DSG3降水現(xiàn)象儀與人工觀測比對分析

許霞 唐曉東 倪軍

摘要：本文介紹了DSG3降水現(xiàn)象儀結(jié)構(gòu)與原理，對肥西國家氣象觀測站2018年1月～12月的DSG3降水現(xiàn)象儀與人工觀測降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對，對降水過程進(jìn)行分析，從數(shù)據(jù)的完整性和一致性進(jìn)行分析評估，以求獲得降水現(xiàn)象儀降水識(shí)別能力的個(gè)體差異和原因，并提出日常業(yè)務(wù)工作中常見異常情況及處理方法，闡述降水現(xiàn)象儀的應(yīng)用可有效提高降水現(xiàn)象觀測自動(dòng)化程度，減輕觀測員工作量，填補(bǔ)了夜間降水現(xiàn)象的空白，為氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：降水現(xiàn)象;降水現(xiàn)象儀;人工觀測;比對分析

中圖分類號： P414.95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.18.071

1 降水現(xiàn)象儀在氣象中的應(yīng)用意義及現(xiàn)狀

天氣現(xiàn)象觀測是地面氣象觀測的主要項(xiàng)目之一，降水現(xiàn)象又是天氣現(xiàn)象的重要組成部分。目前，由于云量、云高及天氣現(xiàn)象等仍然主要依靠人工觀測，給臺(tái)站觀測業(yè)務(wù)帶來諸多不便。為此，中國氣象局也在加快推進(jìn)降水現(xiàn)象等自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)和考核。安徽省各國家級氣象站也在陸續(xù)進(jìn)行降水現(xiàn)象儀的布設(shè)，開展降水現(xiàn)象平行觀測，推進(jìn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。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、識(shí)別和雨滴圖譜觀測，能夠有效提高降水現(xiàn)象觀測自動(dòng)化程度，減輕觀測人員工作量，實(shí)現(xiàn)對降水現(xiàn)象的全天候連續(xù)觀測，提高觀測的頻次和質(zhì)量，使觀測結(jié)果客觀化、觀測資料連續(xù)化，填補(bǔ)夜間降水現(xiàn)象的空白，增強(qiáng)對降水天氣現(xiàn)象的監(jiān)測預(yù)警能力，為氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。

目前，從各臺(tái)站一年多的平行觀測應(yīng)用反映的實(shí)際效果看，還存在不少問題，影響了降水現(xiàn)象儀的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。同時(shí)，目前對降水現(xiàn)象的自動(dòng)觀測與人工觀測深入比對分析甚少，本文從儀器組成、工作原理入手，利用肥西國家氣象觀測站2018年1月～12月的DSG3降水現(xiàn)象儀（天津中環(huán)天儀器氣象有限公司生產(chǎn)）與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對，對降水過程進(jìn)行分析，從數(shù)據(jù)的完整性和一致性進(jìn)行分析評估，以獲得降水現(xiàn)象儀降水識(shí)別能力的個(gè)體差異及原因，并對異常情況進(jìn)行分析，提出處理方法，確保觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為業(yè)務(wù)人員提供參考借鑒。

2 儀器組成及工作原理

DSG3降水現(xiàn)象儀是一種集采集處理、存儲(chǔ)、通訊一體化的專業(yè)用于測量降水粒子特性的儀器，可以對毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現(xiàn)象進(jìn)行自動(dòng)觀測與識(shí)別，并按照預(yù)先設(shè)定的格式輸出;還可以輸出雷達(dá)反射率用于Z/R關(guān)系的擬合修正。

2.1儀器組成

DSG3降水現(xiàn)象儀由激光降水傳感器、控制機(jī)箱（包括智能數(shù)據(jù)模塊、供電系統(tǒng)）、安裝支架組成[1]，如圖1所示。

2.2工作原理

DSG3降水現(xiàn)象儀核心部件是激光雨滴譜儀。以平行激光束與光電管陣列組合成測量區(qū)域，當(dāng)有降水粒子通過測量區(qū)域時(shí)，自動(dòng)記錄降水粒子的尺度和速度，并根據(jù)檢測到的降水粒子信息進(jìn)行判斷分類，輸出相應(yīng)的降水現(xiàn)象。同時(shí)可以輸出降水粒子尺度譜、速度譜以及相應(yīng)的粒子數(shù)量。

