第6章 降水测量-气象仪器和观测方法指南.doc

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, Sevruk and Klemm(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.A由仪器和观测方法委员会第11次会议(1994)推荐。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。6.2 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Sevruk and Zahlavova (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，200cm2500cm2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；（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。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（WMO 1972），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，是有害于环境的。应从当地环境保护机构取得处理这些有毒物质的指导准则。将储水器内收集到的降水通过用称重或测容积就可得到季节性降水量（参见6.3.1节普通雨量器），测量容积时，应仔细考虑季初放入储水器中的油和防冻液的容量以及液体的收缩。可以像普通雨量器一样施加修正。在边远地区储水式雨量器的使用和维护面临着一些问题，如雨量器被雪覆盖，对自记测量的雨量器的位置难以找到等，这些都需要实施专门的管理。对这些雨量器的数据作质量评估时要特别注意。6.4 雨量器的误差与修正这里讨论的误差与修正在某种程度上适用于大多数雨量器，包括自记的和非自记的仪器。一些自记雨量计的特例在6.5节中讨论。有关误差与修正的全面资料可在WMO（1982，1984，1986）中找到，特别是有关降雪量的测量误差和修正，在WMO（1994b）和Goodison等人的著作（即将出版）中均有所述。近期用于调整加拿大、丹麦、芬兰、俄罗斯、瑞典和美国等地降水量原始资料的详细模式，已由WMO（1982）给出。WMO（1989a）描述了误差是如何发生的。有关这个论题的会议论文收集在WMO（1986，1989b）中。用一般雨量器测出的降水量可能比实际到达地面的降水量要少30%甚至更多。系统性误差将随着降水形态（雨、雨夹雪、雪）的不同而变化。固体降水测量中的系统误差通常要大于液体降水测量中的系统误差，而且可能高达一个数量级。在水文学的许多应用中，必须首先对资料作出调整，以便在进行计算前考虑到误差。当然，这种调整可能也是不精确的（甚至可能使事情变得更糟）。所以，原始资料应作为基本档案永久保存，以维系数据的连续性，并作为未来数据调整改进的最佳基础如果有一天，这种改进成为可能。修正下述部分的或全部的误差项，可以估算降水量的真实值：（a）在雨量器受水口上方，由于系统的风场变形而导致的误差，一般对降雨为2%10%，对降雪为10%50%；（b）由于沾湿集水器内壁导致的沾湿误差；（c）倒空储水器时导致的沾湿误差，b、c两项加起来，一般夏季为2%15%，冬季为1%8%；（d）储水器内水分蒸发导致的误差（在炎热气候条件下尤为重要）为0%4%；（e）由于吹雪或飘雪导致的误差；（f）溅入的或溅出的水导致的误差，为1%2%；（g）随机误差和仪器误差。前6项误差是系统性误差，是按其重要性顺序排列的。由吹雪或飘雪，以及溅入的或溅出的水导致的净误差可正可负，而由风场变形或其他因素导致的系统误差为负值。