1. 引言
降水是水循环的重要环节，是水文气象部门最重要的监测要素[1]，对人类生产生活具有多方面的影响。翻斗式雨量计由于结构简单，性能稳定，且易于维护[2]，目前仍是我国应用最为广泛的降水量观测仪器[3]。《降水观测规范SL 21-2015》中关于雨量计安装环境，提出了地面观测场、杆式观测场和屋顶观测场三种安装环境。规范中提出“当地面观测场环境不符合要求时，可设置杆式观测场；特殊情况下，专用雨量站可设置房顶观测场”。关于雨量计安装高度，提出了地面雨量器(计)、标准雨量器(计)和杆式雨量器(计)三种安装方式。地面雨量器(计)是指器口安装高度高出周围地面0.05 m；标准雨量器(计)是指器口安装高度高出周围地面0.7 m或1.2 m；杆式雨量器(计)是指安装高度高出周围地面2.5~3.0 m [4]。
雨量计的安装高度不同，往往会导致雨量计对降水的捕获率存在差异，这主要是由于风速影响[5]。其物理机理是若雨量计的安装高于地面，则雨量计筒身会阻碍自然风的运动，引起风场变形，在雨量计器口处形成涡流和上升气流，雨滴轨迹发生变化，从而导致雨量计对降水的捕获率降低，进而造成雨量计获取的降水数据小于真实降水量值[6]-[8]。因此通常将地面雨量计，即雨量计器口高度为0.05 m的雨量计获取的雨量数据作为真实降雨量值。而由于地面雨量计安装与运行维护难度大，且在地下水埋深较浅的地区，汛期雨量计容易淹没损坏，因此目前地面雨量计仍未得到广泛应用。目前，我国最常用的雨量计安装方式仍为地面观测场，雨量计器口高出地面0.7 m或1.2 m。比如，翻斗式雨量计安装高度一般为0.7 m，而称重式雨雪量计由于体积较大，安装高度一般为1.2 m。因此，开展不同高度雨量计观测试验，研究不同高度雨量观测数据相关关系，对于提高雨量观测数据的准确度，提升洪水演进计算结果的可靠性具有重要意义。
2. 研究区概况
鄱阳湖水文实验站位于江西省庐山市星子镇蓼花村鄱阳湖畔，位于我国长江中下游地区，由于一江一湖的特殊地理位置，该地区降水丰沛，且降水主要集中在每年的3~9月。实验站目前建设有野外监测系统、实验研究系统和支撑保障系统。野外监测系统包含有雨量自动测报系统、气象监测系统、水面蒸发监测系统、水热通量监测系统、干湿沉降监测系统、地中蒸渗监测系统等。由于鄱阳湖实验站环境优越，基础设施齐全，数据支撑体系可靠，且具备专业运维人员，加之实验站临湖而建，风力较大，对于不同高度雨量观测研究具有天然优势，因此选定鄱阳湖水文实验站为试验区。
3. 观测方法和仪器设置
3.1. 观测方法
本研究通过选用高精准度的雨量观测仪器，确保了雨量观测数据的高精度和准确度，避免因雨量计的分辨力低或精度差，而造成不同安装高度雨量观测数据差异难以区分。参考规范要求设计安装三种不同高度雨量计，获取不同高度雨量计雨量数据情况，通过分析不同高度雨量计数据的差异，来研究不同高度雨量观测数据相关关系，探究不同高度雨量观测数据分布规律。
3.2. 仪器设置
选用一体化高精准度翻斗式雨量计为雨量观测仪器，该雨量计的分辨力为0.1 mm，计量误差不超过±2%，符合《GB/T 21978.2-2014降水量观测仪器》规范中要求的I等准确度等级。
根据《降水量观测规范SL 21-2015》中的相关要求，结合实验站现场情况与实验目标，雨量计安装设置为地面0.7 m雨量计、2.5 m高杆雨量计和屋顶雨量计三种方式。地面0.7 m雨量计与2.5 m高杆雨量计安装在标准水文气象观测场内，屋顶雨量计安装在水质实验大楼顶，三者安装环境均符合规范要求，3个雨量计安装位置直线距离不超过50 m，避免由于降雨的空间分布差异而造成观测数据的不同。不同高度雨量计安装情况见图1。
