北京市全天候稱重雨量計組網(wǎng)運行效能

李 艷，李 林

（1.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；（2.北京市氣象探測中心，北京 100089）

北京市全天候稱重雨量計組網(wǎng)運行效能

李 艷1，李 林2

（1.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；（2.北京市氣象探測中心，北京 100089）

固態(tài)降水自動化觀測對于預(yù)報服務(wù)，提高冬季降水觀測資料的時空分辨率、減輕觀測員工作強度等具有重要意義。為滿足首都北京應(yīng)急服務(wù)的迫切需求，北京市氣象局2009年起開始建設(shè)全天候稱重雨量計觀測網(wǎng)。通過國家級臺站的業(yè)務(wù)對比評估，較為全面地掌握了全天候稱重雨量計的降水觀測性能，結(jié)果表明其與現(xiàn)有業(yè)務(wù)觀測設(shè)備相比儀器運行穩(wěn)定、觀測數(shù)據(jù)一致性較好。在2012年11月的雨雪相態(tài)復(fù)雜多變的暴雪天氣過程中，全天候稱重雨量計觀測網(wǎng)為數(shù)值預(yù)報、氣象服務(wù)等提供了及時、準(zhǔn)確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟、社會效益。

全天候稱重雨量計;運行評估;應(yīng)急服務(wù);效益分析

1 引言

近年來，隨著全球氣候變暖，我國冰雪災(zāi)害的問題日益突出，其影響頻次和程度明顯增加，發(fā)生范圍不斷擴大，給城市安全運行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來較大危害，特別是隨著城市化進(jìn)程加快，與降雪有關(guān)的“城市次生災(zāi)害”事件逐漸顯露出來。對于特大城市北京來說，由于道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)變遷和機動車保有量持續(xù)快速增加，這些非氣象因素成為引發(fā)與降雪有關(guān)“城市次生災(zāi)害”的重要環(huán)境條件，且在中心城區(qū)聚集大量人口，對氣象服務(wù)的時效性和精細(xì)化要求較高。一旦出現(xiàn)高影響性天氣，對于人口密集、現(xiàn)代化程度較高的超大型城市來說，會產(chǎn)生“多米諾骨牌式”的連鎖反應(yīng)和放大效應(yīng)。2001年12月7日，北京地區(qū)一次突發(fā)的小雪天氣過程造成城區(qū)交通近乎癱瘓，下班高峰期間近百萬市民被困車中達(dá)數(shù)小時。造成如此巨大社會影響的這次微弱降雪天氣過程從中午13時持續(xù)至22時,期間全市平均降雪量僅為1-2 mm。

作為地面氣象觀測的主要項目之一，降水觀測為氣象防災(zāi)減災(zāi)、天氣預(yù)報、氣候分析和科學(xué)研究等提供了重要基礎(chǔ)資料，高時空分辨率的降雪量觀測資料是開展冰雪天氣過程的氣象預(yù)報和服務(wù)工作、降低冰雪災(zāi)害對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活的影響的必要支撐。

一直以來，冬季降水觀測資料為人工觀測方式，存在觀測間隔長、空間分辨率低的問題，同時由于對首都北京特殊服務(wù)的需要，冬季常年需要觀測員每小時進(jìn)行人工加密觀測，觀測員的工作強度十分大，工作效率低。稱重雨量計可實現(xiàn)固、液態(tài)等所有類型降水的全天候自動觀測，使以上問題的解決成為可能。

2 組網(wǎng)建設(shè)

面對迫切需要解決冬季降水觀測資料時空分辨率低、人工觀測工作強度大的問題，2009年12月，中國氣象局在京津冀地區(qū)開展固態(tài)降水自動觀測試點工作，以探索降雪量自動觀測的可行性，為全天候稱重雨量計的全面推廣、鋪開打下了堅實的基礎(chǔ)。依托試點成果，北京市氣象局考慮優(yōu)先發(fā)展國家級站點的固態(tài)降水觀測自動化，以提高自動化水平和減輕觀測人員工作量；加大城近郊區(qū)全天候稱重雨量計的站網(wǎng)密度，以提高氣象服務(wù)精細(xì)化程度；補充建設(shè)交通干線附近尤其是高速公路的站點，以滿足交通氣象服務(wù)需求。