由于e项和f项的误差值难以量化，对大多数雨量器的数据调整的一般模式采用以下形式：其中，为调整后的降水量，为风场变形影响的调整系数，为集水器收集到的降水量，为雨量器测量到的降水量，为集水器内壁沾湿损失的调节量，为储水器倒空后沾湿损失的调节量；为储水器内蒸发损失的调节量。这些修正用于日降水总量或月降水总量的测算，或在某些场合中，也可用于单次降水的测算。总之，进行这种调整时还需补充的数据，包括降水发生时雨量器受水口上方的风速、雨滴的大小、降水强度、空气温度和湿度，以及雨量器场地的特征。有了风速、降水形态和强度等变量就足以确定修正值，有时仅用风速一个变量就能确定。在那些没有做过变量观测的测点，通过对邻近测点观测值的内插值也可以作出修正，为谨慎起见，这种方法只能用于月降雨量数据的修正。对大多数雨量器而言，风速是造成固体降水量少测的最主要的环境因素。风速等数据可以通过测点的标准气象观测值算出，以提供每日的修正值。特别是如果风速不是在雨量器受水口的高度外测得的，那么，在已知周围地表的平整度和周围障碍物视仰角的情况下，用平均风速的换算公式可求出受水口的风速。附录6.B风速换算式由仪器和观测方法委员会第11次会议(1994)推荐。给出了换算公式。公式与场地情况密切相关，需要对站址环境状况和雨量器位置有详尽的了解。有防风圈的雨量器能够比无防风圈的雨量器采集到更多的降水量，特别是对于固体降水而言。因此，雨量器应以自然（如树林空地）方式或人工方式（即Alter，加拿大的Nipher型和Tretyakov防风圈）予以挡护，以减少风速对固体降水量测量的负面影响。沾湿误差是人工观测的雨量器的另一种累积系统误差。这种误差的大小随降水的形态和雨量器的形式而变化，也是雨量器倒水次数的函数。平均沾湿误差每次观测可达到0.2mm。在降水量每6小时测量一次的天气站，这种损失可能非常严重。在某些国家，沾湿误差占到冬季降水量的15%20%。在观测时进行沾湿误差修正是可行的。设计精良的雨量器，沾湿误差很小。雨量器内壁应平滑且用不易受污染的材料制成。比如漆面是不合适的，但搪瓷面就很适用。结构上的接缝应尽量少。蒸发损失随雨量器形式和季节而变化。蒸发损失对于集水器内不带漏斗装置的雨量器是严重的问题，在春季尤甚。根据报告每天有超过0.8mm的损失。冬季的蒸发损失相对夏季的月份要少得多，约在0.10.2mm/日之间。但这些损失是累积的。设计精良的雨量器，其暴露的水面很小，通风也很小，还利用外层表面的反射以保持低水温。很显然，在各种天气状况下，为使用不同的雨量器和防风圈所得到的资料具有可比性，对实际测量值进行修正是必要的。但是，凡是为了减少误差而对降水观测值进行了修正的，强烈地建议应将测量值与修正值同时公布。6.5 自记雨量计降水量自动记录比人工观测有更好的时间分辨率，而且也能减少蒸发和沾湿误差。自记雨量计当然也受6.4节中所讨论的风的影响。在一般应用中，有3种形式的自记雨量计：称重式雨量计、翻斗式雨量计和浮子式雨量计。只有称重式自记雨量计适用于所有类型的降水记录，其他两种在大多数情况下只适用于降雨量测量。一些新的无运动部件的自动雨量计也可采用，这些雨量计使用诸如电容探头、压力传感器，以及光学或小型雷达装置以提供与降水当量成正比关系的电子信号。6.5.1 称重式自记雨量计6.5.1.1 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。这种雨量计通常没有自动倒水的装置，其容积（在倒水前的最大蓄积量）相当于量程从150mm到750mm。这类雨量计必须使之保持最小的蒸发损失，为达到此目的，可向储水器内添加足够的油或其他蒸发抑制液，在水面上形成一层薄膜。由于强风破坏平衡而引起的困难，可通过一种油阻尼装置予以减少，或者假如目前的工作已有实质性进展，就可以设计一个合适的微处理器从读数上消除这种影响。因为对固体降水在记录前不要求融化，因此称重式自记雨量计特别适用于记录雪、冰雹、雨夹雪。