图1. 不同高度雨量计安装图。(a) 地面0.7 m雨量计；(b) 2.5 m高杆雨量计；(c) 屋顶雨量计
4. 数据分析
选取2025年4月15日至7月15日三个月的雨量观测数据进行对比分析，根据降雨情况统计，获得40组日雨量数据，按日雨量、月雨量分类进行数据分析。
4.1. 日雨量数据对比
根据日雨量数据，地面0.7 m雨量计观测雨量累计值为398.8 mm；2.5 m高杆雨量计观测雨量累计值为399.7 mm；屋顶雨量计观测雨量累计值为386.1 mm。0.7 m雨量计累计值与2.5 m雨量计累计值误差值为−0.9 mm，差异非常小；0.7 m雨量计累计值与屋顶雨量计累计值误差值为12.7 mm，差值率为3.2%。日雨量数据见表1。
表1. 不同高度雨量计观测日雨量统计表
日期 |
不同高度雨量计日雨量观测值/mm |
误差值/mm |
0.7 m雨量计 |
2.5 m雨量计 |
屋顶雨量计 |
0.7~2.5 m |
0.7 m~屋顶 |
2025/4/22 |
2.7 |
2.4 |
2.1 |
0.3 |
0.6 |
2025/4/23 |
0.8 |
0.8 |
0.7 |
0 |
0.1 |
2025/4/24 |
1.4 |
1.1 |
1 |
0.3 |
0.4 |
2025/4/26 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0 |
0 |
2025/4/27 |
1.1 |
1.2 |
1.2 |
−0.1 |
−0.1 |
2025/4/30 |
10.1 |
10 |
10 |
0.1 |
0.1 |
2025/5/4 |
11.6 |
11.7 |
11.5 |
−0.1 |
0.1 |
2025/5/5 |
0 |
0 |
0.1 |
0 |
−0.1 |
2025/5/7 |
10.2 |
9.9 |
9.4 |
0.3 |
0.8 |
2025/5/8 |
54.3 |
55.7 |
53.8 |
−1.4 |
0.5 |
2025/5/9 |
0.2 |
0 |
0 |
0.2 |
0.2 |
2025/5/14 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
0 |
0.1 |
2025/5/15 |
19.2 |
18.9 |
17.6 |
0.3 |
1.6 |
2025/5/20 |
12.5 |
12.7 |
12.4 |
−0.2 |
0.1 |
2025/5/22 |
47.3 |
47.6 |
44.8 |
−0.3 |
2.5 |
2025/5/27 |
9.4 |
8.2 |
9.4 |
1.2 |
0 |
2025/5/28 |
6.4 |
6.3 |
6.2 |
0.1 |
0.2 |
2025/5/30 |
3.2 |
3.1 |
3.1 |
0.1 |
0.1 |
2025/5/31 |
41.4 |
42 |
43.5 |
−0.6 |
−2.1 |
2025/6/1 |
18.6 |
18.1 |
17.6 |
0.5 |
1 |
2025/6/2 |
0.1 |
0.1 |
0.2 |
0 |
−0.1 |
2025/6/7 |
0.5 |
0.6 |
0.5 |
−0.1 |
0 |
2025/6/8 |
6.8 |
6.5 |
6.1 |
0.3 |
0.7 |
2025/6/9 |
3.2 |
3.1 |
2.9 |
0.1 |
0.3 |
