引用本文
张乐乐, 高黎明, 赵林, 乔永平, 史健宗. 降水观测误差修正研究进展. 地球科学进展, 2017, 32(7): 723-730
Zhang Lele, Gao Liming, Zhao Lin, Qiao Yongping, Shi Jianzong. Review on Correction of Errors in Precipitation Measurement. Advances in Earth Science, 2017, 32(7): 723-730  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.07.0723
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
降水观测误差修正研究进展
张乐乐1,2, 高黎明1,2, 赵林3, 乔永平3, 史健宗3
1.青海师范大学生命与地理科学学院,青海 西宁 810008
2.青海省自然地理与环境过程重点实验室,青海 西宁 810008
3. 中国科学院 西北生态环境资源研究院 青藏高原冰冻圈观测研究站/冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

作者简介:张乐乐(1986-),男,河南新安人,讲师,主要从事寒区水文与地表过程方面研究.E-mail:zhang1986lele@163.com

基金:国家自然科学基金青年科学基金项目“青藏高原腹地雨量筒降水观测误差的修正”(编号:41705139); 青海省基础研究计划项目“青海湖流域植被退化的生态水文效应研究”(编号:2017-ZJ-951Q)资助
摘要

获取准确的降水量是研究气候变化以及水文循环的基础,国内外学者针对雨量筒降水量捕捉率不足的问题做了大量工作。对近几十年来国内外降水量对比观测及雨量筒降水量修正方面的研究进行综述,认为目前对液态降水修正方案较为成熟,但是对固态降水尚未形成一个统一的修正标准。主要原因在于目前的降水量修正方案缺少对降水微过程的考虑。充分考虑降水微过程是给出包含物理意义降水量修正方案的关键。另外,更为细致的降水类型判定方案以及对微量降水事件的记录也是确定降水修正方案需要重点解决的问题。

关键词: 雨量筒; 降水类型; 动力损失; 降水量修正
中图分类号:P332.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)07-0723-08
Review on Correction of Errors in Precipitation Measurement
Zhang Lele1,2, Gao Liming1,2, Zhao Lin3, Qiao Yongping3, Shi Jianzong3
1.School of Life Science and Geography, Qinghai Normal University, Xining 810008, China
2.Qinghai Province Key Laboratory of Phyical Geography and Environmental Process, Qinghai Normal University, Xining 810008, China
3.Cryosphere Research Station on the Qinghai-Tibet Plateau, State Key Laboratory of Cryosheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

First author:Zhang Lele(1986-), male, Xin’an City, He’nan Province, Lecturer. Research areas include hydrology and surface processes in cold regions.E-mail:zhang1986lele@163. Com

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Bias correction of precipitation measured by rain gauges in the interior Qinghai-Tibetan Plateau”(No.41705139); Basic Research Project of Qinghai Province “Ecological and hydrological effects of vegetation degradation in Qinghai Lake Basin” (No.2017-ZJ-951Q)
Abstract

Accurate precipitation is the basis for better understanding the climate change and water cycle process. The domestic and foreign scholars have done a great deal of work for the insufficient catch rate of rain gauges. A review of recent studies on correction of errors in precipitation measurement was given in this paper. It is considered that the correction scheme for liquid precipitation is mature at present, but there is not a uniform standard for solid precipitation correction. The main reason is that the current precipitation correction schemes are lack of consideration of precipitation micro process. The full consideration of the precipitation micro process is the key to the correction of precipitation with physical significance. In addition, more detailed precipitation type determination and the record of light precipitation events are also key problems to determine the precipitation correction scheme.