激光源（激光二極管）產(chǎn)生一束平行光，接收端的光電二極管，將測量的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)降水顆粒下落通過紅外光束時(shí)（見圖2），接收端接收的信號被減弱，振幅的減少確定了顆粒直徑，振幅信號減少的持續(xù)時(shí)間確定了顆粒的下落速度，檢測信號變化數(shù)目計(jì)算出通過采樣區(qū)的粒子數(shù)目。根據(jù)各種參數(shù)的綜合信息對降水粒子進(jìn)行分類以雨滴譜的形式展現(xiàn)出來，并計(jì)算出瞬時(shí)降水強(qiáng)度、降水粒子總數(shù)、累積降水量、雷達(dá)反射因子，實(shí)現(xiàn)天氣現(xiàn)象的自動(dòng)識(shí)別[2]。通過與ISOS軟件的鏈接，實(shí)現(xiàn)降水現(xiàn)象儀產(chǎn)品應(yīng)用。

2.3 降水類型區(qū)分

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。對照圖3降水粒子區(qū)域分布圖，不同類型的降水，其速度和直徑位于不同的區(qū)間[2]。當(dāng)降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子速度<10m/s時(shí)為雨;當(dāng)降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直徑>0.2mm時(shí)為雪;當(dāng)降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子直徑>0.6mm時(shí)，為混合降水;當(dāng)降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直徑<0.6mm時(shí)為毛毛雨;當(dāng)降水粒子的速度>10m/s，且粒子直徑>5mm時(shí)為冰雹[3]。

DSG3降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測降水類型由顆粒的直徑（0.125mm... >8mm，分為22個(gè)等級）、下落速度（0.2m/s ... >10 m/s，分為20個(gè)等級）來確定的，部分降水類型的判記見表1。另外， 溫度也是一個(gè)重要的判斷依據(jù)，降水溫度高于9℃自動(dòng)認(rèn)為是毛毛雨、雨（除冰雹），低于-4℃作為雪，在-4℃和9℃之間的溫度所有的降水類型都有可能。

3 記錄比對分析

3.1數(shù)據(jù)的獲取

分析用的數(shù)據(jù)取自肥西縣國家氣象觀測站ISOS軟件2018年1月1日～12月31日全年的天氣現(xiàn)象要素每日逐分鐘訂正數(shù)據(jù)中降水類天氣現(xiàn)象分鐘數(shù)據(jù)及降水現(xiàn)象整編數(shù)據(jù)文件中每日降水天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)比對分析

3.2.1統(tǒng)計(jì)分析 采用統(tǒng)計(jì)分析軟件對365d 的525600個(gè)自動(dòng)觀測分鐘數(shù)據(jù)及人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分為白天（08～20時(shí)）和夜間（20～08時(shí)）的降水現(xiàn)象記錄，白天以分鐘為基本單位統(tǒng)計(jì)，夜間以日統(tǒng)計(jì)，全年未出現(xiàn)冰雹天氣現(xiàn)象，得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)以上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：DSG3降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測有降水現(xiàn)象記錄比人工觀測記錄多，記錄的降水現(xiàn)象類型比人工觀測記錄多，白天和夜間自動(dòng)觀測降水類型均為5種，而人工觀測為4種。自動(dòng)觀測存在缺測和未知天氣現(xiàn)象記錄，其中缺測率為0.29%，未知天氣現(xiàn)象率為0.09%。按照《降水現(xiàn)象儀平行觀測評估報(bào)告格式和內(nèi)容要求》，以人工觀測記錄為參考標(biāo)準(zhǔn)，得到DSG3降水現(xiàn)象儀白天守班時(shí)段觀測數(shù)據(jù)評估表，見表3。

3.2.2 過程數(shù)據(jù)分析 DSG3降水現(xiàn)象儀能捕捉到每個(gè)主要的降水過程，包括一些降水弱、出現(xiàn)時(shí)間短的現(xiàn)象。人工觀測降雨過程116次，儀器正確識(shí)別雨104次，其中，開始時(shí)間相差15分鐘及以內(nèi)的過程有69次，15分鐘以上的35次;結(jié)束時(shí)間相差15分鐘及以內(nèi)的過程有64次，相差15分鐘以上的40次。人工觀測降雪過程12次，儀器正確識(shí)別雪11次，其中開始時(shí)間相差15分鐘及以內(nèi)的過程有10次，15分鐘以上的1次;結(jié)束時(shí)間相差15分鐘及以內(nèi)的過程有9次，相差15分鐘以上的2次?？傮w上對降水現(xiàn)象的識(shí)別能力較強(qiáng)，具有較高的降水捕獲率，性能較穩(wěn)定。一般每個(gè)降水過程都能較早觀測到降水，每個(gè)過程總是由弱到強(qiáng)，再由強(qiáng)到弱，開始和結(jié)束時(shí)往往降水較弱，從數(shù)據(jù)記錄看過程前后毛毛雨較多，降水間隙較多，設(shè)備感雨靈敏度較高。