2025/6/10 |
15.6 |
15.1 |
14 |
0.5 |
1.6 |
2025/6/11 |
2.8 |
2.8 |
2.6 |
0 |
0.2 |
2025/6/14 |
13.6 |
13.4 |
12.2 |
0.2 |
1.4 |
2025/6/15 |
10.6 |
10.3 |
9 |
0.3 |
1.6 |
2025/6/18 |
5.8 |
5.6 |
5.8 |
0.2 |
0 |
2025/6/19 |
10.3 |
10.8 |
10.3 |
−0.5 |
0 |
2025/6/20 |
0 |
0.1 |
0 |
−0.1 |
0 |
2025/6/21 |
26 |
28.2 |
26 |
−2.2 |
0 |
续表
2025/6/22 |
12.7 |
12.9 |
12.7 |
−0.2 |
0 |
2025/6/23 |
17.5 |
17.6 |
17.5 |
−0.1 |
0 |
2025/6/24 |
1.3 |
1.1 |
1 |
0.2 |
0.3 |
2025/6/27 |
0.4 |
0.5 |
0.4 |
−0.1 |
0 |
2025/6/28 |
19.3 |
19.3 |
18.7 |
0 |
0.6 |
2025/6/29 |
1.1 |
1.2 |
1.1 |
−0.1 |
0 |
2025/7/8 |
0.1 |
0.1 |
0 |
0 |
0.1 |
2025/7/12 |
0.4 |
0.4 |
0.5 |
0 |
−0.1 |
4/15-7/15 |
398.8 |
399.7 |
386.1 |
−0.9 |
12.7 |
日雨量数据统计分析可知，0.7 m雨量计雨量观测值与2.5 m雨量计观测值，差值不大于0.1 mm的天数为20天；0.7 m雨量计观测值大于2.5 m雨量计观测值的天数为17天，总差值为5.2 mm；0.7 m雨量计观测值小于2.5 m雨量计观测值的天数为14天，总差值为−6.1 mm。
0.7 m雨量计雨量观测值等于屋顶雨量计观测值，差值不大于0.1 mm的天数为22天；0.7 m雨量计观测值大于屋顶雨量计观测值的天数为24天，总差值为15.2 mm；0.7 m雨量计观测值小于屋顶雨量计观测值的天数为5天，总差值为−2.5 mm。
根据《降水量观测规范SL 21-2015》，降水日数是指日降水量大于等于0.1 mm的天数[9]。根据日雨量数据统计雨日情况，0.7 m雨量计和2.5 m雨量计均记录降水日数为38天，屋顶雨量计记录降水日数为37天。
图2. 不同高度雨量计日雨量对比分析图
根据中国气象局发布的雨量划分等级，日雨量大于等于0.1 mm，小于10 mm的雨型划分为小雨；日雨量大于等于10 mm，小于25 mm的雨型划分为中雨，因此本研究将10 mm日雨量作为数据分析阈值。
不同雨型统计结果见图2，日雨量数值不超过10 mm时，0.7 m、2.5 m和屋顶三种安装方式雨量计雨量观测值差异较小，多数差值的绝对值 ≤ 0.5 mm。雨量数值差异多数表现为0.7 m雨量计观测值 ≥ 2.5 m雨量计观测值 ≥ 屋顶雨量计观测值。
当日雨量数据大于10 mm时，0.7 m雨量计雨量观测值多数小于2.5 m雨量计观测值，最大差值为1.2 mm；0.7 m雨量计观测值多数大于等于屋顶雨量计观测值，最大差值为2.5 mm。雨量数值差异主要为2.5 m雨量计观测值 ≥ 0.7 m雨量计观测值 ≥ 屋顶雨量计观测值。
图3. 不同高度雨量计日雨量相关分析图
