引言

为了了解各仪器间测量的差异、测量误差或为了新型仪器的推广应用，有关部门曾多次组织实施有关气象仪器的对比试验工作^[1-8]。其中，为了了解我国台站雨量器降水测量误差，探索其订正方法，1980年代末，中科院兰州冰川冻土研究所的杨大庆等^[4-5]在天山乌鲁木齐河源地区进行了为期2年的降水测量对比试验研究。1990年代中国气象局的黎明琴、任芝花等^[6-8]利用坑式雨量器作为降水测量标准在全国30个气候站进行了降水测量误差及其订正的试验研究。2006年中国气象局首次利用DIFR作为降水测量的标准，在大西沟、长春、通河气象站进行为期近1年的固态降水测量对比试验，主要目的为实现国内固态降水测量的自动化而进行仪器选型，同时了解我国降水测量与国际标准仪器间降水测量的差异。本文介绍了2006年降水测量对比试验及其主要结果。

1 对比试验介绍 1.1 试验台站气候状况介绍

对比试验在长春、通河、大西沟三气象站进行。长春国家基准气候站位于东北平原吉林省中部，周边地形空旷平坦，年平均气温5.7℃，年平均降水量570.4mm，年平均风速3.9m·s^-1。通河气象站位于黑龙江省中部，小兴安岭南麓, 松花江北岸，地势冲积平原，周边地形空旷平坦，年平均气温2.6℃，年平均降水量603.2mm，年平均风速3.8m·s^-1。大西沟气象站位于天山北坡天格尔冰峰山腰，四周有六条U型山谷和六座冰川，周围高山环抱，山高出本站约300米以上，年平均气温-5.2℃，年平均降水量453.4 mm年，平均风速3.0m·s^-1。

1.2 仪器安装及观测方法

降水对比试验中，每个试验台站均安装12台降水测量仪器。其中5台用于人工观测的普通雨量器，7台用于降水自动测量的雨量计。

5台雨量器收集的降水量每6小时人工定时观测1次。雨量器均为口径20cm的普通雨量器，其中1台按照WMO推荐的固态降水测量标准安装(称为DIFR雨量器)。DIFR雨量器安装高度为300cm，除了在雨量器本身加内径120cm的防风圈外，还有两个同心等边八角形的栅栏防护物。外围的栅栏边长为4.6m，内切圆周直径12.0m，栅栏上边缘距离地面高3.5m。内部栅栏边长为1.6m，内切圆周直径4.0m，栅栏上边缘距离地面高3.0 m。其余4台雨量器安装高度均为70cm，其中2台雨量器在试验场内没有防风措施，2台加有内径120cm的防风圈。

7台雨量计每分钟采样1次，其特点及在台站的安装状况见表 1。表中降水测量仪CSYT-400、VRG101和HYA-SR均为称重式仪器。这种仪器利用一个弹簧装置或一个重量平衡系统，将储水器连同其中积存的降水的总重量作连续记录, 所有降水，包括固体和液体形式，在其降落时就记录下来。因为对固体降水在记录前不要求融化，因此称重式降水仪特别适用于记录雪、冰雹、雨夹雪等, 但该种仪器必须有防蒸发措施。降水测量仪ARS-Ⅱ、ZQZ-DG1、SL2-2均为加热翻斗式测量仪器。此种仪器在盛水器内壁和排水口处，设置加热装置，当为固态降水时，保证使落下的固态降水融化后进入翻斗计数，其原理同翻斗雨量计。但加热可能会导致融雪蒸发，造成额外损失。DSC-1J降水测量仪为激光降水仪，该仪器通过降水粒子对光信号的衰减，测量降水粒子的大小、密度、降水类型和粒子光谱，从而利用光学反演的方法进行降水测量。

每个试验站在观测场附近选择两块试验场地，两块场地间相距11米以上。其中一块场地安装DFIR雨量器。在另一块场地中，7台固态降水自动化观测仪器和4台人工雨量器安装在直径16米的圆周上，相邻仪器间相距约4m左右(见图 1)。