自2011年開始，北京市氣象局多方籌集資金，依托北京市極端天氣條件下保持道路交通暢通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程、北京市人工影響天氣工程建設(shè)項目(一期)工程、中國氣象局氣象災(zāi)害與監(jiān)測預(yù)警工程、北京市大興區(qū)政府自行投資，分批次建設(shè)全天候稱重雨量計，截至2013年11月已建成88個站點全天候稱重雨量計組成的北京市冬季降水自動觀測網(wǎng)。其中，20個國家級氣象觀測站已全部安裝使用全天候稱重雨量計。由于全天候稱重雨量計建設(shè)時間跨度較長且項目為多方資金來源，88套全天候稱重雨量計共涉及四種觀測設(shè)備，包括為VRG101型10個、WUSH-WP(DSC1)型 1 個、HYA-APG(DSC2)型 73個、DSH1(DSC3)型 4 個。

通過上述工程項目的實施，全天候稱重雨量計在北京市城區(qū)的平均站間距約為7 km，在郊區(qū)縣則約為18 km（在大興區(qū)約為9 km），其中在五環(huán)路以內(nèi)多要素站全部采用全天候稱重雨量計。

3 業(yè)務(wù)運行評估

3.1 運行評估方法

根據(jù)業(yè)務(wù)運行實際需要，并借鑒2010-2011年冬季固態(tài)降水自動化觀測試驗考核相關(guān)經(jīng)驗，本文分別從靜態(tài)準(zhǔn)確性、運行穩(wěn)定性、感應(yīng)一致性、降水誤報率、降水捕獲率等五個方面對儀器性能進(jìn)行評估。

固態(tài)降水對比觀測數(shù)據(jù)選取20個國家級站點在2012年11月1日-2013年3月31日期間的稱重降水觀測數(shù)據(jù)、人工降水觀測數(shù)據(jù)，液態(tài)降水對比觀測數(shù)據(jù)則選取16個站點2013年4月1日-7月2日期間的稱重降水觀測數(shù)據(jù)、人工降水觀測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)用自動站雙翻斗雨量計觀測數(shù)據(jù)。

3.2 靜態(tài)準(zhǔn)確性

靜態(tài)準(zhǔn)確性：采用20 cm口徑雨量計測試專用的10 mm雨量量杯和JJS2型雨量校準(zhǔn)器，分別對各站點的全天候稱重雨量計進(jìn)行校準(zhǔn)測試，按照1 mm/min、4 mm/min降水強度分別測試三次，并計算平均降水量輸出結(jié)果。

在2012年10月設(shè)備啟用前及2013年6-7月，對各站點全天候稱重雨量計共進(jìn)行兩次測試，其輸出值均在9.8-10.0 mm之間，靜態(tài)準(zhǔn)確性較好，同時表明，在經(jīng)歷整個冬天使用后，其靜態(tài)準(zhǔn)確性也未出現(xiàn)偏差，有效地改善了雙翻斗雨量計長期使用準(zhǔn)確性較差的問題。

3.3 運行穩(wěn)定性

運行穩(wěn)定性：在整個對比評估期間，如果稱重式降水傳感器工作出現(xiàn)故障，需進(jìn)行現(xiàn)場維護維修，則記錄為1次故障。

在全天候稱重雨量計運行期間，系統(tǒng)整體穩(wěn)定，2012年冬季投入業(yè)務(wù)運行的58個站中，僅有1個站點的設(shè)備發(fā)生過兩次分采集器故障，導(dǎo)致個別降水過程缺測，該站點的數(shù)據(jù)完整性為99.4%，其余臺站對比期間的數(shù)據(jù)完整性為100%。

