新疆地區(qū)降水現(xiàn)象儀平行觀測對比分析

秦 榕，楊 霰，陳艷麗，楊艷玲，潘存良，何亞平

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆鐵門關(guān)市氣象局，新疆 鐵門關(guān)841007；4.哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密839000）

天氣現(xiàn)象是指發(fā)生在大氣中、地面上的一些物理現(xiàn)象，包括：降水、地面凝結(jié)、視程障礙、雷電等其它現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都是在一定天氣條件下產(chǎn)生的[1]。目前，我國地面氣象觀測業(yè)務(wù)中降水天氣現(xiàn)象的觀測和記錄仍然基本依賴人工，根據(jù)觀測員在觀測場看到的降水現(xiàn)象和聽到的聲音來綜合判斷本地發(fā)生的降水天氣現(xiàn)象類型。觀測員需要記錄的天氣現(xiàn)象有21 種，臺站人工記錄天氣現(xiàn)象存在的問題較多，主要表現(xiàn)為：觀測結(jié)果因人而異，其主觀性強、簡單定性，觀測頻次少，不能全面、連續(xù)反映天氣現(xiàn)象情況；人工目測容易出現(xiàn)漏記、遲記等情況。實現(xiàn)天氣現(xiàn)象自動觀測可獲取更多有價值的氣象信息，并改變我國目前人工觀測和儀器觀測并行的地面觀測局面。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新方法被應(yīng)用于自動氣象觀測領(lǐng)域，天氣現(xiàn)象自動觀測在技術(shù)上已日趨成熟；且國內(nèi)外在實現(xiàn)天氣現(xiàn)象自動化觀測方面已做了大量試驗研究，取得了一定進(jìn)展，現(xiàn)已有很多降水現(xiàn)象觀測儀運用于業(yè)務(wù)中[2-3]。

目前，新疆地區(qū)使用的降水現(xiàn)象儀，是利用雨滴譜測量原理的光學(xué)觀測設(shè)備開展降水現(xiàn)象觀測和雨滴圖譜觀測，能夠有效提高降水現(xiàn)象觀測自動化程度，減輕觀測員的工作量，為氣象預(yù)報和服務(wù)提供更多有價值的氣象信息。降水現(xiàn)象儀是一種采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測量系統(tǒng)，可以對雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現(xiàn)象進(jìn)行自動觀測與識別，并按照預(yù)先設(shè)定的格式輸出；不同降水現(xiàn)象的降水粒子，因其物理特性的差異，在直徑和下落末速度的分布上有各自對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的直徑和下落末速度，確定降水粒子的圖譜分布，輸出降水現(xiàn)象類型。降水現(xiàn)象儀自動加熱系統(tǒng)能防止傳感器探頭結(jié)冰，能根據(jù)測量值自動進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。為了防止傳感器孔發(fā)生冷卻，加熱器必須被設(shè)置為自動工作狀態(tài)。一般根據(jù)所處的地理位置、氣象要素極限值選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)點。儀器在出廠測試時，選擇降水粒子直徑的校準(zhǔn)點為2、5、10、15 mm，降水粒子速度的校準(zhǔn)點為1.0、1.5、2.0、5.0 m/s[4-5]。自全國逐步實現(xiàn)降水現(xiàn)象自動化觀測以來，諸多氣象學(xué)者也針對降水現(xiàn)象儀自動化觀測與人工觀測資料對比及儀器的故障處理等方面做了大量分析工作[6-11]。從2017 年10 月開始，新疆地區(qū)103 個國家級臺站陸續(xù)安裝了降水現(xiàn)象儀，新疆氣象學(xué)者針對不同區(qū)域的歷史降水觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制及分析[12-14]，并與平行觀測期間的自動觀測資料進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)臺站在實際運行中仍存在著一些問題，一定程度上影響設(shè)備的業(yè)務(wù)化應(yīng)用及推廣。

根據(jù)新疆氣象臺站降水現(xiàn)象儀自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果進(jìn)行分析探討，給出人工觀測與儀器觀測差異結(jié)果及產(chǎn)生原因，旨在為生產(chǎn)儀器廠家提供信息，并結(jié)合本地出現(xiàn)的特殊情況給出解決方案，以獲取更加科學(xué)可信的氣象數(shù)據(jù)。