冬季到来前，须向储水容器内注入防冻液（见6.3.2节）以融化固体降水。防冻液的用量要依据预测降水量的多少以及预测在最小浓度时的最低温度来决定。用校准的弹簧对集水器作重量测量，通过一组杠杆或滑轮把垂直位移变为角位移，再通过机械把角位移传递到自记钟钟筒或带状记录纸上，或通过转换器进行数字化记录。这些类型的雨量计的准确度与它们的测量和/或记录特性有直接关系，这些特性由于制造厂家不同而有所不同。6.5.1.2 误差与修正除了没有储水器倒空沾湿误差之外，称重式自记雨量计对6.4节中所讨论的其他所有误差源都很敏感。还应当指出单独使用自动雨量计是无法区分降水形态的。这种仪器的一个严重问题是降水特别是冻雨和湿雪可能会粘在雨量计受水口的内壁，过一段时间才会落入储水器内。这就严重地限制了称重自记雨量计提供发生降水的准确时间的能力。另一个常见的缺点是风的抽吸的影响。这主要是发生在有强风时，湍动的空气流通过集水器上方和四周造成称重机构的摆动。使用一种可编程的数据逻辑系统，采取短时间（如1分钟）读数平均的方法，可减少这些不规则的记录所造成的误差。使用称重式自记雨量计可以消除或者至少可以减少人工测量方法的某些潜在误差。也可以减少与人工观测误差或某种系统误差相关的随机误差，特别是蒸发误差和沾湿误差。在某些国家，把微量降水正式定为零值，这就导致了对整个季节性降水量的低估。这个问题在使用称重式自记雨量计后就得以减少，因为即使非常小的降水量也会随时间而累积。对称重式雨量计的资料作每小时或每日的修正比作更长时段（如月气候总计）的修正可能更为困难。自动天气站的辅助资料，如雨量计高度处的风速、气温、当前天气和雪深等，对精确判别和修正自动雨量计的降水测量值是有用的。6.5.1.3校准与维护称重式自记雨量计通常没有什么运动部件，因此很少需要校准。校准通常是用一组砝码放置在集水器或储水器内，就提供与降水量等值的预定值。校准应在实验室进行并应遵从制造商的说明。设备的日常维护应每3-4个月进行一次，取决于观测点的降水状况。雨量计的内外状况都要检查，看有无松动或破损的部件，并保证雨量计水平放置。对记录作去除和注释前，必须对人工读数与记录纸或磁带的记录作对照检查并确保一致。对集水器或储水器应倒空、检查和清洁。如果有必要，重新注入只用于测雨的油，或者在预料有固体降水时，则应注入防冻液和油（见6.3.2节）。为使雨量计有最大的使用范围，应将记录装置置于“零”位。必要时，对磁带、记录纸以及电源也应检查和更换。需要一个万用电表以检查雨量计的电源和记录系统，并使数据记录器回零。6.5.2翻斗雨量计翻斗雨量计适用于降雨率和降雨累计总量的测定，降雨率的测定可达200mm.hr-1甚至更高。6.5.2.1仪器这种仪器的工作原理很简单。一个分隔成两部分的轻金属容器或斗，置于一个水平轴上并处于不稳定平衡的状态。在其正常位置时，斗应停靠在两个定位销之一上，定位销使斗不致完全翻转。雨水由集水器导入斗的上部，设定的雨量进入斗的上部分后，斗变得不稳定并倾倒至另一停靠位置。斗的两部分设计成这样一种形式：雨水会从斗的较低部分流空，与此同时，继续降落的雨水落入刚进入位置的斗的上部。随着斗的翻转运动可用以操作一个继电器开关，使之产生一个由不连续的步进脉冲构成的记录，记录上每一步的距离代表技术指标规定的小量降雨发生的时间。如果需要详细的记录，规定的雨量不应超过0.2mm。翻斗的翻转需要短暂而有限的时间。在其翻转的前半段时间，可能会有额外的雨水流入已经容纳规定雨量的斗内。在大雨时（250mm.hr-1），这一误差十分显著。但这种误差是可以控制的，最简单的方法是在漏斗底部安装一个类似虹吸管的装置引导雨水以可控的速率流入斗内。这会平滑掉短时降水强度的峰值。此外，还可附加一个装置以加快斗的翻转过程；主要是利用一个小薄片受到从集水器注入的雨水冲击，从而给斗施加一个随降雨强度而变化的额外的力。因为翻斗雨量计适合于数字化方法，所以对自动天气站特别方便。