3.4 感應(yīng)一致性

降水感應(yīng)一致性：當(dāng)人工定時觀測有降水時，若臺站業(yè)務(wù)用人工雨量計觀測到的過程降水量≥0.1 mm，同時全天候稱重雨量計觀測到的過程降水量≥0.1 mm，則認(rèn)為降水感應(yīng)一致。

在2012年11月1日至2013年3月31日，20個站點組網(wǎng)運行時段內(nèi)，人工觀測到0.1 mm以上降水過程總計301站次，最少站點觀測到12次降水，最多站點觀測到18次降水；全天候稱重雨量計觀測到降水過程為296站次，最少站點觀測到11次降水，最多站點觀測到17次降水。有7次降水過程觀測存在差別，其中1次為全天候稱重雨量計觀測有降水，6次為人工觀測有降水，降水量均為0.1 mm。

在2013年4月1日-7月2日，16個站點組網(wǎng)運行時段內(nèi)，自動站（雙翻斗雨量計）觀測到0.1 mm以上降水過程總計282站次，最少站點觀測到14次降水，最多站點觀測到23次降水；全天候稱重雨量計觀測到降水過程為290站次，最少站點觀測到15次降水，最多站點觀測到23次降水。有22次降水過程觀測存在差別，其中15次為全天候稱重雨量計有降水，最大降水量為0.2 mm，7次為雙翻斗雨量計觀測有降水，最大降水量為0.4 mm。全天候稱重雨量計缺測的情況均出現(xiàn)在采用DSC3型設(shè)備的站點，可能是由于DSC3型設(shè)備增加了降水發(fā)生探測器（OPD）誤判所致。

全天候稱重雨量計與人工觀測及雙翻斗雨量計降水感應(yīng)一致性較好，僅在微量降水的情況下，兩者對降水發(fā)生與否的觀測存在差異。而且在液態(tài)降水觀測期間，由于全天候稱重雨量計承水結(jié)構(gòu)較為簡單，減少了集水器和儲水瓶等帶來的沾濕誤差，對于微量降水的觀測更加靈敏。

3.5 降水誤報率

降水誤報：當(dāng)人工定時觀測天氣現(xiàn)象無降水時，而稱重雨量計在此時段觀測到的降水量≥0.1 mm，則認(rèn)為降水誤報。

固態(tài)降水期間，對比臺站提供的J文件和R文件，共有143個時次存在無降雪現(xiàn)象而有降水量的情況，經(jīng)過對照臺站的A文件，其中69個時次為誤報，40個時次應(yīng)為滯后降水，33個時次需要進(jìn)一步分析確定，有1個時次應(yīng)為降水但稍早于人工記錄的降雪時間。12個臺站未出現(xiàn)誤報現(xiàn)象，5個臺站的降水誤報率小于1次/月，3個臺站誤報現(xiàn)象較多 (表1)，誤報主要原因為全天候稱重雨量計三根振弦中一根的溫度敏感性較差，在冬季受溫度影響較大從而出現(xiàn)誤報，經(jīng)過更換振弦后上述三個臺站未再出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。

表1 誤報出現(xiàn)情況

在液態(tài)降水期間，16個站點的全天候稱重雨量計均未發(fā)現(xiàn)有誤報現(xiàn)象。

3.6 降水捕獲率

降水捕獲率：以稱重降水量除以人工降水量獲得百分?jǐn)?shù)。

在WMO組織的國際儀器比對中，推薦使用雙柵式比對標(biāo)準(zhǔn)(DFIR)或者坑式雨量器。在業(yè)務(wù)運行中，臺站并未安裝DFIR或坑式雨量計，而且全天候稱重雨量計與業(yè)務(wù)人工雨量筒在觀測高度、防風(fēng)圈等方面均存在差異。全天候稱重雨量計與業(yè)務(wù)人工雨量計和雙翻斗雨量計測量降水量差異來源不僅來自于傳感器自身，還受到遮擋、風(fēng)、溫度等環(huán)境因素的影響，因此對比評估不對全天候稱重雨量計準(zhǔn)確性計算，僅做降水捕獲率分析。