1 資料及計算規(guī)定

利用2017 年10 月1 日—2018 年9 月30 日，新疆103 個國家級臺站上報的降水現(xiàn)象儀分鐘數(shù)據(jù)資料，根據(jù)觀測資料的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)資料分為白天段和夜間段，原因在于：夜間人工觀測只記錄降水類型，不記錄降水現(xiàn)象發(fā)生的起止時間。分別從記錄現(xiàn)象種類情況、記錄一致性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、天氣現(xiàn)象發(fā)生時段一致性等方面進(jìn)行分析；若人工觀測到陣雨、陣雪、陣性雨夾雪，在分析時分別按雨、雪、雨夾雪處理；由于夜間不守班，所以夜間天氣現(xiàn)象均參考降水現(xiàn)象儀觀測的現(xiàn)象進(jìn)行綜合判斷、記錄，因此在此不做夜間對比分析。

《降水現(xiàn)象儀觀測規(guī)范（試行）》規(guī)定：降水現(xiàn)象儀中記錄的降水類型為毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹，將人工觀測到的陣雨、陣雪、陣性雨夾雪，在評估時分別按雨、雪、雨夾雪處理[2]。

儀器正確識別某降水現(xiàn)象發(fā)生的過程次數(shù)用a表示，儀器未能識別某降水現(xiàn)象分鐘數(shù)用b 表示，無降水現(xiàn)象發(fā)生時儀器識別有該現(xiàn)象發(fā)生的分鐘數(shù)用c 表示，儀器識別的降水類型與參考標(biāo)準(zhǔn)不一致的分鐘數(shù)用d 表示，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到實際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程次數(shù)用A 表示，實際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)用B 表示，無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)用C 表示，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測天氣現(xiàn)象開始（結(jié)束）時間用T1（T2）表示，儀器觀測天氣現(xiàn)象開始（結(jié)束）時間用t1（t2）表示。

捕獲率：檢驗評估期間，儀器正確識別該降水現(xiàn)象發(fā)生的過程次數(shù)（a）占參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到實際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程次數(shù)（A）的百分比。

捕獲率（%）=a/A×100%。 （1）

漏報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到有某種降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器未能識別該種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)（b）占實際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)（B）的百分比。

漏報率（%）=b/B×100%。 （2）

空報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測為無降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器識別有該現(xiàn)象發(fā)生的分鐘數(shù)（c）占無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)（C）的百分比。

空報率（%）=c/C*100%。 （3）

錯報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到有某種降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器錯誤識別該種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)（d）占實際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)（B）的百分比。

錯報率（%）=d/B×100%。 （4）

降水起止時間絕對誤差：儀器觀測降水開始（終止）時間與參考標(biāo)準(zhǔn)觀測降水開始（終止）時間差值的絕對值之和。

2 計算結(jié)果分析

2.1 捕獲率

圖1a、1b 分別是新疆地區(qū)雨、雪的捕獲率。由統(tǒng)計結(jié)果得出，雨、雪、雨夾雪捕獲率分別為83.07%、67.55%、0.97%；雨的捕獲率在新疆地區(qū)有28 個站低于80%，占總站比的27%。統(tǒng)計結(jié)果表明雨的捕獲率相對比較理想（這其中還包含了諸多毛毛雨未發(fā)生樣本數(shù)量，若能將其中一些毛毛雨的樣本數(shù)平滑掉，那么雨的捕獲率更加可觀）；雪的捕獲率次于雨，其中低于80%的有53 站，占總站比的51%；但從整體情況分析，大部分地區(qū)的臺站和降雪量偏中常的臺站，捕獲率相對理想，部分臺站捕獲率較低，如：阿勒泰、石河子、昌吉地區(qū)的大部分臺站雪的捕獲率總體偏低，經(jīng)查證：主要因為2017 年10 月安裝天氣現(xiàn)象儀之后，觀測人員對儀器特性不甚了解，又是平行觀測第一年，檢查維護(hù)儀器較欠缺；再者，天空出現(xiàn)的陣雪、霰等不確定情況也都與雪一同統(tǒng)計（霰是規(guī)范規(guī)定取消觀測的天氣現(xiàn)象）。雨夾雪捕獲率較低（平均0.97%）；雨夾雪出現(xiàn)概率甚少，出現(xiàn)雨夾雪的幾個站點的捕獲率更是不容樂觀，捕獲率稍高的站僅有吉木薩爾、瑪納斯站，經(jīng)了解，這2 個站也存在2017 年整個冬季數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況（儀器對雨夾雪的識別穩(wěn)定性略差）。