1.3 试验数据及处理

长春站对比观测时间为2006年1月至2006年12月，通河站和大西沟站对比观测时间为2006年1月至2006年11月。

当人工某次观测有降水，而自动仪器在该次观测的降水时间段内却出现分钟数据缺测现象，则该次对比观测中，自动仪器的降水累计量缺测，不参加对比统计。另外，当某自动测量仪器的6小时降水累计量与标准仪器(DIFR)间测量差值≥5.0mm时，作为粗大差值不参加统计。各雨量器的人工观测次数以及相对于人工观测，各自动雨量计的有效降水观测次数见表 2。

2 试验结果与分析 2.1 各雨量器间的降水捕捉率

在数据统计过程中，用A代表无防风圈的2台雨量器收集量的平均值，B代表有防风圈的2台雨量器收集量的平均值。在整个试验期间，各种雨量器测量的降雪量和降雨量如表 3所示，捕捉率如表 4所示。A、B、DIFR实际代表相同的雨量器采取不同的防风措施而收集的降水量。

对于降雪测量，DIFR雨量器收集量最大，其次为装有防风圈的B雨量器，没有任何防风措施的雨量器A收集量最小。其中，A雨量器相对于B雨量器的捕捉率为81%~93%，相对于DIFR雨量器的捕捉率为71%~83%，B雨量器相对于DIFR雨量器的捕捉率为89%~93%。由此说明，对于降雪测量，DIFR的防风效果最好，其次为单层防风圈，两者防风效果明显。

对于降雨测量，A、B、DIFR雨量器之间的差异不明显，收集量相近。安装高度均为70cm的雨量器中，未有防风措施的雨量器A始终比带有防风圈的雨量器B收集率略低，低约1%~3%，说明对于相同安装高度的普通雨量器来讲，加防风圈有一定的防风效果。安装高度均为70cm的雨量器无论是否有防风措施，其收集率与安装高度300cm的DIFR雨量器比，则相近或略大。由此说明，对于降雨测量，DIFR的防风效果不明显。

2.2 各雨量器间的捕捉率与风速的关系

台站观测的风速为距离地面约10m高处的风速，在不考虑雨量器周围障碍物的情况下，经公式(1)转换成距离地面0.7m处的风速，与A、B雨量器高度相同。人工每次观测中，降水时间段内的平均风速由0.7m高处的分钟风速平均而得。由于大西沟站无分钟风速资料，因此仅对长春站和通河站的降水捕捉率与风速关系进行统计分析。表 5统计了0.7m高处，不同风速范围内雨量器A相对于雨量器B的捕捉率、雨量器A相对于DIFR的捕捉率、雨量器B相对于DIFR的捕捉率以及DIFR收集的降水量。某类风速下，当DIFR累计降水量小于2.0mm时不进行相关统计。

风速转换公式^[9]：

$ {U_{\text{h}}} = {U_{\text{H}}}\left[ {\log \left( {h/{z_0}} \right)} \right]/\left[ {\log \left( {H/{z_0}} \right)} \right] $

(1)

式(1)中H：风速传感器距离地面的高度

h：雨量器口距地面的高度

z₀：地面粗燥度(冬季取0.01m；春季至秋季取0.03m)

U_h：雨量器口的风速

U_H：风速传感器测量的风速。

由表 5可见，对于降雪测量，不同风速下，捕捉率大小不同，差异明显。而对于降雨测量，不同风速下，捕捉率大小相近，差异不明显。说明风速对降雪测量比对降雨测量影响显著。通河站各降雪捕捉率随风速增大呈较明显的降低状态，长春站各降雪捕捉率随风速增大处于波动状态。