3.2.3人工觀測數(shù)據(jù)對比 從以上統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果可看出，DSG3降水現(xiàn)象儀有降水現(xiàn)象記錄比人工觀測記錄多，記錄的降水現(xiàn)象類型比人工觀測記錄多。夜間儀器自動(dòng)觀測記錄各類降水現(xiàn)象的捕獲率均高于人工觀測（陣雨除外）;白天則相反（毛毛雨及陣雪除外），儀器自動(dòng)觀測記錄各類降水現(xiàn)象分鐘數(shù)均比人工觀測記錄少，但總的看來，有降水記錄無論夜間還是白天，降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測記錄都比人工觀測多，具有較高的降水捕獲率。與人工觀測值相比，雨和雪呈現(xiàn)較高的捕獲率，分別為89.7%和91.7%，而對陣雨的捕獲率為0.0%，毛毛雨空報(bào)率為1.7%。

3.2.4存在差異原因 ?DSG3降水現(xiàn)象儀每天24小時(shí)全天候連續(xù)觀測，觀測記錄連續(xù)、客觀。人工觀測白天為人工連續(xù)觀測，夜間現(xiàn)象則是判斷記錄，觀測片面、主觀。人工觀測容易漏記一些強(qiáng)度弱、出現(xiàn)時(shí)間短的降水現(xiàn)象，特別是夜間明顯存在漏記降水現(xiàn)象情況。同時(shí)，因?yàn)橛^測員不是每時(shí)每刻都身處室外，人工觀測降水現(xiàn)象的開始及結(jié)束時(shí)間記錄沒有自動(dòng)觀測及時(shí)，有延后、簡單、連續(xù)記錄現(xiàn)象，不能客觀、真實(shí)地反映全部出現(xiàn)的降水現(xiàn)象，因此，自動(dòng)觀測的降水類型、有降水現(xiàn)象出現(xiàn)日數(shù)及分鐘數(shù)均多于人工觀測。

DSG3降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測以降水粒子的直徑和下落末速度為標(biāo)準(zhǔn)判斷記錄，而人工觀測則需要結(jié)合云、能見度、降水出現(xiàn)時(shí)呈現(xiàn)的特點(diǎn)及天空狀況等諸多要素綜合判定降水的性質(zhì)，云天要配合，故白天時(shí)段人工觀測陣性降水記錄偏多，全天自動(dòng)觀測毛毛雨記錄偏多明顯。

雖然儀器本身靈敏度較高、性能較穩(wěn)定，但外界干擾不可避免，比如，飛鳥、飛蟲、灰塵、蜘蛛網(wǎng)等會(huì)影響光路暢通，造成錯(cuò)報(bào)、空報(bào)及未知天氣現(xiàn)象;供電故障、接地不良、通訊故障、儀器故障等又會(huì)導(dǎo)致記錄缺測現(xiàn)象。

因而，儀器采樣區(qū)域的局限性導(dǎo)致漏報(bào)。

4 異常情況及處理

4.1平行觀測中遇到的異常情況

4.1.1有降水現(xiàn)象而無降水量 原因可能在于：飛鳥、飛蟲、灰塵、蜘蛛網(wǎng)等影響光路暢通，遮擋傳感器激光束造成虛假記錄;小時(shí)內(nèi)降水量微量，不足0.1mm，無降水量輸出;降水傳感器故障。翻斗雨量傳感器堵塞、電纜接頭松動(dòng)、干簧管壞等;稱重降水傳感器供電故障、盛水桶已滿降水溢出、傳感器故障、通訊連接故障等原因，需逐項(xiàng)排查。

