全面替换机械式雨量计,要快!
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发布时间：2024-10-05 14:05
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时间：2024-12-15 03:15
以一个简单且明显的事物为例，我们可能没有注意到，获取最重要的气象参数——雨量，竟然如此不可靠！比如，雨量。
中国目前最广泛使用的雨量计是翻斗式（机械式）雨量计。作为自然灾害频发的农业大国，雨量的监测质量直接关系到雨量是否能够被长期、持续、准确地监测，这对于滑坡、坍塌、泥石流、干旱、洪涝等自然灾害的预警，对于农业的保墒、病虫害预防等都起着至关重要的作用。
目前，中国部署了十万台以上的翻斗式（机械式）雨量计，其设备原理和质量与国际使用的同类设备差别不大，但从使用效果来看，仍然让人无法不产生质疑。
在我们的应用场景下，翻斗式雨量计的结构原理存在以下致命性缺陷：
1. 收集器结构导致其必须进行定期清理
漏斗状收集器的入口大，出口却很小，这样的结构很容易让灰尘和着水所成的泥浆、树叶树枝、昆虫及微生物群落、鸟类动物的排泄物等，成为堵塞排水口的祸源。估计在不维护的情况下，翻斗式雨量计能够正常工作超过1年的数量不到装机量的50%，而原因就是以上所说。此类收集器结构在长期工作下如不做定期清理，必然会影响其工作的稳定性。
2. 大雨、细雨测量严重偏差
翻斗式雨量计正常工作时，水在重力作用下从收集器底部小孔流出，被一个平衡跷跷板状的双翻斗接住，一个翻斗满了同侧就会倾斜倒出，这时候对侧的翻斗就去漏水口下侧接水，如此往复。翻斗的每次倾倒都被计数，乘以每斗体积，作为降雨量输出。
由此可见，精度取决于每斗的体积大小，测量的水量的最大最小值与翻斗结构的摩擦力及最大振动频率相关。这就导致在现场应用中，大雨、细雨测量的严重偏差，而大雨、暴雨是我国各个部门关注的重中之重。
3. 雨强缺乏实时性
另外，我们通常不太注意的一点，就是触发雨量计计数的那斗水，通常不是实时降雨，而是以前被收集器接住的水。这就导致了如果没有收集到足够多的水，雨量计是不触发的。
另外一种情况，大雨下雨量计不断测报的都是过去的雨水，输出的所谓雨强完全失去了应有的实时性。同时，降雨对地面的侵蚀作用也无法反映出来。
当然，翻斗式雨量计设计上也存在一些缺陷，使得安装使用的要求、门槛相当高。例如翻斗底座要物理水平，不然会影响精度，并且后期无法矫正；安装固定必须使用水泥底座进行加固等。
翻斗式雨量计既然有这么多缺陷，那什么导致了用户的“固步自封”呢？
首先是历史“包袱”，降雨量数据大多都要长期收集，最长的百年以上。如果测量的方法和精度发生变化，那数据就不能放在一起处理，也就无法得出数学上可靠的趋势。但是这种考虑忽略了现代数值模拟技术。
其次是“权威机构”的影响。国际上主要的气象机构和中国国家气象局在这方面都是法定权威，因此大家就直接采用他们现有的设备方案，但无法“继承”的是他们的建设和维护专业能力。
最后，是成本。机械式雨量计生产量大，产品升级周期长，使得销售价格和生产成本都十分“划算”。
可是科学技术是在否定中前进的。在今天的应用场景中，我们需要的是完全不同的雨量计：
1.除了降雨的体积总量外还需要知道它们冲击地面的动能。
降雨量与形成的地表径流量和土壤含水量增加相关，降雨动能又与入渗率和地表侵蚀速度相关，是长期地形地貌变化、水土流失、灾害触发的重要物理参数，也是未来生态研究的主要方向之一。在全球气候变化的背景下，采集相关历史数据就十分紧迫和必要。
2.需要实时高频的雨量计量，可通过积分输出各种传统的雨强数据。
根据奈奎斯特采样定理，要以被采样信号最高频率一倍以上的频率采样出来的数据，才能反映信号真实全面的信息。
我们并不确定降雨频率的最高值，但是可以把采样频率大大提高（1K赫兹以上），用来最大程度获取信息。然后使用数字信号处理方式，输出成传统的雨强（低频），甚至可以模拟历史上传统雨量计的输出。类似老电影的数字还原及数字电影的复古模拟。
这样，就需要电子化高频采样的传感器和数字电路，在设计中必须满足以下条件。
1. 非干涉机构
防止各种外部干扰，通过结构和数据处理把非雨滴的响应降到最低，甚至彻底消除，以及减少雨滴间互相干扰。简单说就是不让雨水堆积，最大限度减少测量过程中的雨滴碰撞导致的能量损失，最大程度提高传感器对雨量动能的响应。
2. 全电子化自动矫正安装误差、运行干扰
在数字计算能力高度发达的今天，还以机械结构获取数据，显然是十分落后的，但更主要的是对未来增量需求的不适应。因此设计一台全电子、抗干扰、高度容错性的雨量计就十分必要了。
3. 大规模空间部署
全球定位、精准授时、同步通信、重量轻、快速安装、免维护。人类社会的全面数字化转型，需要传感设备的大规模空间部署。这对设备提出了全新的设计要求。
首先，小型化轻质化，要能够以最小的运力部署。其次，每台设备要做到实时定位、时间准确、同步的通信、以获得时间空间完备、传输实时可靠的数据。最后，规模部署的设备人工维护是不现实的。
4. 数据的准确性和可靠性
雨量计的唯一价值就是持续提供准确可靠的数据。传感器数据的精度作为一个必备的参数被人们忽视了其真实的意义，精度只有在准确的前提下才有意义！而准确的输出是什么呢？就是被测量的量变化不受干扰地被传感器捕获，并且产生了符合规律的输出量变化。
这个过程中，有大量的外部干扰、系统异常，准确输出就要求设备能够分辨干扰，并采取有效措施消除该干扰的影响。可靠性，指的是数据的连续性和准确性的质量能够持续保证，也需要设备和设备管理系统具有相当的智能。
那么这样的设备做得出来吗？其实已经有了，这是一台获得欧洲红点设计大奖的气象站，命名为天圻(点击蓝色字体，跳转了解天圻详情)，该雨量计就基本具备了上述6项特性。今年我们还将推出单独的天圻压电式雨量计，从成本到功能都将是前所未有的。
近10年来，全球主要机构持续观测气候变化对农业生产和自然灾害的影响，一致认为未来气候波动性会进一步加大。
在我国的农业粮食保障、水资源利用、自然灾害的预警应对领域，雨量作为最重要的影响因子，全面监测都是紧迫的。
然而，大量现有的和新增的翻斗式（机械式）雨量计“尸位素食”，浪费的投资且不论，谁将为我们失去的获得未来保障和安全的基础数据的“机会成本”买单！
全面替换机械式雨量计，要快！
