第6章降水测量(郑)

117第6章降水测量6.1概述本章描述了众所周知的在地面站测量降水的方法。本章不讨论那些试图定义降水结构和特征的测量，也不讨论那些需要专门装备的不是标准气象观测的测量（例如雨滴的尺度分布）。雷达和卫星的降水测量，以及在海上的降水测量分述于别的几章中。有关降水测量的信息也可参阅WMO（1994a），其中对积雪的测量给予了尤其详尽的描述。代表性在降水测量中是特别尖锐的问题。降水测量对仪器的安置、风和地形等都非常敏感，而描述测量环境历史沿革的资料对降水资料的用户是至为重要的。如果在站网中使用相同的雨量器和相同的场地标准，那么，对降水资料的分析就会变得更容易和更可靠。这一点在设计站网时应当是主要的考虑因素。6.1.1定义降水是从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态的水汽凝结物，包括：雨、雹、雪、露、雾凇、白霜和雾降水。在一段时间内降落到地面的降水总量，用降水所覆盖的水平地表面的垂直深度来表示（固态降水用水的当量），降雪也可用覆盖在平坦水平表面上的新雪深度来表示。6.1.2单位和标尺降水的单位是长度单位。对液态降水通常以毫米为单位。日降水量应当读到0.2mm，最好读到0.1mm。周和月的降水总量，至少应精确到1mm。日降水量的测量应定时进行。少于0.2mm的降水通常作为微量降水。降水率的单位用单位时间内的长度表示，通常为mm.hr-1。降雪测量以厘米及其十分位为单位，读到0.2cm。少于0.2cm的降雪通常作为微量降雪。每日地面雪深的测量读到厘米的整数位。6.1.3气象要求第1章对降水测量的准确度、范围和分辨率提出了要求，并规定5%为可达到的准确度（置信度为95%）。就天气和气候应用来说，一般观测时次是每小时、每3小时和每日。对于某些应用，要在非常短的时间去测量非常强的降水速率，就要求非常大的时间分辨率。对于某些应用，可使用观测间隔为数周和数月的储水式雨量器。6.1.4测量方法6.1.4.1仪器雨量器是测量降水最常用的仪器，通常是一个有垂直周边的开口承水器，承水器为正圆筒，如主要用来测雨，需用一个漏斗与之连接。各个国家所使用雨量器受水口的形状、尺寸以及雨量筒的高度，各不相同，因此，其测量值不具有严格的可比性。对收集到的降水要进行体积或重量测量，重量测量特别适合于固体降水。雨量器受水口离地面的高度可在规定的高度中选取一种，也可与周围地表齐平。受水口应安置在预计的最大积雪深度之上，同时还应在地面反溅水可能到达的高度之上。对固体降水测量，受水口要高出地面，并在周围设置人工防风圈。降水测量对仪器的安置，特别是对风非常敏感。6.2节中讨论雨量器的安置问题，而6.4节相当118详细地讨论雨量器测量降水的误差和可用的修正。本章还讨论测量其它类型降水（雾、冰等）和积雪的一些特殊方法。但对一些尚未应用于常规测量的有争议的新方法，例如利用光学散射方法的光学雨量计，就不作描述。在近期的会议报告中，例如由仪器和观测方法委员会组织的（WMO，1994b）国际降水测量工作组的报告（斯洛伐克水文气象研究所和瑞士联邦技术研究所，1993；WMO，1989b）中有正在开发的新方法的有用信息。降水的点测量结果是进行区域分析的基本数据源。然而，即使在某一点上最好的降水测量也只能代表一个有限的区域，这个区域的大小是资料累积期的长短、该区域自然地理的均匀性、当地的地形以及产生降水的过程等的函数。用雷达和近年用卫星来定性和定量确定降水的空间分布。这些方法在本书第二编进行叙述。原理上，把三种区域性降水资料适当地综合成国家降水网络（自动雨量器、雷达和卫星），有望给使用大范围降水资料的用户提供足够精确的业务区域降水估计。检测降水与鉴别降水类型的仪器不同于测量降水量的仪器。它们作为现在天气监测器，在第二编第14章中涉及。6.1.4.2标准雨量器和相互比对几种类型的雨量器已用作标准雨量器。这些雨量器的主要设计特点是减少或控制风对降水捕捉率的影响，这种影响是造成不同雨量器性能各异的最严重的原因。