何晓波1,2，叶柏生2，丁永建2
(11中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国科学院生态水文与流域科学重点实验室，甘肃兰州 730000;
21中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000)
摘要：青藏高原由于降水观测点分布等原因一直是水文和气候研究的薄弱环节。2005年5～10月在青藏高原唐古拉山中部冬克玛底河流域进行连续的人工气象观测。观测期间根据不同降水类型和气温之间的相关关系，采用气温 217℃为临界值对降水类型进行了划分，利用已有的T 2200B 型自动雨雪量计和普通雨量计的修正公式，并在日尺度 基础上对降水进行了修正对比。经过修正，中游T 2200B 型雨量站全年降水量66211mm ；普通雨量计全年降水量为 65712mm ;2005年修正后的降水量相比1993年观测到的降水量472mm 增加了近200mm 。结果表明在高寒山区降水
观测，依据同步观测的气温划分降水类型，可以根据相关修正公式修正T 2200B 型自动雨雪量计和普通雨量计降水观测值。从而能够在高寒山区恶劣的自然环境自动连续准确的观测高寒区域的降水。关 键 词：青藏高原；唐古拉山；降水观测；误差修正；降水类型
中图分类号:P33211 文献标识码:A 文章编号:100126791(2009)0320403206
第欧根尼收稿日期:2008208220
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007C B411501)；国家自然科学基金资助项目(40741001)；中国科
学院重要方向性项目(K Z CX 32SW 2345)
作者简介：何晓波(1977-)，男，四川武胜人，助理研究员，博士，主要从事寒区旱区水文水资源与环境研究。
E 2mail :hxb @lzb 1ac 1cn
全球气候变暖对降水的影响，就中国而言西部(大约以103°E 为界)近30年来该区域年降水量表现出普遍增加的趋势。作为水文和气候研究的重点区域，青藏高原由于地形、地势的复杂变化导致降水时空
分布的极端复杂性，同时因为降水观测点分布及人工观测局限性等原因使得降水资料的代表性一直是相关研究的薄弱环节[1,2]；另一方面，对于气候寒冷的青藏高原地区，固态降水所造成的观测误差对降水量的观测影响尤为强烈[3,4]。因此，青藏高原的降水观测是一个亟待解决的现实问题。
由于降水参数的重要性，为了改善降水观测，各种各样的防风圈被开发用以改变雨量计周围的流场进而改进雨量计对降水的捕捉能力[5]。不同的雨量计和防风圈由于外形的差异其受气流影响的程度也不尽相同，对降水测量误差修正主要取决于雨量计的类型和观测方式。本文所讨论的挪威产G eonor T 2200B 型自动雨雪量计已在北美、欧洲等国家观测网络以及一些研究计划中得到了广泛的应用，并进行了相应的对比修正[6]。近期国内也开始在青藏高原等高寒地区采用此仪器开展了相关降水观测。因此，针对这一情况本文对青藏高原中部唐古拉山地区的降水观测进行了对比分析和修正。
1 观测区域概况及观测场设置
青藏高原中部唐古拉山脉冬克玛底河流域地理位置为东经92°00′、北纬33°04′，属长江上游通天河水系布曲河流域。张寅生1993年研究表明本区平均海拔在5000m 以上，多年平均气温为-610℃,5～9月份平均气温升至0℃以上；降水集中于5～9月份，降水量43616mm ，占全年比例为9215%～9411%。流域河谷内为多年冻土区，地势平坦开阔，适于降水对比观测。
根据气候条件和降水集中时间，在流域上中下游3个地点布置了3个挪威产T 2200B 型自动雨雪量计降
水观测;T 2200B 型自动雨雪量计采用振弦式称重感应器，基本上可以忽略湿润损失；其次利用在储集器中的防
第20卷第3期2009年5月
水科学进展
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V ol 120,N o 13 May ,2009
冻混合液融化固态降水，以及添加机油，从而避免了蒸发损失。T2200B型自动雨雪量计属于总雨量计，总容量为600mm(包括防冻液)、灵敏度为011mm，测量温度范围-25～60℃。
