论文题目：气象用降水仪器的测量误差分析
编号：143
作者姓名：余世同项目单位：（宁夏气象技术装备中心750002）
学科：农科发布日期：2004-03-22
摘要：本文结合检定工作实际，具体分析气象用降水仪器的误差项目。
对气象用降水仪器正确的安装调试、使用、误差分析，新产品设计,以供借鉴。
关键词：降水仪器误差分析
一、引言
降水仪器的测量结果误差分为系统误差和随机误差。
由于仪器本身结构、性能、安装、调整及筒壁的沾水程度所引起的误差称为系统误差。
由于读数、使用不当和自然条件等所引起的误差属于随机误差。
在随机误差中，风的影响是最主要的误差来源，风的作用使得测量值偏低，其影响量在3％～30％之间（固体降水更大），所以，一些专业单位在使用降水资料前，应对降水数据进行修正，以使在不同的地区用同一类仪器所测得的降水数据具有可比性。
本文结合检定工作实际，具体分析检定降水仪器时的误差项目，以供借鉴。
二、降水仪器误差来源及分析
1、承水口的公差在加工承水口时，由于工艺原因，使承水口不圆或变形引起截面积的变化，直接影响进水量的变化。
Zbyl58－83《雨量器技术条件》规定，雨量器承水口的直径为200＋06mm，当承水口直径为200.6mm时，则承水口的截面积要比内径200mm时增大1.89cm2，相应受水量增大0．6％。
2、使用中变形所引起的误差。
雨量筒在运输和使用中，承水口变形影响承水口的截面积，使实际截面积减小，进而使收集到的降水也会减少，下面以椭圆口为例计算受水量的变化。
（如图1所示）
设正常的承水口截面积为S＝πR2，周长L＝2πR，当承水口变形为椭圆（但周长不变），长袖半径a=R＋C2，短轴半径b＝R－C1，椭圆面积：
S1＝π·［（R＋C2）·（R －C1）］
＝π·［（R2＋R（C2 －C1）－（C2 oC1））
∵R（C2 －C1）＜C2·oC1
∴S1＜S
3、仪器误差仪器误差是指仪器本身固有的误差。
例如雨量量筒的公差、雨量计的公差等。
由于仪器在加工时允许存在一定的误差，这个误差一般限制的比较小，如雨量量筒公差在2mm以下时为土0.03mm，在2－10mm时为士0.05mm；虹吸式雨量计为土0．05mm等，此误差属于已定系统误差。
4、调整误差零点、虹吸点调整不当所引起的误差。
零点、虹吸点调整的过高或过低，翻斗调整不合适等，都可能造成示值误差，一旦调整完后，这个误差就固定下来，下次调整后，误差大小又可能发生变化。
5、沾水误差雨量器（计）的漏斗及储水容器，由于沾水而使的测得值偏小，不同的仪器材质沾水量也不一样，一般承水器及漏斗沾水量可达2－3ml，储水筒沾水约3ml，储水瓶沾水约1.5～2.5ml，因为仪器沾水使测值偏小，当然与倒出的时间长短、器壁的光滑程度有关。
6、安装误差不同的降水仪器安装高度是不一样的，但都高于地面，在降水时由于受风的影响，会使承水口的有效面积减小，从而使收集到的降水及测得的降水量也就减小。
如果雨量器承水口不水平，则将与水平面成一倾角α（如图2所示）这时承水口的实际截面Sˊ只相当于雨量器承水口截面积S的水平投影。
即：Sˊ＝S·cosα当α＞0°时，cosα＜l
则：Sˊ＜S
由此可见，当仪器倾斜时，承水口实际的截面积比仪器在水平状态时要小。
7、操作误差是由于在使用时因操作不当引起的误差，它包括使用误差和读数误差两个方面。
（l）沾水误差在使用中仪器沾水是不可避免的，这与仪器表面粗糙与否及倒出时间有关，表面越光滑，倒出时间越长，沾水量就越少，反之则大，所以，应规定适当的倒出时间。
此外，量器使用方法不当，（如量入式量器用于量出时）也会产生较大的误差，虹吸管漏气、自记钟停摆、电压过高产生连跳、电压过低产生漏跳等都可能使记录失真。
（2）读数误差是指示值估读是否准确，如估读到0.05mm（降水量）或记录与数码显示产生偏差及雨量筒的读数误差等。
对于玻璃量器来讲，内径越粗，读数准确度就越低，反之则高，其读数误差极限通常是通过（iso）384－78推荐的经验公式进行计算的。
P＝H·D／（2d+D）
式中：P：读数误差（mm）
d：操作者的眼睛离刻度标尺的距离（mm）
H：操作者的眼睛高于或低于弯月面表面的距离（mm）
D：标有刻度的管子直径（mm）
雨量量筒读数误差的计算：
设：d＝200mm H＝5mm D=40mm
则：P＝H·D／（2d+D）＝200／（400＋40）＝0.45mm
相应体积：V＝πR2P
＝3.14×400×0.45
＝565（μl）
＝0.56（ml）
又因为0．lmm（降水）相当于3．14ml，所以极限读数误差为0.56／3·14≈0．03（mm）降水量。
由此可见对于内径40mm的量筒，读数误差最小也有0.56ml（0．02mm的降水量）。
同样当管子内径小时，读数误差就相应减小，为此，在许多高精度测量中通常把标线处的管子加工的很细，以便准确读数。
此外自记纸的读数误差一般为0．01～0．02mm，降水量在1／10～2／10格左右。
8、蒸发误差液体在自然状态下不断地蒸发，其蒸发速度与温度、气压、相对湿度、液面暴露的面积有很大关系，通常温度越高，气压越低相对湿度越小，暴露面积越大，蒸发速度越快，所以我们规定在炎热干燥的日子里，降水停止后要进行补测，而在检定时，由于在室内进行，故一般不考虑蒸发的影响。
9．其它误差
（1）虹吸误差在虹吸过程中如果仍有降水，则这段时间的降水将被虹吸走，造成记录比实际降水量小，这种误差随降水强度不同而不同，降水强度大误差就大，反之则小。
根据计算，当降水强度为4mm/min，虹吸时间为14秒，这样可以产生0.93mm降水强度为lmm／min 时，可产生0．23mm的误差。
但是根据实测结果发现，计算值与实测值有较大的误差，主要原因是：首先是虹吸时间短，一般虹吸时间只有10秒左右，这样被虹吸走的量就少；其次是在虹吸时进入虹吸口的降水只有一部分被吸走，仍有一部分尚留在浮子室内，这样，使得实测误差比计算误差要小。
因此，要确定虹吸误差的大小是一个比较困难的问题。
此外在降水强度很小时，也往往出现水顺着虹吸管壁外流（称滴流），而不发生虹吸作用，使仪器失灵，产生误差，这也是虹吸式雨量计在结构、设计上的缺陷。
（2）翻斗误差即便是按要求将上翻斗和计量斗的水量按7：10的比例调好，使翻转的同步次数减少，提高测量准确度，但是由于降水强度不同，也会产生测量误差。
当降水强度小时，翻斗翻的慢，示值（计数）偏大；当降水强度大时，翻斗翻的快，示值（计数）偏小，两者会产生2％左右的误差。
因此，在检定时应选择适当的降水强度，以保证测量准确度。
三、结论
经过以上分析，基本上较全面的介绍了降水仪器误差来源和分析方法，但是由于仪器构造、特性、误差因素大小各不相同，随着技术的不断进步，新的降水仪器不断出现，所以必须针对具体问题进行具体分析。