由触点闭合所产生的脉冲，能用数据记录仪进行监测，还能对选择时段的脉冲进行合计以提供降水量值。翻斗雨量计也可采用图形记录器。6.5.2.2误差与修正翻斗雨量计的误差来源与其他雨量计有些不同，因此需要专门的预防措施和修正方法。其误差来源包括：（a）大雨时翻斗翻转的水损失，虽能减少但无法根除；（b）通常设计的翻斗，其暴露的水面与其容积相比较大，导致水分蒸发的损失明显，特别是在炎热地区。这种误差在小雨情形也是显著的；（c）在毛毛细雨或很小的雨的情形下，记录的不连续性无法提供满意的数据，特别是降雨起止时间无法准确界定；（d）雨水可能附着于斗壁和斗边上，导致斗内残存水，翻转动作就需要克服这额外重量。经测试，打过蜡的斗翻转所需水量比未打蜡的斗少4%。在没有调整斗的校准螺丝的情况下，由于表面氧化或受杂质污染以及由于表面张力的变化等原因而使斗的沾水性能改变，也使得容量的校准值发生改变；（e）从漏斗流入承水斗的水流可能导致略高的读数，这取决于进水嘴的尺寸、形式和位置；（f）由于雨量计的水平状态未调整好，仪器极易产生摩擦和使斗处于非正常平衡状态。仔细的校准可对系统误差提供修正。仪器安置对翻斗雨量计测量值的影响可以像其他雨量计一样加以修正。在寒冷季节特别是对于固体降水进行测量可以用加热装置，但是，由于风和融雪的蒸发导致大的误差，加热的翻斗雨量计的测量效果非常之差。因此，不提倡在冬季在一个长期处于0以下的地区用这种雨量计进行降水的测量。6.5.2.3校准与维护翻斗雨量计的校准通常如下进行：让已知水量以不同的速率通过翻斗装置，调整翻斗装置使其达到已知的容量，这一过程应在实验室条件下完成。由于误差来源多样，翻斗雨量计的校准和修正特点是许多因素综合的相互作用的结果。与标准雨量器进行每日的比对可以提供有用的修正系数，这是一种好的方法。各站的修正系数会不一样。对于小强度降雨，修正系数通常大于1.0（读数低），对于高强度降雨，修正系数小于1.0（读数高）。修正系数与降雨强度之间的关系不是线性而是一曲线。日常设备维护应包括清洁漏斗和翻斗内积存的灰尘和杂物，并确保雨量计的水平状态。应大力提倡每年以新校准的翻斗装置更换旧的。6.5.3浮子式雨量计在这类雨量计中，雨水流入装有浮子的浮子室中，当浮子室内的水面上升时，浮子随水面升高而垂直移动，通过适当的机构带动自记笔在自记纸上移动。通过对集水器受水口、浮子、浮子室三者大小的调整，任何样式的自记纸都可以采用。为了提供一个有用时段（一般要求24小时）的记录，或者是将浮子室做得很大（在这种情况下使得自记纸的比例压缩），或者是提供一种机制，当浮子室内水满时能自动快速地将水排尽，使自记笔回到自记纸的底线上。通常是采用虹吸管方式。实际的虹吸过程应该在预定的水位上精确地开始，在虹吸过程的开始或结束，都不能有水的滴漏，一次虹吸过程的时间应不超过15秒。在有些仪器中，浮子室组件安装在刀口上，使装满水的浮子室失衡，而水的涌动促进了虹吸过程，当浮子室排空后，浮子室会回复到原来的位置。有的自记雨量计有一个强迫虹吸装置，虹吸过程不超过5秒钟。有一种强迫虹吸装置是具有一个与主浮子室分开的小室，用来收集在虹吸过程中继续降落的雨水，待虹吸过程结束后将水排入主浮子室中，以保证降雨总量的正确记录。在冬季，如果浮子室内收集的水有结冰的可能性，则有必要在雨量计内部安装加热装置（最好用恒温仪控制）。这样可使浮子和浮子室免受损害，并使在结冰期间的降雨量仍得以记录下来。在有电源的地方，用小型加热器或电灯就很合适，没有电源的地方需要用另外的能源。一种简便方法是利用一段短的加热丝缠绕在集水器四周，并与大容量电池相连接。提供的热能必须保持在能防止结冰的最低需要水平，因为热量能使雨量计上方空气产生垂直运动和增加蒸发损失，从而降低观测的准确度。由于风和融雪的蒸发，没有防风圈的加热式雨量计的捕捉率会大大偏低，这在一些国家已有报道。除了用已知水量进行校准外，这种雨量计的维护与称重雨量计相同（见6.5.1.3节）。