上游雨量站海拔5270m；中游雨量站海拔5160m(降水对比观测点)；下游出山口处雨量站海拔5040m。所有雨量站均伴有自动气象观测项目，其中包括风向风速(051032L11/L36型风向风速探头,Cam pbell公司)、温度、湿度(H MP45C2L11/L36型温度湿度探头,Cam pbell公司)。人工观测采用普通雨量计严格按照《降水观测规范》测量，其口径为20cm，器口离地面70cm，每日8∶00和20∶00统计;T2200B型自动雨雪量计口径20cm，器口距地面150cm，防风圈距器口中心50cm，记录时间步长为30min。
2 分析研究方法
1985年开始，世界气象组织发起了固态降水观测对比计划(W MO/CI MO1985)。规定使用双层格栅对比参照雨量计(DFIR)作为降水观测真值标准对其它雨量计观测进行修正。Y ang等将美国气象局带防风圈的标准雨量计与DFIR进行了日降雪捕捉率对比观测。Y ang等根据降水类型和气温的数据关系分析认为当T≤0℃时降水类型为固态降水;0℃<T<3℃时为混合降水。从而得出不同气温区间雨量计的相对捕捉率与风速的关系式[7]。
因此，在对其它各种雨量计降水量进行修正时，也是从风速与相对捕捉率的关系入手。在条件允许的情况下，对特定地域不同气温区间不同降水类型的降水展开分析。
211 相对捕捉率计算公式
Smith在加拿大萨斯喀彻温省专门采用DFIR和T2200B型自动雨雪量计的降水观测进行了对比分析，得出了T2200B型自动雨雪量计固态降水的相对捕捉率与风速之间的日平均关系公式[8]为
CE=
T
DFIR
=exp(-0120U a)(1)
式中 CE为相对捕捉率,%;T为T2200B型自动雨雪量计所观测降水量值;DFIR为双层格栅对比参照雨量计观测降水量值;U a为雨量计器口高度的日平均风速。
修正结果显示T2200B型自动雨雪量计降水总积累量提高到DFIR的87%，远远高于未修正时的36%，效果明显。此外在降雨观测方面,T2200B型自动雨雪量计观测较为理想，平均相对捕捉率均达到了90%左右。212 风速的确定
在降水相对捕捉率公式中需要雨量计器口处的风速，但一般自动气象站在观测时并没有此高度的风速测量。根据G oodis on等[3]，器口高度风速可用以下公式计算:
U a=[lg(h/z0)/lg(H/z0)]×UH(2)式中 U a为器口高度风速;h为器口据地面高度;z0为粗糙长度(冬季为0101);H为风速测量高度;UH为距地面高度处的风速。
在本文中所述的测量中均有与降水测量器口相应高度的风速测量可以直接应用。
根据Y ang等[7]利用DFIR进行对比实验中运用式(1)、式(2)时，在当日平均风速超过6m/s的情况下就要考虑公式的误差。而且此时DFIR对降水的测量低估也上升到20%。同理式(3)也必须考虑较大风速的情况，选择6m/s作为参考风速上限。在考察期间,3个雨量站点日平均风速高于6m/s仅出现在4月10
日之前和11月15日后(图1)，期间降水量少于全年5%。修正的降水时段风速基本低于6m/s。
213 降水类型的判断
降水观测误差和降水类型也有很大的关系。一般来说液态降水和冰雹等降水类型的观测误差相对较小，雪花观测误差范围就随雪的形态和风速的影响变化较大；雪在青藏高原降水中占较大比例，其相对捕捉率低。此外在全球变暖的背景下，一方面由于温度的升高导致固态降水的比例下降，液态降水增多，普通雨量计的观测值也有相应的增加。因此也表现出全年降水量的增加，水文和气候研究时应考虑这一问题。因此在近年来的西404水科学进展第20卷
图1 2005年唐古拉山冬克马底冰川流域上中下游雨量
站点日平均风速
Fig 11Average wind velocity at 3automatic rain gauge in T ang 2
gula M ountain in 2005
mime
部气候向暖湿转型的过程研究中就必须考虑降水数据的准确性。缺乏人工观测的情况下，降水类型划分对于降水观测的修正就变得很重要。
在缺少相关数据支持的情况，对降水类型划分主要依靠与当地气温的统计关系,Y ang 等[7]在不同环境下对降
水类型和气温关系研究发现雪发生的最大气温范围是从-411℃～216℃；混合降水气温范围是-816℃～713℃；降雨的最低气温为-116℃。Upadhyay 通过分析认为气温小于0℃时98%的降水类型为雪，但Upadhyay 认为在气温介
于0℃～3℃时降水类型中雨或雪比例较大只有小部分情况为混合类型[9]。另一方面Fassnach 等[10,11]总结分析了
气温和降水类型的关系，表明空气湿度是确定气温和降水
类型关系的重要因子。
3 结果分析与讨论
公共财物