Keyword: Rain gauge; Precipitation type; Precipitation dynamic loss; Precipitation correction.
1 引言

降水量是气候系统中的一个重要参数, 是气候和水文模型的重要组成部分, 同时在生态系统、农业、水资源等领域的研究都有重要地位[1~4]。另外, 降水频率、强度、持续时间以及降水形态的监测对研究当前以及未来的气候变化都有重要意义[5~7]。因此, 降水资料的准确与否直接影响到人们对区域乃至全球水循环、大气循环过程的认识以及气象和地质灾害的预报能力[8~11]。

在站点尺度上, 普遍认为雨量筒获取的降水量最为准确[12], 这种降水量数据常常被国内外学者用来验证和修正遥感反演和模型模拟的降水量[13~15]。然而, 雨量筒自身受到风场引起的动力损失、湿润损失、蒸发损失以及无法记录微量降水造成的损失的影响。一些安装高度较低的雨量筒甚至受到地表降水飞溅和风吹雪的影响。除此之外, 雨量筒自身误差、安装位置以及人工观测的差异性也是影响雨量筒记录精度的重要因素[16]。正是由于这些误差的存在, 不同雨量筒在同一站点获取的降水量也存在差异性, 雨量筒记录的降水量往往小于真实值[17~19]。美国学者Allis等[20]通过在Nebraska对降水综合对比的结果, 发现普通雨量筒对液态、混合态和固态降水量的捕捉率分别为97%, 53%和12%。Goodison等[21]在加拿大的观测结果表明, 美国国家气象局标准雨量筒记录的固态降水比加有防风圈的Nipher雨量计少了50%左右。尽管不同雨量筒的捕捉率存在差异性, 但是总体来说, 雨量筒对液态降水捕捉率较好, 混合态降水适中, 固态降水最差。当风速较大时, 雨量筒对固态降水量的捕捉率甚至在10%以下。然而在一些高纬度和高海拔地区, 由于冷季漫长, 固态降水事件频繁, 大的降水量观测误差直接影响人们对这些区域气候变化、水循环过程等方面的认识。因此, 获取准确的降水量数据一直是气象学家和水文学家关注的一个科学问题[22~24]。

为了确定一个通用的降水量修正方案, 世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)开展了多次降水对比观测计划[25~28], 在这些计划的驱动下, 国内外学者开展了大量的研究工作。通过对比不同装置获取的降水量数据, 在不同国家、不同地区确定了不同类型雨量筒降水量的修正方案; 并且确定了一些降水类型的判定方案。本文对这些研究进行综述, 介绍了国内外雨量筒降水量修正得出的最新成果及发展动态, 同时也提出了目前研究中存在的问题和面临的挑战, 以促进降水量观测误差修正研究的进一步发展。

2 降水类型判定研究

降水观测误差大小与降水类型有很大的关系, 总体来说液态降水和冰雹等降水类型的观测误差相对较小, 降雪观测误差受风速的影响较大[29]。因此, 在进行降水量观测误差修正时, 首先要确定降水类型的判定方案。一般来说, 降水类型取决于特定的大气条件, 包括热量和水分分布、垂直运动、云和冰核分布[30]。因此, 从理论上来说, 准确的降水类型判定依赖于一个综合考虑这些因素作用的模型。但是在常规气象观测中, 这些参数往往难于获取, 使得这样的模型难于构建, 并且在实际应用中也难于发挥作用[31]。比较简单且有效的方法是基于观测的气象参数进行降水类型的判定, 这种降水类型判定方案总体上可以划分成2类。第一类方案仅把气温作为划分降水类型的依据, 这种方案需要的参数最少, 适合于观测数据较少的区域[32~35]。但是从观测的结果来看, 不同地区判定固态、液态和混合态降水的临界温度差异性较大, 因此这种方案缺乏普适性。第二类方案除了考虑气温之外, 还考虑了湿球温度、相对湿度等其他参数[36, 37]。Koistinen等[38]基于气温和相对湿度给出的判定方案(Koistinen and Saltikoff method, KKS), Ding等[39]利用湿球温度、相对湿度和海拔高度确定的降水类型判定参数化方案都属于这种类型。这种方案需要的参数量适中, 另外利用我国气象站点观测数据的验证结果也表明, 这种方案对降水类型的判定精度优于第一种方案且普适性更强[31], 因此在最新的降水类型判定研究中, 往往采用这种方案。

目前给出的降水类型判定方案可以较为准确地把降水类型划分为固态(雪)、液态(雨)和混合态(雨夹雪)。这种判定方法能够满足陆面过程模型和水文模型对降水类型判定的需求[40]。但是就降水量修正方案而言, 简单地把降水类型划分为3类存在着很大的局限性, 比如说冰雹和雪同属于固态降水, 但是雨量筒对这2种降水类型的捕捉率存在很大的差异。因此, 给出更为细致的降水类型划分及判定方案是降水观测误差修正工作中亟待解决的一个问题。