6.6露、积冰和雾降水的测量6.6.1露和叶片湿润程度的测量露的生成主要是在夜间，虽然量不大且随地点不同而变化，但在干燥地区却很重要。在非常干燥的地区，凝露的量可能与降水的量相当。植物叶片暴露在由露、雾和降水形成的液体水分中，对于植物病害、昆虫活动以及作物收割和加工处理等起着重要的作用。为了评价露在水文学方面的作用，区别露的形成是很有必要的。（a）由于大气中的水分向下输送，而在冷却的物体表面凝结成的露，称为“降露”。（b）从土壤和植物蒸发的水汽在冷却的物体表面凝结成的露，称为“蒸馏露”。（c）由叶片渗出的水所凝结成的露，称为“吐水露”。这三种形式的露可同时作用并形成观测的露。但只有第一种对地表面提供了外加的水，而第三种通常造成水的净损失。此外还有一种水分源是由雾或云中的细小水滴形成的并被叶片和细枝收集后滴落或顺着枝干流到地面。所有形式的露降水有时称为“神秘的降水”。在规定时间内，在给定的表面上所生成的露，通常以kgm-2或以露厚mm为单位表示。露量的测量应尽可能准确到0.1mm。叶片的湿润程度可以描述为轻、中、重，但最重要的测量是其开始时间或持续时间。测量露和叶片湿润持续时间的仪器评述及其参考书目，在WMO（1992a）中给出。下面介绍叶片湿润程度的测量方法。露量与凝露表面的特性（如辐射性质、大小、和方位（水平或垂直）有着紧密的关系。可以通过安置一块有着已知特性或标准特性的自然的或人工的平板或表面，通过称重或目测或采用对其他量（如导电率）的测量等来估算露量。问题在于对平面的选择，因为用仪器得到的结果本质上并不能代表周围物体上凝结的露量。应该针对每个特定组合的自然表面和安置表面的条件，建立起仪器测量值与自然表面沉降露量之间的经验关系；还可以建立区分这些表面的露形成过程的经验关系，如果对特殊应用是重要的话。一些仪器被用于直接测量露的发生、露量、叶片湿润的持续时间和露的持续时间。露的持续时间记录器既可采用一种以自身变化来显示或记录湿润期的元件，也可采用一种测量自然叶面或人工叶面因存在雨、雪、湿雾、露等水分而引起的导电率变化的电测元件。露的称量器可以将那些以降水形式或露的形式凝聚的水分称量并记录。大多数称量仪器能提供连续的迹线，通过识别迹线形式可以判别是由雾、露所凝聚的水分还是由雨水所形成的水分。利用降露本身测量净露量的唯一可靠方法是用很灵敏的蒸渗仪进行测量（见第1编，第10章）。WMO（1992a）提出两种特殊电子叶片湿润仪作为研发的标准仪器。还推荐了不同的叶片湿润模拟模型。有一些仪器用于能量平衡研究（反向蒸发模型），另一些用于相互作用的研究。这些研究的许多方面都要求进行微气象测量。遗憾的是，至今还没有公认的标准测量方法来对其进行检验。6.6.2积冰的测量几种现象可导致冰在物体表面累积。冷冻降水形成的积冰称为雨凇，这种形态的冰最具破坏性。它可以对树、灌木、电话线路及供电线路等造成多方面的破坏，还会使道路和机场跑道处于一种危险状态。白霜（通常称之为霜）是露点温度在冰点以下的空气冷却至饱和状态而形成的。白霜通常是由直接凝华在小直径物体（如树枝、植物茎干、叶片边缘、线、杆等）上而形成的连结状冰晶的沉积。雾凇是一种白色或乳白色的不透明冰粒沉降物，它是过冷却水滴接触到暴露物体时快速冻结而形成的。测量方法在气象站，对积冰的观测通常是定性的多，定量的少，这主要是由于缺乏合适的传感器。积冰显示器通常由阳极化处理的铝制成，用来观测和报告冻雨、霜、凇冰的发生。积冰的观测包括对积聚冰的尺度和重量的测量以及对外观的目测描述。这些观测在山区是非常重要的，因为在山区迎风面的积冰量可能会超过正常的降水量。观测的系统包括：标杆和柱桩以及在其上安装的两对平行金属线，一对东西向设置，另一对南北向设置，是用来聚积冰的。金属线可以悬挂于任何高度，每对中较高位置的线可以取下。在观测的时候，将两条在高处的线取下置于一特殊的容器内，然后在室内将其融化并称重。