為使對比評估稱重式降水傳感器觀測數(shù)據(jù)和人工雨量桶觀測數(shù)據(jù)具有可比性，對評估數(shù)據(jù)根據(jù)天氣現(xiàn)象按“降水過程”進(jìn)行劃分（連續(xù)6小時無降水，則認(rèn)為前次降水過程結(jié)束），剔除各傳感器觀測數(shù)據(jù)中的故障時段數(shù)據(jù)及疑誤數(shù)據(jù)并給予標(biāo)注和統(tǒng)計，對比相同時段的觀測資料差異。

在固態(tài)對比期間，20個臺站中有四個臺站人工較稱重偏大，總降水量的捕獲率最低為93.5%，最高為107.4%?？傮w來說，全天候稱重雨量計與業(yè)務(wù)人工觀測值有較好的一致性。

在液態(tài)對比期間，16個臺站中有兩個站稱重較人工偏大，分別為104.4%、100.8%，其余站點稱重均比人工總降水量偏小，最小為84.2%。在液態(tài)降水?dāng)?shù)據(jù)中，人工觀測的降水總量總體處于稱重降水量和翻斗降水量之間。

20個站點的固態(tài)降水平均捕獲率為102.0%，16個站點液態(tài)降水平均捕獲率96.8%（四個站點未參與對比）。從捕獲率數(shù)據(jù)明顯看出，固態(tài)降水時稱重的降水量明顯較人工偏大，而液態(tài)降水時人工和翻斗較稱重偏大。16個站固態(tài)的捕獲率均大于液態(tài)的捕獲率，固態(tài)和液態(tài)捕獲率最大差值為14.1%，最小為2%。

4 設(shè)備改進(jìn)建議

DSC2型采用三根振弦傳感器，但部分振弦會受溫度影響導(dǎo)致誤報，在設(shè)備生產(chǎn)中，廠家應(yīng)做好振弦式稱重傳感器的溫度系數(shù)測定，選用不易受溫度影響的振弦傳感器。同時可以考慮在稱重降水傳感器的分采集器中加入溫度系數(shù)因子，以便于更準(zhǔn)確的計算降水量，或者通過增加感雨探測的方式來確定是否計算降水。

DSC3型由于增加了降水發(fā)生探測器 （OPD），一定程度上減少了誤報的可能性，但同時降低了其對微量降水的測量能力，實際使用中發(fā)現(xiàn)安裝DSC3型設(shè)備的站點降水捕獲率明顯低于其它臺站。

為保證傳感器穩(wěn)定工作，三種類型全天候稱重雨量計均采用“凸”字型的防護罩，防護罩頂端為內(nèi)徑200 mm的承水口，承水口至集水桶約為320 mm長的光滑內(nèi)壁。在特殊天氣條件下，尤其是雨夾雪時內(nèi)壁容易附著雪或凍雨。內(nèi)壁附著的降水，會導(dǎo)致實時觀測的降水量偏少，而該部分雪掉入集水筒時會導(dǎo)致分鐘降水量突增。如果發(fā)生在降水過程中，觀測人員質(zhì)控時會誤認(rèn)為是異常降水；降水結(jié)束后超過滯后降水的觀測時效，工作人員可能會當(dāng)作誤報處理。

針對該問題，建議采取如下三個解決方式：（1）提高工藝水平，增加內(nèi)壁的平整度和光滑度來減小附著；（2）降低承水口至集水桶之間的高度，減少附著空間；（3）增加口沿加熱系統(tǒng)，根據(jù)降雪量實時啟動加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)隨降隨化，并采用溫控使加熱造成的蒸發(fā)損耗降到最低。

1002－252X(2017)03－0040－03

2017－6－1

李 艷(1963-),女，遼寧省鐵嶺市人，北京氣象學(xué)院，?？粕こ處?