3 降水量观测误差修正研究

针对雨量筒观测降水量的不足, WMO开展了多次降水对比观测计划, 并先后把加有防风圈的英国气象局Snowdon-type雨量筒、格网状的防溅装置、双栅式降水量对比标准装置(Double Fence Intercomparison Reference, DFIR)作为参考雨量计[41, 42]。通过多次降水对比实验, 最终把DFIR记录的降水量作为标准降水量, 但是DFIR获取的降水量与实际值仍然有一定的差距[43]。为了解决这个问题, WMO在2012年进一步开展了专门的固态降水对比观测(Solid Precipitation Intercomparison Experiment, SPICE)计划, 在SPICE计划支持下, Yang[44]对比了BUSH雨量筒和DFIR获取的降水量, 并进一步结合BUSH雨量筒给出了DFIR的修正方案:

BUSH/DFIR(snow)=100+0.171W S32+0.2WS3 (1)

BUSH/DFIR(wet-snow)=100+0.226W S32+0.031WS3 (2)

BUSH/DFIR(mixed)=100+0.081W S32+0.605WS3(3)

公式(1)~(3)中, BUSH/DFIR(snow)、BUSH/DFIR(wet-snow)和BUSH/DFIR(mixed)分别为BUSH雨量筒和DFIR获取的干雪、湿雪和混合态降水量的比值(%), WS3是3 m高度处的风速值(m/s)。

在WMO降水对比观测计划引导下, 国外学者在不同地区布设了降水对比观测试验, 通过对比发现风速是影响雨量筒捕捉率最重要的一个要素。除了风速之外, 不少学者提出气温也是影响不同降水类型捕捉率的一个重要因素。基于这些观测结果和认识, 给出了不同雨量筒降水量观测误差的修正方案(表1)。这些修正方案的确定从一定程度上解决了雨量筒获取降水量值偏低的问题, 提高了人们对区域气候变化、水循环等过程认识水平以及对气象、地质灾害的预报能力。但是这些修正方案仍然存在不少问题, 尤其是当降水类型为固态或混合态时, 这种问题较为突出。这些问题一方面在于确定的修正方案往往是基于日降水量在1 mm甚至3 mm以上的数据构建的, 对降水量较小情况下的适用性难以评价。另一方面, 当风速在7 m/s以上时, 这些修正方案难以满足修正需要。除此之外, 另一个大的问题在于, 即便是同一种雨量筒, 不同学者给出的降水量修正方案也不相同。图1对比了Smith[45]和MacDonald等[46]给出的Geonor T-200B固态降水量的修正方案, 从图1中可以看出, 随着风速的增大, 这2种修正方案对应的捕捉率差值也随之增加, 当风速在4 m/s左右时, 这2种方案对应的捕捉率相差20%以上。总体来说, 固态降水量误差至今没有形成一个统一的修正方案。其主要原因一方面在于目前确定的修正方案基于日降水量, 修正动力损失时用到的风速也是日平均风速, 缺少对降水过程中风速变化过程的细微考虑。另一方面, 不同地区、不同降水强度下雪粒构成差异性较大, 雪粒大小与雨量筒捕捉率有直接的关系, 而以往确定的修正方案很少对雪粒构成进行考虑。

为了形成一个统一的降水量修正方案, 近些年来一些学者开始了对降水微过程的考虑。Thé riault等[53]较早提出:除了风速之外, 降水粒子粒径构成也是影响雨量筒捕捉率大小的一个重要因素, 并通过对比雨量筒内外记录的不同风速条件下不同粒径雪花数量的差异, 论证了自己的观点。Garrett等[54]也认识到了雪粒构成在降水捕捉率中的作用, 并进一步分析了结晶、气温以及大气湍流对固态降水粒子降落末速度的影响。然而由于在常规的降水量观测中, 很少观测降水粒子构成, 且降水粒子构成的区域差异性比较大, 因此目前很难把这个参数引入到降水量的修正方案中。但是从总体上来说, 引入对降水微过程的考虑是未来降水观测误差修正研究的一个方向。