装在低处的线是固定不动的，用于测量积冰的横截面。有些国家用自记仪器连续记录雾凇，用一个垂直或水平安装的杆、环或平板作为传感器，在自记纸上记录雾凇量随时间而增加的情况。还有一种称为测冰器的简单装置，可用来观测雪面上的雾凇和白霜的出现与存在，测冰器是一块直径为30cm的胶合板做成的圆盘，装在一根垂直固定在地中的柱子上，圆盘可以沿着柱子上下移动并可固定在任何高度上。通常，圆盘的位置应贴近雪面，以便收集雾凇和白霜。另外，在柱子顶端以下20cm处，装一个直径20cm的圆环，也可以用来收集雾凇。用一根直径0.2-0.3mm的金属线或线绳，从柱子顶端垂直连接到环上，可以用来观测雾凇的积聚，如果需要，每种传感器都可以取下并称重。路面上的冰为了支持路面警报工作和路面维护工作，用于检测和说明路面和跑道上结冰状况的传感器已研发并用于业务。采用组合的测量，可以检测湿雪和干雪及各种形式的冰。首先是采用埋入路面并与路面齐平的两个电极，作为用来测量路面导电率的传感器，它能很快地区别干燥和潮湿的路面。第二种是离子极化率测量法，它能测定表面载电荷的能力；给一对电极以短时间少量充电后，用同一对电极测量残存电荷，当有带自由离子的电解质（如盐水）时，残存电荷就多。对极化率和导电率都进行测量就可能区分干燥、潮湿和有水的表面，以及霜、雪、白冰及某些除冰的化学制剂。但是，非结晶的黑冰的导电率在某些条件下与水不易分辨，因此用这两种传感器都不能检测出危险的黑冰。要解决这一问题就要在这个系统中增加第三种专用的电容测量装置以检测具有独特结构的黑冰。以上都是被动的方法，现在有一种主动的现场测量方法，它使用加热元件，或使用加热与致冷两种元件，以融化或者冻结出现在表面上的任何冰或液体。同时测量解冻冻结循环中的温度和热能，以用于确定冰的出现及估计路面上混合物的冰点。大多数现场测量系统包括一个测量路面温度的温度表。测量质量的好坏在很大程度上决定于制作（特别是材料）和安置。还要注意避免辐射误差。现在有两种遥感方法在开发中，可以将其作为车载仪器。第一种方法是基于几个频率上（分别约在3000nm和3GHz）的红外反射和微波辐射，微波反射可以测定在无冰状态下出现路滑危险时的水层厚度。用两种红外频率可以区别干、湿和结冰的状况。现在已经证实，在大约2000m波长上的反射功率决定于冰层的厚度。第二种方法是应用图像识别技术，对路面所反射的激光进行识别，以区分干路面和湿路面以及黑冰。6.6.3雾降水的测量雾由在地面以上的悬浮在大气中的微小水滴组成的云状物。雾滴的直径大约在140m，下降速度从小于1cm s-1到接近5cm s-1。事实上，雾滴的下降速度很慢，以致于微风就可以让水滴作近似的水平运动。在雾形成的时候，水平能见度一般低于5km，当温度与露点之差超过2时很少能观测到雾。气象学家通常更关心的是雾对视野的障碍，而非降水形式。无论如何，从水文学观点上看，在高海拔的森林地区经常会有雾，其原因是位于山体表面上的云的平流，在这种地区如果只单独考虑降水，就会严重低估此流域内的进水量（Stadtmuller and Agudelo，1990）。近来，已认识到雾是高地地域的水源（Schemenauer and Cereceda，1994b）和湿沉降通道（Schemenauer and Cereceda，1991；Vong，Sigmon and Mueller，1991），从而对测量方法和测量单位标准化提出了要求。下面考虑雾降水测量的方法。在十九世纪，曾经对通过树和各种集水器收集的雾进行了大量的测量，但这样很难对收集率进行定量比较。最广泛使用的测雾仪器由安置在雨量器顶部中央的一个垂直的金属丝网圆筒组成，圆筒完全暴露在自由流动的空气中。圆筒直径为10cm，高22cm，网格大小为0.20.2cm（Grunow,1960）。充满水份的空气中的水滴沉积在丝网上并滴入雨量器的集水器，然后如同测量降雨一样进行测量或记录。