻转速度快，翻转次数多，雨量测量值多。基点定位调节的准确与否，影响着降水量的计量准确性。从而导致雨量测量的误差。

3.解决方法

对基点定位引入的测量误差，一般具有系统误差的特点。雨量测量误差持续偏大或偏小，但非异常偏大或偏小。这是雨量传感器产生的最普遍的误差成因`。解决这一误差，只需对计量翻斗的定位锣钉进行调节。

调试方法：旋动计量翻斗的两个定位螺钉。旋动螺钉前，先拧松锁紧螺帽，将一个定位螺钉旋动一圈，其差值改变为3%左右；若两个定位螺钉都向外或都向内旋转一圈，其差值变动量为6%左右。

             （仪器自身排水量—计数值）

（例1）        当误差值  =                                   ×100%

                  仪器自身排水量

是-2%时，说明雨量测量系统的测量值比实际降水值大，翻斗翻转次数过多，两个基点定位螺钉的间距过小。处理这种因素产生的误差，具体做法是：将其中的一个定位螺钉往外旋动2/3圈，使两个基点定位螺钉的间距调大，使翻斗翻转次数减少即可。

（仪器自身排水量—计数值）

（例2）        当误差值  =                                   ×100%

                仪器自身排水量

是+6%时，说明雨量测量系统的测量值比实际降水值小，翻斗翻转次数过少，两个基点定位螺钉的间距过大。处理这种因素产生的误差，具体做法：可将两个定位螺钉都向里旋转一圈，使两个基点定位螺钉的间距调小，使翻斗翻转次数增加即可。

为使调节位置准确，在松开定位螺帽前，要在定位螺钉上做位置记号，调节好后，拧紧锁紧螺帽。

（二.）雨量传感器关键元件损坏引入的测量误差

1.   误差成因分析

自动气象站的雨量测量是通过计数翻斗中的磁钢扫描干簧管产生开关信号来产生的。干簧管开关信号发送一次，代表产生了0.1mm的降水量。若干簧管元件失常，发生连击即多发送信号或漏击即少发送信号，均会出现雨量误差异常现象。这种因素产生的雨量误差，多表现为降水量误差值异常偏大或偏小，往往是突发现象。判断这种误差的方法是：用万用表连接雨量传感器输出端，向雨量传感器中注入一定量的降水，观测计数翻斗和万用表，当计数翻斗翻转一次时，万用表有电压信号产生，若干簧管发生连击或漏击，在万用表上会有多个电信号或无信号发生，说明干簧管已损坏。在做雨量传感器检查时，尽量避免整点观测时间。因人为原因造成雨量记录的，可在自动站备注栏中说明；也可在检查时断开雨量传感器与采集器的连接。

2.   处理方法

解决这种因素引入的测量误差是更换干簧管。具体做法：将计数翻斗上的干簧管拧紧螺钉松弛，取下已损坏的干簧管，用正常的干簧管更换上即可。

（三）雨量传感器机械原因引入的测量误差

1.   误差成因分析

雨量的测量是通过上、下翻斗翻动使干簧管产生开关信号，采集器自动累记0.1mm降水量的过程。当上、下翻斗翻转不灵出现阻滞感时，均会导致翻斗翻转的速度改变，而雨量测量的计量是以单位时间内计数翻斗的翻转次数为降水量的累计值的。因而，由这种机械不灵敏引入的测量误差也是自动气象站雨量误差偏大的原因之一。这种因素引起的误差表现为雨量测量值恒定小于实际降水值。故障现象为各翻斗的轴承间距过大或过小，翻斗转动有阻滞感。

2.   处理方法

解决这类因素引入的测量误差，要求台站工作人员保持雨量传感器的清洁卫生。定期（一般一个月）用清水清洗翻斗轴颈和宝石轴承孔（宝石轴承切勿加油）。如清洗不见效，可能是宝石轴承磨损或碎裂所致，可用大头针沿轴承内孔触划，如有阻滞感，即宝石磨损，应更新轴承部件。如翻斗轴损坏，则更新翻斗轴。

（四）因维护保养不及时引入的测量误差

1.   误差成因分析

自动气象站与人工气象站比较，地面要素的感应元件除雨量传感器外均由机械式元器件转变成电子元器件，信号输出由机械放大转为电信号放大输出。将原始的机械记录转化成计算机自动采集存储。这使自动气象站能更客观、实时地反映天气要素的变化。但在目前的自动气象站中，雨量传感器仍沿用翻斗式传感器，翻斗中的机械构成部分会引入测量方法的误差。因此对翻斗雨量传感器的维护保养是使雨量准确性得以保证的基础。若不加以维护造成进出水管道堵塞，尤其节流管不畅通，或翻斗翻动不灵敏，均会造成测量误差。这种因素引入的测量误差，会使自动气象站的雨量测量值偏小于实际降水值。

2.   处理方法

解决这种误差的方法是台站人员应每个月至少一次清理过滤网上的尘沙、小虫等以防堵塞管道，特别要注意保持节流管畅通。无雨或少雨季节，可将承水器加盖，但注意在降水前及时打开。翻斗内壁禁止用手或其它物体抹试，以免沾上油污。当久旱后进入第一场大雨前，台站观测人员应进行雨量传感器的检查。

具体做法：向雨量承水器注入一定量的水（一般为60~70mm），观测自动气象站雨量示值与实际注入水的值是否一致。若不一致，则应检查原因，排除故障，同时，及时调节基点定位螺丝。（方法如前所述）避免因维护不妥引入测量误差。

三．结束语

本文以双翻斗雨量传感器为例分析自动气象站降水测量值的误差成因分析和处理方法。对单翻斗雨量传感器而言，其工作以来原理和主要结构都类似，处理方法可参照双翻斗雨量传感器进行。自动气象站降水测量值的误差成因分析和处理方法是本人长期从事气象仪器计量检定工作的一些体会。如何保证自动气象站各要素测量值的客观性、准确性，使自动气象站在气象观测业务中发挥应有的作用，保障自动气象站正常、准确的运行，这是每一位气象工作者的期望，也是每一位业务人员、技术人员应尽的职责。希望大家在实际工作中多思考和摸索，以求更好的解决方法，使自动气象站的降水值更加客观、准确地反映天气实况。