表1 不同雨量筒降水观测误差修正方案 Table 1 Correction scheme of rainfall observation error for different rain gauges

图1 2种Geonor T-200B固态降水量修正方案的差异性Fig.1 The difference of two kinds of Geonor T-200B solid precipitation correction schemes

除了对传统雨量筒的捕捉率进行修正之外, 一些学者开始探索使用新设备进行降水量观测。Sugiura等[23]首先在北极地区使用雪粒子观测装置(Snow Particle Counter, SPC)进行固态降水量的观测, 并与DFIR装置获取的固态降水量进行了对比, 提出SPC装置在用于极地地区固态降水观测有很大潜力的结论。相比于传统雨量筒, SPC具有记录精度高、受到动力损失影响极小的优点, 但是利用SPC进行降水量计算时, 需要用到参数降水粒子等效直径, 由于雪粒子的形状极其不规则, 很难获取到准确的等效直径参数, 因此这种方法得到的降水量误差也比较大。Rasmussen等[55]针对固态降水开发了一种新的雨量筒— — Hotplate雨量计。Fischer[56]利用雪深传感器获取的积雪厚度数据对降雪量进行了推算。这些新的降水观测装置和手段为准确获取降水量提供了新的思路, 但是对解决雨量筒捕捉率不足的问题并没有起到实质性的帮助。

4 我国降水量修正工作取得的成果和面临的挑战

国内学者从20世纪末开始广泛认识到降水量观测误差修正工作的重要性。虽然在东部地区也开展了一些降水对比和修正工作[57~60], 但是由于这些区域风速较小、冷季较短, 因此这些工作受到的关注度相对较小。我国西北地区及青藏高原由于冷季漫长, 一直是国内降水量观测误差修正研究的重点关注区域。在西北的新疆地区, 杨大庆等[61, 62]最早在天山乌鲁木齐河源区进行降水量的对比观测, 通过把DFIR作为标准, 给出了中国国家标准雨量筒(Chinese Standard Precipitation Gauge, CSPG)的修正方法:

Pt=Pm+ΔPa+ΔPw+ΔPe4

公式(4)中, Pt是真实降水量(mm), Pm是观测的降水量(mm), Pa是因动力损失部分(mm), Pw是湿润损失部分(mm), Pe是蒸发部分。其中对动力损失部分的修正方案则是:

CRsnow=exp(-0.056WSg)× 100 (5)

CRrain=exp(-0.04WSg)× 100 (6)

CRmixed=CRsnow-(CRsnow-CRrain)× (Td+2)/4(7)

公式(5)~(7)中, CRsnow, CRrain, CRmixed分别为雨量筒固态、液态以及混合态降水的捕捉率(%), WSg是雨量筒口处的风速(m/s), Td是判定降水形态的一个变量, 是气温的函数, 计算方法如下:

Td= -2(T< -2)2(T> 2)T(-2≤T≤2)(8)

相比于西北地区, 青藏高原冷季更为漫长, 固态降水事件占有重要的比重。为了在高原地区获取准确的降水量, 不少学者针对该区域降水量捕捉率不足的问题开展了工作。何晓波等[29]修正了冬克玛底河流域Geonor T-200B雨量筒获取的降水量, Ma等[63]修正了青藏高原及其周边地区的降水量, 但是他们对降水量的修正仅采用了国外学者在其他地区确定的修正方案, 对这些方案在青藏高原的适用性并没有通过对比观测试验进行论证。张乐乐等[64]在青藏高原北麓河地区通过对比试验评价了Thies激光雨滴谱仪获取降水量的表现, 但是在对比试验中, 参考降水量仍然是基于国外学者确定的Geonor T-200B修正方案获取的降水量。赵求东等[65]最早给出了青藏高原腹地唐古拉地区的Geonor T-200B修正方案:

CRsnow=exp(-0.135WSg)× 100 (9)

CRrain=exp(-0.113WSg)× 100 (10)

CRmixed=CRsnow-(CRsnow-CRrain)× (T-Tmin)/(Tmax-Tmin) (11)