这类仪器的缺点是：尺度小，对于植物缺乏代表性，丝网的小开口内会积水，降水直接进入雨量器会混淆对雾沉降的测量。另外，在有风的情况下，把雾降水的计算简单地看成是用雾集水器中的水量减去标准雨量器中的雨量，就会导致错误的结果，因为任何时候总是有风的。为了对雾沉降对在高海拔地域植树的重要性作定量估计，以及为了对裸露或荒山漠化区作可能的收集率的测量，Schemehauer Cereceda（1994a）建议使用价格便宜的、1m2标准雾收集器和标准测量单位。收集器由一个耐用的聚丙乙烯制成的平板丝网构成，安装在距地面2m的基座上。集水器与翻斗雨量计相连以测定沉降速率。对雾收集器测量的同时用风速仪进行风速测量，就可对沉积在垂直丝网平板上的雾和雨的比例作合理的估计。收集器能收集到若干升的水。因为丝网的面积为1m2，所以测量单位是Im-2（升/平方米）。6.7降雪和积雪的测量WMO（1994a）和WMO（1992b）是这方面内容的权威性文本，它涵盖了水文学方面有关降雪过程中对雪的研究，包括测量方法。以下是对一些简单的众所周知的方法进行概要叙述并对仪器作简要的回顾。降雪是指在一段时间内（一般24小时）降落的新雪深度，但不包括飘雪和吹雪。为了测量深度，雪这一名词还应包括直接或间接地由降水形成的冰丸、雨凇、冰雹和片冰。雪深通常指观测时地面上雪的总深度。积雪的水当量是融化积雪而得到的水的垂直深度。6.7.1降雪深度在开阔地上的新雪深度用有刻度的直尺或标尺作直接测量。为了得到一个有代表性的平均值，应当在认为没有吹雪的地方进行次数足够的垂直测量。要特别注意不要测量早已积聚的陈雪。这可以预先将一块合适的地块打扫干净或在陈雪的上面放置一块由合适材料制成的平板（如一块漆成白色的表面略为粗糙的木板）来测量聚积其上的积雪深度。在斜坡面上（如有可能，应避开）的测量仍用测杆作垂直测量。如果有陈雪，由于位于下层的陈雪已被压缩和融化，用连续两次测量的总深度的差值来计算新雪深度是错误的。在出现大面积吹雪的地方，需要作很多次的测量以得到有代表性的深度。6.7.2积雪深度的直接测量将雪尺或有同样刻度的测杆插入雪中至地表面来进行地面积雪深度的测量。在开阔地带，由于积雪被风吹起而重新分布，加之下面可能埋有冰层，使得雪尺不能插入，用这种方法去获取有代表性的雪深测量会有些困难。要注意确保测出总深度，包括可能存在的冰层深度。在每个观测站要作多次测量并取其平均。对某些测雪杆，特别是用于边远地区的测雪杆，要漆上颜色交替的圆环或其它合适的标记，以提供测量地面总雪深的方便手段。可以从遥远地点或从飞机上用双筒或单筒望远镜从测杆或标记上读取雪深。测杆应漆成白色，以使测杆周围积雪的非正常的融化减至最小。从空中测雪深的标识物是垂直杆（其长度可变，根据最大雪深来定）和在此垂直杆的固定高度上安装的横杆，作为测量点的定位的标志。一种经济的能给自动站提供可靠的雪深测量的超声波探测器已经研发，是标准观测的可行的替代品。它既可以用来测量雪深，也可以用来测量降落的新雪（Goodison等，1988）。可以用这种传感器提供的降水类型、总量和时间来实施对自记雨量计测量值的质量控制。仪器的准确度为2.5cm。6.7.3雪水当量的直接测量测量水当量的标准方法是用采雪管采出样芯并称其重量。这是很多国家测量水当量的常用方法，是雪测量的基础。这个方法包括：既可融化每一样本并测量其液体重量，也可以称取冻结的样本重量。可以用经过测量的定量热水或热源来融化样本。新雪的圆柱形样本可以用一个合适的采雪器获得，并进行称重或融化。有关适用装置和采样技术的详细资料参见WMO（1994a）。通常可使用标准雨量器的溢出容器来进行采样。雪量器可以直接测量降雪的水当量。原则上，任何非记录型雨量器都可以用来测量固态降水的水当量。用这些类型的雨量器所收集到的雪在每次观测后应立即称重或融化，如6.3.1.2节中所述。自记称重式雨量计不仅可以测量液态降水，同样可以测量固态降水，并且可以用和液态降水相同的方法记录水当量（参见6.5.1节）。