2.2 空報率

圖1c、1d 分別是新疆地區(qū)雨、雪的空報率。由統(tǒng)計結(jié)果得出，新疆地區(qū)雨、雪、雨夾雪空報率分別為0.57%、0.27%、0.41%；各地區(qū)綜合情況良好。位于山區(qū)、低洼地、沙漠區(qū)域的大部分臺站空報率偏高，如：巴侖臺、阿合奇、阿克陶、柯坪、烏什、策勒、鐵干里克站的空報率均超過2%，但從概率統(tǒng)計分析中刨除一些不定因素的影響，此結(jié)果良好。雪的空報率就很樂觀，僅阿拉山口（風(fēng)口）、烏什（低洼）站空報率超過2%（2.02%、2.14%），巴音布魯克站（山區(qū)）空報率1.5%，這從側(cè)面反映出儀器比較穩(wěn)定；雨夾雪出現(xiàn)概率小，數(shù)據(jù)分析不具代表性，在此不做討論。

2.3 漏報率

圖2a、2b 分別是新疆地區(qū)雨、雪的錯報率。由統(tǒng)計結(jié)果得出，雨、雪、雨夾雪漏報率分別為45.9%、55.2%、46.3%；雨漏報率超過60%的有13 個站，且大部分是山區(qū)站以及近幾年站址遷移的臺站和沙漠邊緣站（霍爾果斯、烏蘭烏蘇、北塔山、呼圖壁、天池、阿克蘇、和靜、輪臺、英吉沙、麥蓋提、葉城、墨玉、十三間房），其它各站從理論上分析比較客觀，各站分布基本均勻。雪的漏報率不容樂觀，北疆除塔城、博州兩地區(qū)漏報率略偏低，阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、烏魯木齊地區(qū)漏報率均很高；南疆和東疆除喀什地區(qū)漏報率很高外，其他地區(qū)相對偏低。這也說明標(biāo)準(zhǔn)觀測（人工觀測）與儀器未能識別出現(xiàn)的問題各站情況基本相似。

2.4 錯報率

圖1 雨、雪捕獲率（a，b）和空報率（c，d）

圖2 雨、雪錯報率（a，b）和漏報率（c，d）

圖2 c、2d 分別是新疆地區(qū)雨、雪的錯報率。由統(tǒng)計結(jié)果得出，雨、雪、雨夾雪錯報率分別為15.8%、9.1%、44.7%，從這幾組數(shù)據(jù)明顯看出：天氣現(xiàn)象雨的錯報率比雪的錯報率高，錯報率偏高的臺站同樣出現(xiàn)在北疆的阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、烏魯木齊和南疆的喀什地區(qū)；雪的錯報率僅9.1%，其中，哈巴河、博樂、瑪納斯、新和、巴侖臺、塔中、烏恰、莎車、策勒、伊吾站錯報率較高，且分布不規(guī)律，其他站情況良好。這從側(cè)面反應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)觀測（人工觀測）仍然存在主觀性，比如雪花只要在空中飄浮，標(biāo)準(zhǔn)觀測就認(rèn)定它是繼續(xù)存在的，而儀器則識別為已停止，這說明儀器觀測的結(jié)果更加符合實際。所以，評估結(jié)果顯示雪的錯報率較低。

2.5 降水起止時間絕對誤差

圖3 為降水（雨、雪）起止時間絕對誤差，按現(xiàn)象分類統(tǒng)計出的起止時間絕對值之和可以看出：新疆地區(qū)所有站點均存在降水起止時間的絕對誤差值，只是時間差異不同，就其發(fā)生時間分析，無論是雨還是雪，降水現(xiàn)象持續(xù)時間越長、伴隨的風(fēng)速越大，則差異越大，特別是伊犁地區(qū)雨的起止時間誤差普遍較大；塔城地區(qū)雪的起止時間誤差普遍偏大；另外，大部分山區(qū)臺站和部分遷徙的臺站差異偏大，應(yīng)該與臺站四周環(huán)境空曠、參考標(biāo)準(zhǔn)（人工）觀測降水起止時間的主觀誤差有很大的關(guān)系，當(dāng)然也不能完全排除儀器本身存在的一些客觀問題。

3 一致性分析

如果降水現(xiàn)象出現(xiàn)時間超過1 min，還需要進(jìn)行降水現(xiàn)象發(fā)生時段的分析，以了解天氣現(xiàn)象儀與人工觀測的差異。分別對2 種觀測方式記錄的降水現(xiàn)象起、止時間相差≤15 min 或＞15 min 的現(xiàn)象次數(shù)及比例進(jìn)行統(tǒng)計分析。