2.3 各自动雨量计的捕捉率

各自动雨量计相对于DIFR雨量器的捕捉率见表 6。3种翻斗式雨量计ASR-Ⅱ、ZQZ-DG1、SL2-2无论是否具有防风措施，其降雪捕捉率偏低，远低于表 4中A和B雨量器相对于DIFR的捕捉率，偏低约20~50%。ASR-Ⅱ、ZQZ-DG1雨量计降雨捕捉率与表 4中A和B雨量器捕捉率相近，SL2-2雨量计在大西沟站降雨捕捉率偏大，这与其采集软件不完善，导致输出数据异常有关。从捕捉率角度比较，3种翻斗式雨量计降雪捕捉率太低，降雨捕捉率与普通雨量器相当。翻斗式雨量计降雪捕捉率太低，与其加热导致融雪蒸发，造成额外损失有关外，在现场试验过程中，主要表现为，翻斗式雨量计在各试验站出现不同程度的翻斗结冰而导致降雪无记录现象。其中，整个试验期间，3种翻斗式雨量计在大西沟站均出现200多次翻斗结冰现象。因此，翻斗式雨量计虽适合降雨测量，但不适合降雪期较长的台站进行降雪测量。

激光式雨量计DSC-1J在长春站测量的降雪捕捉率仅为15%，在大西沟站无论是测雪还是测雨捕捉率均很高，这与其采集软件不完善，导致输出数据异常有关。另外，在长春和通河站降雨捕捉率远低于台站雨量器捕捉率。因此从3站整体试验结果可见，DSC-1J雨量计用于业务上的降水量测量，条件不够成熟。

3种秤重式雨量计CSYT-400、VRG101和HYA-SR都具有防风措施。在大西沟站整个试验期间HYA-SR测量的数据均异常，基本不能用，VRG101雨量计从5月份开始数据异常。因此VRG101和HYA-SR雨量计在大西沟站的降雪和降雨捕捉率比同具有防风措施的B雨量器异常偏大。HYA-SR在大西沟站降雪测量数据与DIFR测量值呈负相关，VRG101在大西沟站降雪测量数据与DIFR测量值虽然呈正相关，但是有2.2mm的截距系数。CSYT-400雨量计在大西沟站的降雪捕捉率比A雨量器略高，比B雨量器偏小18%。CSYT-400和VRG101雨量计在长春站和通河站降雪捕捉率与B雨量器相当或略高；HYA-SR雨量计在长春站和通河站降雪捕捉率约为50%，远低于同具有防风措施的B雨量器捕捉率，偏低30%以上。3种秤重式雨量计在数据基本正常的情况下，其降雨捕捉率在92%以上，比翻斗式雨量计和台站雨量器略低。

3 结论及建议

(1) 同一类型但安装方式不同的台站雨量器中，安装高度为300cm的DIFR雨量器和安装高度为70cm且有单层防风圈的雨量器相对于安装高度70cm、未有任何防风措施的雨量器，其防风效果如下：对于降雪测量，DIFR雨量器防风效果最好，其次为安装高度为70cm且有单层防风圈的雨量器，两者防风效果明显；对于降雨测量，安装高度为70cm的雨量器，加单层防风圈具有一定的防风效果，但DIFR的防风效果不明显。

(2) 风速对降雪测量比对降雨测量影响显著。对于降雪测量，不同风速下，雨量器捕捉率大小不同，差异明显。而对于降雨测量，不同风速下，捕捉率大小相近，差异不明显。

(3) 翻斗式雨量计降雪捕捉率太低，降雨捕捉率与普通雨量器相当。秤重式雨量计在数据基本正常的情况下，降雪捕捉率比翻斗式雨量计高，降雨捕捉率比翻斗式雨量计略低。

(4) 从捕捉率的角度考虑，翻斗式雨量计适合降雨测量，但不适合降雪期较长的台站进行降雪测量。DSC-1J激光式雨量计用于业务上的降水量测量，条件不够成熟。3种秤重式雨量计中，CSYT-400雨量计在3个试验站中均表现出测雪和测雨效果较好。

对于业务上的降水自动化观测，建议无降雪或降雪期较短的台站，采用翻斗式雨量计进行常年降水自动观测；对于降雪期或结冰期较长的台站，可考虑用进一步完善后的CSYT-400秤重式雨量计进行常年降水自动观测。另外，我国从1949年至今，业务上使用的主要是收集口口径20cm、安装高度70cm的普通雨量器，建议业务上用于降水自动化观测的雨量计尽可能与普通雨量器保持相同的口径及安装高度，以降低降水资料的非均一性，尽可能保证降水历史资料的连续使用。