311 降水类型判断
观测地点位于青藏高原唐古拉山多年冻土区，气候寒冷。2005年开展了从5月12日开始至10月5日共147d 的降水观测对比观测，无降水日34d ，降水日113d ：其中固态降水61d ，混合降水类型23d ，
降雨29d ；固态降水的天数占到了观测时段的41%；降雨多集中于7、8月份，降水天数占观测时段的20%。观测期间日平均风速为215m/s ，日平均气温为412℃；平均相对空气湿度7514%。
分析表明降水类型对湿度不敏感，观测到的固态降水发生时最大湿度范围从2118%至99%；混合降水发生时最大湿度范围从59%至99%；降雨发生时最大湿度范围从44%至99%。
根据人工和自动观测数据对比分析,2005年固态降水最大日温度范围从-816～913℃，时间范围是6月中旬之前9月中旬之后。混合类型温度范围从214～819℃，时间范围为从6月21日至9月11日结束;
降雨温度范围从
图2 冬克玛底流域中游不同温度降水修正月降水量
Fig 12Bias 2corrected precipitation according to tem perature 2clas 2sific precipitation ty pe
217～912℃，时间范围从6月28日至9月4日。统计得出日
气温低于217℃时没有发生纯液态降水，日气温低于214℃时降水均属于纯固态降水。依此，分别按照217℃和214℃的临界值和忽略混合类型降水的影响，简单的将低于临界值的降水划入固态降水进行降水类型的划分。
根据数据分析，在有人工观测的87次降水过程中,
依靠不同温度划分降水类型的两套方案与现场人工观测相比较，准确率分别为80%、83%，相差不大。按照217℃确定的降水类型和人工观测的降水类型修正值更为接近(图2)。在观测时段内T
2005梦想中国
2200B 型自动雨雪量计计原始测量值为26319mm ，采用式(1)，两套温度方案修正值分别为29617mm 和30816mm 。根据实际观测的降水类型修正后
的降水量为31112mm 。217℃划分降水类型和人工观测降水类型修正后的降水量相差216mm 。因此对比后选定
217℃为降水类型划分的温度标准。312 降水修正31211 普通雨量计修正
利用杨大庆[12]在乌鲁木齐河流域所做的降水观测和降水修正，针对本次试验中的普通雨量计做了相应的
5
04 第3期何晓波，等：青藏高原唐古拉山区降水观测误差修正分析
误差修正和对比。
根据杨大庆等在乌鲁木齐河流域的对比观测所得出的中国标准普通雨量计的捕捉率与风速的关系为
CE snow=exp(-01056W s)×100 CE rain=exp(-01040W s)×100
(0<W s<612)
(0<W s<713)
(3)秘密接头详情
式中 CE snow、CE rain分别为降雪和降雨时捕捉率;W s是标准的10m高度风速。
雨夹雪等混合降水类型按以下公式计算:
CE mixed=CE snow-(CE snow-CE rain)×(T d+2)/4(4)
T d=-2
2
T
(T<-2)
(T>2)
(-2≤T≤2)
(5)
式中 CE mixed为混合降水捕捉率;T d为日平均温度。
考虑风速、降水量以及降水类型得出实际降水量计算公式为
P c=(P g+ΔP w)/CE
ΔP t
(6)
图3 观测期间T2200B型自动雨雪量计与人工观测对比 Fig13C om paris on of Automatic observations and manual obser2 vations in summer2005式中 P c为修正降水量;P g为器测降水量;ΔP w为湿润损失;ΔP
t
为微量降水损失(当日降水少于011m m时计算采用)。
其中湿润损失对于降水日按1d一次，降雪为013 mm，降雨和混合降水为0129mm；对于微降水日微量降水损失按011mm修正直接加到降水量；忽略蒸发损失。本文中采用实际观测到的降水类型修正普通雨量计。
在对比时段内自动雨量计测得降水量26319mm，人工测得27918mm，人工观测比T2200B型自动雨雪量计多出1219mm。单次降水观测数据对比显示两者相关性很好(图3)，说明T2200B型自动雨雪量计可替代普通雨量计人工观测。
31212 T2200B型自动雨雪量计修正
在降水类型判断的基础上，采用式(3)和实测风速，对T2200B自动雨量计进行修正，以此得到较为贴近实际的降水量。表1是流域上游、中游和出山口T2200B型自动雨雪量计的原始观测值、利用气温划分降水类型以及人工观测降水类型为验证的修正对比。