标准雨量器也要减少6.4节中所讨论到的其它误差。受水口与地面齐平的雨量器已用作测量液体降水的标准雨量器。由于不存在风引起的误差，这种雨量器所收集的降水量比高于地面的雨量器要多（WMO，1984）。将雨量器放置在坑内，雨量器的口与地面齐平。雨量器与坑边要有足够的距离，以防雨水溅入。用高强度塑料或金属做成的（中央开口以放入雨量器）防溅网跨架在坑口，坑内要有排除积水的设备。WMO（1984）给出了这种坑式雨量器的设计图。用于固体降水测量的标准雨量器，称之为双栅式比对用标准（DFIR）。这种标准雨量器是在已有偏斜防风圈的Tretyakov雨量器的四周围以八角形的双层垂直栅栏。其设计图和说明已由Goodison,SevrukandKlemm(1989)，WMO（1985)，在WMO关于固体降水测量器的比对结果报告中给出（Goodison等，将出版）。在附录6.A①中给出了用标准雨量器与雨量器进行比对的建议。6.1.4.3档案降水测量对雨量器的安置特别敏感。为了更好地进行气候研究，必须详细记录测量方面的变化资料，并汇编成测站的历史沿革材料。6.2节讨论了必须保存的场地的资料，这就是场地的详细描述，包括：雨量器周围主要障碍物的仰角，雨量器的外形，雨量器受水口离地高度以及测风仪器的离地高度。下面各节（特别是6.4节）讨论各种类型仪器和施加于降水测量结果的修正值。这些修正值存在着不确定性，故必须保存原始记录和修正公式。观测方法上的任何改变也必须记录存档。①由仪器和观测方法委员会第11次会议(1994)推荐。1196.2选址与安置任何测量降水的方法都是为了获取在所要代表的区域（无论是天气尺度、中尺度或小尺度）真实降水的有代表性的样本。场地的选择和测量的系统误差一样都是重要的。有关场地影响的讨论可参看SevrukandZahlavova(1994)。选择测雨区内降水站的位置很重要。这是因为雨量器的场地位置和雨量器的数量决定了其测量结果对该地区真实降水量具有多大程度的代表性问题。WMO（1992b）对雨和雪的区域代表性作了详细的讨论。WMO（1994a）对有关区域降水和地形修正的计算方面的文献作了介绍。最贴近场地周围的风场的影响可引起当地降水量的增多或减少。通常，雨量器离障碍物的距离应大于障碍物与雨量器受水口高度差的两倍以上。对每一场地，应当估算其障碍物的平均仰角，并绘制平面图。场地不宜选择在斜坡或建筑物的顶部。测量降雪和/或积雪的地点应当尽量选在避风的地方，最好的地点是在树林或果园中的空旷地方，或在树丛或灌木丛间的空旷地方，或者在有其它物体能对各个方向的来风起到有效屏障的地方。然而，对液态降水，采用与地面齐平的雨量器可以有效地减少风的影响和场地对风的影响，或采用下列方法使气流在雨量器受水口上方水平流动。这些方法，按其效果大小排列如下：（a）将雨量器安装在有稠密而均匀的植被的地方。植被应当经常修剪，使其高度与雨量器受水口高度保持相同；（b）在其它地方，可采用合适的围栏造成类似（a）的效果；（c）在雨量器周围装防风圈。雨量器周围地表可用短草覆盖，或用砾石或卵石铺盖，但应避免象整块混凝土那样坚硬而平整的地面，以防止过多的雨水溅入。6.3非自记雨量器非自记或人工测量降水方法是需要由观测员作测量的方法。6.3.1普通雨量器6.3.1.1仪器通常使用的雨量器包括一个集水器，它置于漏斗的上方，漏斗则导向储水器，两次观测之间累积的水及融化的雪水就贮存在储水器中。在固体降水很经常并很重要的地方，要对雨量器作一些特殊的改动以提高测量的准确度。这些改动包括在雪季开始的时候，取下雨量器漏斗或准备一个特殊的雪十字架以防止落入的雪被风吹走。雨量器周围安置防风圈能减少因雨量器上方风场变形及吹雪所导致的误差。对降雨尤其是降雪建议使用防风圈。已有多种雨量器采用了防风圈（参见WMO1989a）。水储存在量器中可直接测量，或从储水器中倒入一量器中进行测量，或者用一根有刻度的尺直接测量储水器中的水深。