0.7 m雨量计、2.5 m雨量计和屋顶雨量计雨量观测值具有良好的一致性，降雨量较小时，三者雨量差值较小；降雨量较大时，三者雨量差值逐渐增大，屋顶雨量计与0.7 m雨量计和2.5 m雨量计观测值差异显著，见图3。
4.2. 月雨量数据对比
根据日雨量数据统计分析，获取月雨量累计值情况见表2和图4。
表2. 不同高度雨量计月雨量统计表
时段 |
不同高度雨量计月雨量累计值/mm |
误差值/mm |
0.7 m雨量计 |
2.5 m雨量计 |
屋顶雨量计 |
0.7~2.5 m |
0.7 m~屋顶 |
4/16~5/15 |
111.9 |
112 |
107.6 |
−0.1 |
4.3 |
5/16~6/15 |
192 |
189.9 |
184.5 |
2.1 |
7.5 |
6/16~7/15 |
94.9 |
97.8 |
94 |
−2.9 |
0.9 |
图4. 不同高度雨量计月雨量对比分析图
结合表2和图4，由不同安装高度雨量计月雨量统计数据分析可知，0.7 m雨量计、2.5 m雨量计和屋顶雨量计雨量观测值一致性较好。0.7 m雨量计和2.5 m雨量计雨量观测值差异较小，而屋顶雨量计雨量观测值明显小于0.7 m雨量计和2.5 m雨量计观测值。
三组月统计数据，4/16~5/15时段，0.7 m雨量计雨量观测值与2.5 m雨量计观测值差异较小；5/16~6/15时段，0.7 m雨量计与2.5 m雨量计雨量观测差值为2.1 mm；6/16~7/15时段，0.7 m雨量计与2.5 m雨量计雨量观测差值为−2.9 mm；综合考虑认为，0.7 m雨量计与2.5 m雨量计观测值差异不显著。0.7 m雨量计雨量观测值与屋顶雨量计观测值具有明显差异，三个时段差值分别为4.3 mm、7.5 mm、0.9 mm，差值率分别为3.8%、3.9%和0.95%。
5. 结论与建议
通过对比分析鄱阳湖水文实验站三种不同安装高度雨量计观测数据，可以得出以下结论与建议：
1) 根据日雨量数据和月雨量统计数据分析可知，0.7 m雨量计、2.5 m雨量计和屋顶雨量计雨量观测值具有良好的一致性。
2) 根据日雨量数据分析可知，降雨量较小时，0.7 m雨量计、2.5 m雨量计和屋顶雨量计雨量观测值差值较小，一般表现为0.7 m雨量计观测值 ≥ 2.5 m雨量计观测值 ≥ 屋顶雨量计观测值。降雨量较大时，屋顶雨量计与0.7 m雨量计和2.5 m雨量计观测值差异显著，数值差异主要为2.5 m雨量计观测值 ≥ 0.7 m雨量计观测值 ≥ 屋顶雨量计观测值。
3) 根据月雨量统计数据分析可知，0.7 m雨量计和2.5 m雨量计雨量观测值差异较小，屋顶雨量计雨量观测值明显小于0.7 m雨量计和2.5 m雨量计观测值。
4) 由于本研究分析结果仅基于不同高度雨量计观测数据，未考虑不同降雨过程中风速的变化，关于雨量观测值差异难以进一步细化分析，因此，建议后续研究可以增加风速观测数据，在不同高度雨量数据分析过程中，将风速作为相关因素开展进一步分析工作。
基金项目
1) 南京水利科学研究院院基金项目“风速对降雨观测影响的实验研究”(Y524011)。
2) 江西省水利厅科技项目“鄱阳湖水文实验站不同高度雨量计降水量比测试验分析”(YJZD0924001)。
3) 江苏南水科技有限公司项目“高精度高分辨力微虹吸翻斗式雨量计研制”(NSZS0923001)。
NOTES
作者简介：王越(1987.10-)，女，汉族，河南鹿邑人，硕士，工程师，主要从事水文水资源研究。Email: wangyue@nsy.com.cn
*通讯作者Email: chenzhifeng@nsy.com.cn