对比结果表明：在有人工观测降水类型的中游，按照217℃的临界值划分降水类型修正后的降水量基本与人工观测降水类型修正降水量一致，相对捕捉率(CE)平均为86%。依此，分别对上游和出山口自动降水量观测进行了修正(表1)。从表1中可以看出,6～8月雨量计的修正不是很大，这与降雨时间范围6月28日至9月4日相符合。上游和出山口在其它时段相对捕捉率(CE)较低导致降水量修正大幅度增加分别为上游9月后月降水量的修正均高于70%；出山口月修正均高于60%，最高时超过200%。原因是这期间观测降水量较少，降水类型全部为降雪，且期间风速较大。
利用气温划分降水类型所得修正降水量值相对雨量计原始观测值提高约1618%，而根据实际观测的降水类型计算所得的降水量值较原始观测值提高1717%。其主要原因是实际观测的固态降水量要多于依
据温度划分的固态降水量。对比出山口同期降水在全年所占比例推算流域上游和中游全年降水量。上游全年降水量为651mm；中游同比修正降水量为66211mm；出山口全年修正值为56717mm。在冬克玛底冰川流域由于地形影响导致局部降水不均匀，下游降水明显偏低，中游略高于上游。
604水科学进展第20卷
利用划分降水类型的温度指标修正T 2200B 型自动雨雪量计的降水量观测值完全可以适应高原恶劣的自然环境，并对降水进行长期自动的观测。相比1993年观测所得的降水量，在相同地点观测修正后的年降水量66211mm 远大于当时的全年降水量472mm [13]；接近200mm 的降水增量对于青藏高原水文和气候研究有着重大
的意义和价值。
表1 观测期间T 2200B 型自动雨雪量计测量值与气温划分降水类型以及实际观测降水修正对比
mm
T able 11Monthly precipitation measured by T 2200B and bias 2corrected precipitation according to measured and
temperature 2classific precipitation type in 2005in T anggula Mountain
月份
出 山 口
中 游
上 游
测量值
实测修正温度修正修正率/%
测量值
实测修正温度修正修正率/%
测量值
实测修正温度修正修正率/%
1
23456789101112
213215210111930194718105171181367101215315115
7411132111331811710
8156156152710601367161171713114107132510616312
270160225127954111116010089113
401114613771550111751385185010172158611251811
4315133131151669122111311010
6013153191321612411
56181621013717123123713514010
312219787774
4 结 论
唐古拉冬克玛底冰川流域位于青藏高原腹部，属于低纬高山高原寒区。本区气候恶劣、交通不便，是降水观测极为困难的典型高寒山区。本区降水主要集中于5～9月，降水类型多为固态降水。观测时期纯降雨天数仅有29d ，其余时间多为固态降水。经过5个月的T 2200B 型自动雨雪量计降水量与人工降水观测分析，依据气温和降水类型之间的统计关系，完全可以利用式(1)和式(3)修正T 2200B 型自动雨雪量计和普通雨量计的观测数据。根据实测资料修正后观测时段2005年冬克玛底冰川流域上游全年降水量为651mm ；中游为66211mm ；出山口全年降水量为56717mm 。通过实际观测的降水类型修正同期观测的普通雨量计，全年降水量为65712mm 。两种方法修正后的降水远高于前人对本区降水的观测。同时也验证了T 2200B 型自动雨雪量计在恶劣自然
环境测量降水的效率，为高原降水观测提供了又一便捷长期有效的观测仪器。为以后青藏高原各项水文和气候研究工作做好了铺垫。
致谢：野外观测过程中，得到了冬克玛底冰川考察队全体队员的支持和帮助，在此深表谢意。参考文献:
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04 第3期何晓波，等：青藏高原唐古拉山区降水观测误差修正分析
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