对液态降水来说，集水器受水口尺寸的大小并不是关键，但如果固态降水的量比较大，则需要至少是面积为200cm2的，200cm2—500cm2的雨量器是最为适用的。对雨量器的主要要求如下：（a）集水器受水口的边缘必须尖锐，内壁垂直，外壁陡斜。用于测量降雪的雨量器，在设计上，要使湿雪在受水口边缘不易积聚，以免受水口口径因之变小；120（b）要知道受水口的面积，其误差应不大于0.5%，正常使用条件下，结构上应保证受水口面积保持不变；（c）集水器的设计应当防止水的溅入或溅出，对此可以通过足够深的垂直壁和倾斜角度足够大的漏斗（至少45°）来达到。下图给出了合适的设计；合适的雨量器集水器（d）构造上应尽量减少沾湿误差；（e）储水器的进水口要小，并应有效防止辐射以减少蒸发的损失。每周或每月才进行一次读数的雨量器，其结构设计与每日观测的雨量器形式相似，只是其储水器的容量要大且要结实些。量筒应当用具有合适热膨胀系数的透明玻璃或塑料制成，并应清楚地标明它所适用的雨量器类型和尺寸。其直径应小于雨量器受水口直径的33%，直径越小，测量精确度越高。刻度应精细，一般来说，每隔0.2mm刻线，在整毫米刻线处要清楚地标明数字。也可以是每隔0.1mm刻线。2mm或大于2mm的标度最大误差不应超过±0.05mm，小于2mm的标度最大误差不应超过±0.02mm。测量小的降水量时，如想获得合适的精确度，可将量筒底部的内直径逐渐变小。为避免视线误差，读数时应使量筒保持垂直，并以量筒内水弯液面的底部作为水面位置。重复读取量筒背面的主要刻度线有助于减少此类误差。量尺材料应采用杉木或其他一些吸水不明显的毛细作用小的合适材料。如果储水器中已加入抑制蒸发的油，则木制量尺就不适用，在这种情况下，可以采用金属或其他便于除去油污的材料制成的量尺。非金属量尺应有一个黄铜底脚以避免磨损，并应根据雨量器受水口与储水器横截面的相对面积来刻度，至少每隔10mm标以数字，并应包括放入量尺时其本身所带来的修正量。量尺刻度任意点的最大误差不能超过±0.05mm。只要有可能，应当用容积测量法来检验量尺的测量结果。6.3.1.2操作读数时，应使量筒保持垂直，观测者应注意视线误差。每次观测后，应立即对非自记雨量器收集到的雪立刻进行称重或将其融化，再用有刻度线的量筒进行测量。也可以一起称重，这是有若干优点的方法。先称出储水器和水的总重量，再减去储水器的已知重量。这种方法没有水溅出的危险，并且任何附着在筒壁上的水也包括在所称的重量之中，这是很普通的方法，简易可行。6.3.1.3校准与维护无论选择何种尺寸的集水器，量筒或量尺的刻度都应与之相匹配。雨量器的校准包括检查雨量器受水口的直径并确保它在允许的误差范围内。校准还包括对量筒或量尺的容量值检查。121常规维护应当包括：随时对雨量器的水平状态进行检查，以防超出限度（参见Rinehart，1983和Sevruk，1984）；外储水器及刻度在任何时候都要使其内外部分保持干净，这可通过使用长柄刷、肥皂水和清水洗刷达到，应当按要求更换破损部件；在有可能的地方，雨量器周围的植被应当修剪到5cm高；应对仪器的安置状况进行检查并作出记录。6.3.2储水式雨量器储水式雨量器是在遥远和人迹罕至地区用于测量整个季节的总降水量。这种雨量器包括带漏斗的集水器，漏斗导向一个能足够储存整个季节降水量的大的储水器（或者是多雨地区的月总量）。为减少蒸发，应在储水器内放入一层厚度不小于5毫米的合适的油或其它蒸发抑制剂以减少水分蒸发（WMO1972），降水应能顺畅地通过油层并沉降到油层下的防冻溶液中。为使落入雨量器中的雪变为液态，应在储水器中加入防冻液。防冻液要保持均匀分散状态。按重量计算，将37.5%的商品氯化钙（纯度78%）和62.5%的水混合配成效果满意的防冻液。乙二醇的水溶液或乙二醇与甲醇混合的水溶液也可以选用。后者价格较高，但腐蚀性比氯化钙小，而且在雨水混入后其防冻液浓度变低时，仍能保持其防冻作用。最初放入储水器中的溶液容量应不超过雨量器总容量的33%。在一些国家，这种防冻液和油被认为是有毒的消耗品，是有害于环