固体降水的水当量可以用新雪的深度来估算。这种测量方法是采用合适的比密度把雪深度换算为水当量。虽然可以规定1cm雪深等于1mm当量的水，但要注意这是一个长期的平均值，用于单次测量就可能很不准确，因为雪的比密度是在0.03-0.4之间变化。6.7.4雪枕各种材料制作的大小不同的雪枕，可用于测量枕上的积雪重量。最普通的雪枕是用橡胶材料制成的直径为3.7m的圆而扁平的容器，其中充有甲醇与水混合的或甲醇-乙醇-水溶液的防冻液。雪枕安装在地面上，与地齐平，或者埋在一薄层土或砂下。为了避免雪枕受损坏和使积雪保持其自然状态，最好在安置场地周围用栅栏围住。在正常情况下，雪枕可使用10年以上。雪枕内的液体静压力，是测量雪枕上积雪重量的量度。此液体静压力通过浮筒式液位记录器或者压力传感器测量，从而可以连续测量积雪的水当量。温度变化可以引起测量准确度的变化。在浅积雪地区，每天温度变化导致枕内液体的膨胀或收缩，造成出现虚假的降雪或融雪的指示。在深山地区，除了在降雪的开始和结束的季节，每天的温度变化不大。应将连接测量单元的连通管装在可控温的保护管内或埋入地中以减少温度的影响。可就地安装遥测的资料收集系统，以便使用图形或数字记录器对雪水当量进行连续的测量。雪枕的测量结果与标准采雪管的测量结果会有差异，尤其是在融雪期间更为常见。当积雪中不含有在雪枕上方“架桥”的冰层时，雪枕的测量结果最可靠。用雪枕测量的雪水当量与标准称重方法的测值相比，其差异可达510%。6.7.5放射性同位素雪量器放射性同位素雪量器是用来测量积雪水当量的总量和/或提供密度廓线。它不会造成样本的破坏，可用于现场记录和/或遥测系统。几乎所有系统都是基于水、雪或冰能对辐射造成衰减的原理。正如其它的点测量一样，要把点测值当作区域指标值来使用，选择有代表性的测点位置就很重要。用来测量水含量总量的仪器由辐射检测器和辐射源两部分组成。辐射源可以是自然中存在的，也可以是人工的。把检测器的一部分安放在雪场的地基上，另一部分安装在高出于估计最大雪深的高度上。随着雪的积聚，计数速率随雪场的水当量增加而成比例地减小。采用人工辐射源的系统安装于固定的地点并只能取得该点的测量值。用自然铀作为环状辐射源，环状的中央是单柱检测器，这种系统已成功地用于测量水当量达500mm或雪深为150cm的积雪。安装在固定地点的放射性廓线雪量器可用来提供雪水当量总量和密度，并可对雪场的水运动与密度随时间的变化作精确的研究（Armstrong,1976）。廓线雪量器由安装在水泥地上的相隔大约66cm的两根相互平行的且与地面垂直的通管组成，其高度应在估计最大雪深高度之上。伽马射线源悬挂在其中一管子上，带光电倍增管的闪烁伽马射线检测器则悬挂在另一管子上。测量时要将射线源与检测器置于等深度的积雪之中。雪深以增量约2cm逐点进行测量就能得到积雪的垂直密度廓线。采用后向散射而不采用发射的伽马射线来测量积雪密度的便携式仪器（Young,1976），是掘洞测雪法的可行的替代品。由于仪器携带方便，故使之能对该区域的雪密度和雪水当量的区域变化作出评估。6.7.6自然伽马辐射伽马辐射测雪方法，是基于土壤顶层有自然辐射元素放射的伽马辐射受雪的衰减的原理。雪水当量越大，辐射的衰减也就越大。地球的伽马辐射测量包括：在遥远地方的一个点的测量，或者是一系列的点测量，或者在一个地区作选择性的横向的来回测量（Loijens,1975）。这种方法也可以用于飞机上的测量，仪器包括一个轻便的伽马线分光仪，它是利用小的闪烁晶体在宽频上和在三个频谱窗口（即钾、铀和钍的发射窗口）上来测量射线。在积雪之前，要对测点或沿着测线来回作伽马强度的测量。由于上层1020cm深的土壤的湿度会有变化和宇宙射线的背景辐射也会变化，以及仪器漂移和降水中的氡气（它是伽马辐射源）随降水进入土壤或雪中等等，所以必需对读数修正，以获取雪水当量的绝对估计。此外，为了确定频谱