首先，以人工觀測作為參考標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，分別給出的自動一致性和人工一致性的結(jié)果（圖4、圖5），可以看出，以人工為基礎(chǔ)的一致率和以自動為基礎(chǔ)的一致率差異很明顯，相同點：≤15 min 一致率都比＞15 min 的一致率高。不同點：人工觀測的一致率都大于自動觀測一致率，且相差很懸殊；人工觀測≤15 min 雨的一致率平均為65%，一致率＞60%的站為70 個，各地州的分布良莠不齊；人工觀測＞15 min雨的一致率差異較大，平均為23.8%，最大為100%，最小為0，極值的差異不具代表性。

雪和雨夾雪的人工一致率，無論是≤15 min 還是＞15 min 雪的一致率都不高，即使有18 個站在≤15 min 一致率達(dá)到了60%，也是因為基本都是降雪較少的南疆和東疆的個別站，它們出現(xiàn)概率小、持續(xù)時間短，所以一致率會高于其他站。＞15 min 雪的一致率超過60%的只有13 個站，也同樣都出現(xiàn)在南疆或東疆站，說明降雪量越大，降雪出現(xiàn)頻次越高，其一致性就越不穩(wěn)定，例如：某次降雪天氣人工觀測記錄的時間為0800—2000（北京時），而自動記錄的0800—1100，1200—1214，1315—1608，1700—1923，1940—2000，這種差異在冬季出現(xiàn)頻繁，其產(chǎn)生的原因在人工與自動儀器中都存在不確定性。

以自動觀測作為參考標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計結(jié)果的一致率，≤15 min 雨的一致率平均只有29.54%，而雪的一致率達(dá)到55.7%，接近一倍之差；雨的一致率達(dá)到60%的只有5 個站；雪的一致率超過60%的有50 個站，而＞15 min 雨和雪的一致率均很差。導(dǎo)致以上差異原因：因人工觀測范圍大，同時存在一定的主觀性，如：人工觀測到雨或雪正在下降，故一直記錄著時間，而自動儀器傳感器之間的距離是通過雨量或雪量，它的測定范圍小，會出現(xiàn)被遮擋物遮蔽或者會被風(fēng)吹飛而造成數(shù)據(jù)過大或過小，儀器設(shè)備通常根據(jù)預(yù)先設(shè)定的值來判斷是否有天氣現(xiàn)象等，這些因素都會對數(shù)據(jù)的一致性等造成影響。另外，若自動觀測到有毛毛雨、冰雹，而人工未觀測到，這也會很大程度的影響觀測數(shù)據(jù)的一致性，特別是毛毛雨，對雨的一致率影響最為顯著。

圖3 降水起止時間絕對誤差

圖4 ≤15min 降水（雨 雪）自動（a，b）人工（c，d）一致率

圖5 ＞15 min 降水（雨 雪）自動（a，b）人工（c，d）一致率

4 降水類型與發(fā)生分鐘對比

根據(jù)人工觀測降水和自動觀測降水類型和發(fā)生分鐘數(shù)據(jù)對比可以看出（表1），在人工觀測中，雨和雪占絕對多數(shù)且比例接近；自動觀測中，雨、毛毛雨、雪合計占多數(shù)；實際工作中出現(xiàn)毛毛雨是極小的概率事件，可以肯定大多數(shù)情況下出現(xiàn)的毛毛雨不是正常觀測記錄值，但它的占比又特別大，對空報率、漏報率、錯報率、捕獲率及一致性影響極大。由表1還可看出，自動觀測到有降水，但不能判別出是什么產(chǎn)生的降水（未知）占比也很大，它的觀測出現(xiàn)的時間不是很連續(xù)，最長僅維持幾分鐘，由于它的出現(xiàn)，前后判別為2 次降水天氣，影響也非常大。如果考慮將未判別（未知）的降水根據(jù)前后及當(dāng)時的天氣進(jìn)行訂正，效果應(yīng)該會更加理想。由于雨夾雪等自動觀測降水發(fā)生的概率也很小，也應(yīng)該考慮前后及當(dāng)時的天氣進(jìn)行訂正。從上述大量數(shù)據(jù)的綜合分析來看，單就平行觀測的對比結(jié)果對新疆而言，只需判定雨和雪就很好，毛毛雨需要仔細(xì)斟酌。