4.1.2 無降水現(xiàn)象而有降水量 可能是降水量滯后、濕度特別大或諸多非降水因素導(dǎo)致的降水量多跳。

4.1.3 降水現(xiàn)象儀工作異常 更換微機(jī)后降水現(xiàn)象儀連接狀態(tài)不通，需檢查是否掛接、通訊參數(shù)是否設(shè)置正確，如串口號、波特率、工作方式等。降水現(xiàn)象儀不工作，需檢查供電是否正常、電纜接頭有無松動(dòng)、接地是否良好、串口是否正常、傳感器是否正常、采集模塊是否故障、數(shù)據(jù)是否堵塞等。如果是全部要素不正常，則要檢查交換機(jī)或計(jì)算機(jī)的網(wǎng)線插頭是否松動(dòng)、通訊光纖是否正常、集成控制器是否正常、光電轉(zhuǎn)化模塊是否正常等。出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)或誤報(bào)，則要對傳感器周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，檢查激光光路是否受阻或存在干擾源，及時(shí)清除異物，若無需聯(lián)系廠家。采樣區(qū)域局限性、雨滴粒子過大，下降速度快也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)或誤報(bào)。若漏報(bào)也可能是激光器故障，應(yīng)查看發(fā)射和接收是否處于一條直線，檢查前要斷開設(shè)備電源，防止激光模塊破損。采樣區(qū)域的局限性也會(huì)漏報(bào)。

4.2 異常記錄處理

有降水現(xiàn)象無降水量。若判定降水現(xiàn)象自動(dòng)觀測記錄異常，在定時(shí)觀測時(shí)次刪除降水現(xiàn)象，否則維持原記錄，按微量降水量處理。

無降水現(xiàn)象有降水量。若判定降水現(xiàn)象自動(dòng)觀測記錄異常，在定時(shí)觀測時(shí)次對降水現(xiàn)象進(jìn)行人工訂正;若為滯后降水，按滯后降水的技術(shù)規(guī)定處理;若為非降水因素導(dǎo)致的降水量記錄，按無降水現(xiàn)象處理，刪除降水量。

降雹時(shí)，應(yīng)人工測定最大冰雹的最大直徑，當(dāng)最大冰雹的最大直徑大于10mm時(shí)，應(yīng)同時(shí)測量冰雹的最大平均重量[4]。

在業(yè)務(wù)運(yùn)行中，應(yīng)做好日常巡視、維護(hù)工作。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或異常應(yīng)及時(shí)處理，查明原因，開展維護(hù)或維修工作[5]。

5 結(jié)語

通過統(tǒng)計(jì)分析肥西國家站2018年全年的DSG3降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，與人工觀測數(shù)據(jù)作比較，認(rèn)為該設(shè)備總體上對降水現(xiàn)象的識(shí)別能力較強(qiáng)，能捕捉到每個(gè)主要的降水過程，在降水過程剛開始和結(jié)束前以及毛毛雨等降水強(qiáng)度相對較弱時(shí)，具有較高的靈敏度和降水捕獲率，且性能較穩(wěn)定，符合觀測業(yè)務(wù)要求。與人工觀測記錄相比，對降水現(xiàn)象的識(shí)別能力存在差異，毛毛雨記錄繁多，還受周圍環(huán)境影響有錯(cuò)報(bào)誤報(bào)現(xiàn)象，需要廠家進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高抗干擾能力。DSG3降水現(xiàn)象儀的使用，實(shí)現(xiàn)了對降水現(xiàn)象的全天候連續(xù)觀測，靈敏度高、操作簡單，它的應(yīng)用使得觀測數(shù)據(jù)更真實(shí)、精確，更能比較真實(shí)地反映實(shí)際天氣現(xiàn)象。但業(yè)務(wù)運(yùn)行中，存在缺測和未知天氣現(xiàn)象及錯(cuò)報(bào)誤報(bào)現(xiàn)象，這就要求臺(tái)站業(yè)務(wù)人員熟悉儀器性能，做好日常維護(hù)，掌握簡單的維護(hù)維修方法，盡量減少外界干擾，確保儀器正常運(yùn)行;熟練掌握異常記錄的處理方法，使觀測資料準(zhǔn)確可靠，滿足氣象業(yè)務(wù)、氣象服務(wù)和科學(xué)研究的需求，進(jìn)一步增強(qiáng)對降水天氣現(xiàn)象的監(jiān)測預(yù)警能力，增強(qiáng)氣象防災(zāi)減災(zāi)能力和為農(nóng)服務(wù)水平。

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作者簡介：許霞，本科學(xué)歷，高級工程師，研究方向：大氣探測;唐曉東，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：大氣探測;倪軍，大專學(xué)歷，助理工程師，研究方向：大氣探測。