公式(9)~(11)中, T为日平均气温(℃), Tmax为液态降水发生时的最高温度(℃), Tmin为固态降水发生时的最高温度(℃)。但他们用的参考降水量是基于杨大庆等[61]在新疆地区确定的中国标准雨量筒修正方案修正的降水量, 并没有把世界气象组织推荐的DFIR作为降水量观测标准。Chen等[66]最早在青藏高原边缘祁连山区通过综合对比CSPG雨量筒和DFIR获取的降水量, 给出了不同降水形态下CSPG雨量筒在单次降水事件以及日尺度上的降水量修正公式:

CRrain=0.181W S103-0.256W S102-0.795WS10+100 (12)

CRmixed=100 e-0.06WS10(13)

CRsnow=100 e-0.08WS10(14)

CRrain=-1.4 WSg3+2.987 WSg2-6.116WSg+100 (15)

CRmixed=100 e-0.12WSg(16)

CRsnow=100 e-0.11WSg(17)

公式(12)~(14)为单次降水事件降水量的修正方案, 公式(15)~(17)为日降水量的修正方案。其中, WS10为10 m高度处的风速(m/s)。这个成果填补了我国在青藏高原降水量对比观测和误差修正工作中的空白。

虽然我国降水量观测误差修正工作取得了不少成果, 但是仍然存在一些问题。首先是修正方案适用性的问题, 虽然Chen等[66]给出了祁连山地区的修正方案, 但是这种修正方案是基于统计得出的, 缺少对降水微过程的考虑, 因此其在高原腹地的适用性还需要进一步评价。构建出一个适合于整个青藏高原的降水量修正方案是下一步要做的重要工作之一。另一个问题是微量降水, 在以往对固态降水量得出的修正方案中, 往往是通过降水量在1 mm以上或者3 mm以上的数据得出的统计关系, 但是对1 mm以下的微量降水事件关注较少。根据我们在青藏高原北麓河站对比Thies激光雨滴谱仪和Geonor T-200B获取固态降水量得出的结果(图2), 当风速在3.5 m/s以上时, 加有防风圈的Geonor T-200B雨量筒几乎无法记录到降水量在1 mm以下的降水事件。然而根据我们在北麓河站的统计结果(表2), 在全年中, 日降水量小于1 mm的日数占到总降水日数的55%, 在冷季甚至占到了80%左右。这种无法被雨量筒记录到的降水事件在地表过程中所起的作用不容忽视, 如何来确定这一部分降水量也是今后雨量筒降水量修正工作所面临的一个巨大挑战。

图2 不同风速下Geonor T-200B雨量筒对降水事件的记录情况Fig.2 Precipitation threshold that can be detected by the Geonor T-200B under different wind conditions

表2 2012年北麓河地区不同强度降水发生的概率 Table 2 Probability of occurrence of different intensity precipitation in 2012
5 结论与展望

准确的降水量是科学认识气候变化和水循环过程的关键, 但目前降水量观测误差修正方案仍然没能形成一个统一的标准。为了能够发展出一个普适性的修正方案, 未来研究需要关注以下几个方面:

(1) 更为详细的降水类型判定方案。准确的降水类型判定是确定雨量筒降水量修正方案的前提。目前给出的判定方案简单把降水类型划分为固态、液态和混合态, 这种判定方案能够满足水文和陆面模型对降水类型判定的需求, 但是雨量筒对同属于固态降水的雪和冰雹捕捉率差异性很大, 这种判定方案不能满足降水观测误差修正的需求, 亟待确定更为详细的降水类型判定方案。

(2) 对降水微观过程的考虑。目前雨量筒固态降水量观测误差修正方案尚未形成一个统一的标准, 其主要原因在于降水修正方案大部分基于日尺度数据构建, 而缺少对降水微观过程的考虑。另外, 降水粒子构成也是影响雨量筒捕捉率的一个重要因素。对这些微观过程的把握是从物理机制上解决雨量筒捕捉率不足的关键。

(3) 微量降水的考虑。微量降水是固态降水的重要组成部分, 尤其是在我国青藏高原地区, 由于微量降水事件发生概率高, 风速较大, 常规雨量筒对微量降水难以记录。这部分降水在地表过程中所起的作用以及如何去获取这部分降水量也是以后研究中还需要关注的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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