表1 新疆地區(qū)人工觀測降水和自動觀測降水類型和發(fā)生分鐘對比

在儀器運行中還發(fā)現(xiàn)，濕度大的晴天清晨或霧（霾）天氣，降水現(xiàn)象儀頻繁出現(xiàn)毛毛雨，而多數(shù)臺站歷史記錄里幾乎未出現(xiàn)毛毛雨；另外，當(dāng)降水現(xiàn)象儀感應(yīng)面有風(fēng)吹動時，誤將感應(yīng)鏡面細(xì)微的蜘蛛網(wǎng)誤判為降水（南疆、東疆氣候干燥極易頻繁出現(xiàn)，常常于夜間形成），持續(xù)時間也很短；微量降水因雨強過小或下降速度過慢而判斷不出有降水；南疆風(fēng)沙天氣出現(xiàn)頻繁的臺站也會誤將濃浮塵、揚沙判斷為降水（未知），持續(xù)時間較短；另外，夏季蚊蟲飛過鏡頭表面也會迅速被判別為降水；冬季出現(xiàn)零星小雪，儀器測定為毛毛雨或雨（12 月、1 月多站出現(xiàn)雪、雨或毛毛雨同時出現(xiàn)）；上述情況需要考慮從儀器源頭來處理。

5 結(jié)論

（1）雨的捕獲率較理想，若能將毛毛雨的樣本數(shù)平滑掉，則雨的捕獲率將更加可觀。雪的捕獲率次于雨，其中低于80%的有53 站，占總站的51%；大部分地區(qū)和臺站降雪量偏中常的臺站雪的捕獲率相對理想，但阿勒泰、石河子、昌吉地區(qū)的大部分臺站雪的捕獲率總體偏低。

（2）雨的空報率與雪的空報率相比略偏高，但情況良好，位于山區(qū)、低洼地、沙漠區(qū)域的大部分臺站空報率偏高；雪的空報率較樂觀，山區(qū)、低洼地情況不夠穩(wěn)定，總體情況看儀器比較穩(wěn)定。

（3）雨的漏報率超過60%的有13 個站，且大部分是山區(qū)站以及近幾年站址遷移的臺站和沙漠邊緣站；雪的漏報率，除北疆的塔城、博州2 地區(qū)漏報率略偏低，其他地區(qū)漏報率均很高；南疆和東疆地區(qū)除喀什地區(qū)漏報率很高外，其他地區(qū)相對偏低。

（4）雨的錯報率相對較高，錯報率偏高的臺站出現(xiàn)在北疆的阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、烏魯木齊和南疆的喀什地區(qū)。雪的錯報率極高，尤其是哈巴河、博樂、瑪納斯、新和、巴侖臺、塔中、烏恰、莎車、策勒、伊吾站錯報率較高，且分布不規(guī)律。

（5）新疆區(qū)域內(nèi)所有站點均存在降水起止時間的絕對誤差，降水現(xiàn)象持續(xù)時間越長、伴隨的風(fēng)速越大，則差異越大，特別是伊犁地區(qū)雨的起止時間誤差普遍較大；塔城地區(qū)雪的起止時間誤差普遍偏大；山區(qū)臺站和遷徙的臺站差異偏大。

（6）以人工為基礎(chǔ)的一致率和以自動為基礎(chǔ)的雨的一致率差異明顯。相同點：≤15 min 一致率都比＞15 min 的一致率大。不同點：人工觀測的一致率都大于自動觀測一致率，且相差非常懸殊。降雪量越大，降雪出現(xiàn)頻次越高，則雪和雨夾雪的一致性就越不穩(wěn)定。受主觀因素的影響，以自動觀測作為參考標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計結(jié)果的一致率很差。

（7）人工觀測降水和自動觀測降水樣本結(jié)果顯示，雨和雪在人工觀測中占絕對多數(shù)且比例接近，雨、毛毛雨、雪在自動觀測中合計占多數(shù)；其中，占比較大的非正常觀測的毛毛雨記錄對空報率、漏報率、錯報率、捕獲率及一致性影響極大。自動觀測到有降水，但不能判別出是什么產(chǎn)生的降水（未知）占比很大，若根據(jù)前后及當(dāng)時的天氣進(jìn)行訂正，則效果更為理想?？傊?，儀器性能良好、穩(wěn)定、故障率低，若能規(guī)避上述不合理的情況，則儀器投入正常業(yè)務(wù)使用就更具有代表性。建議根據(jù)全國各省發(fā)現(xiàn)的問題綜合考慮，將以上反饋出的一些問題從儀器源頭出發(fā)，考慮儀器設(shè)備預(yù)先設(shè)定的一些參數(shù)等因素，更加客觀的采集天氣現(xiàn)象。