人工站與自動(dòng)站降水類天氣現(xiàn)象資料對(duì)比分析

張俊茹，邢麗元

(1.長春市氣象信息技術(shù)保障中心，長春 130000； 2.綠園區(qū)氣象局，長春 130000)

1 引言

降水現(xiàn)象是從云中降落或從大氣沉降到地面的液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物，包括雨、雹、雪等[1]。《地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》規(guī)定：人工觀測(cè)降水現(xiàn)象包括雨、陣雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、毛毛雨、冰雹等。DSG4降水現(xiàn)象儀通過激光遙測(cè)技術(shù)對(duì)降水過程進(jìn)行分析、記錄，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)降水現(xiàn)象要素觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理[2]，即經(jīng)過ISOS軟件質(zhì)量控制處理后輸出5種降水類現(xiàn)象：雨、雪、雨夾雪、毛毛雨、冰雹，這種自動(dòng)識(shí)別降水現(xiàn)象的技術(shù)大大提高了降水現(xiàn)象觀測(cè)頻次和質(zhì)量，為預(yù)報(bào)服務(wù)提供更有利的氣象信息和觀測(cè)產(chǎn)品。

2 資料來源

以長春國家基準(zhǔn)氣候站2018年1月-2019年12月人工站、自動(dòng)站降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)為依據(jù)。人工觀測(cè)白天以觀測(cè)員眼睛觀測(cè)到的降水現(xiàn)象為準(zhǔn)，夜間以人工判斷為準(zhǔn)；自動(dòng)觀測(cè)以DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。從兩年記錄資料上看數(shù)據(jù)完整、無缺測(cè)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 夜間與白天降水類天氣現(xiàn)象日數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2018年夜間人工觀測(cè)日數(shù)總計(jì)為80日，自動(dòng)106日，以人工觀測(cè)為基準(zhǔn)，不一致率達(dá)32.5%，1、4、9、11月份次數(shù)相同，不一致率最高為6月份，多達(dá)109%。2019年夜間人工觀測(cè)日數(shù)總計(jì)77日，自動(dòng)99日，以人工觀測(cè)為基準(zhǔn)，不一致率達(dá)28.6%。1-4月份、10-12月份次數(shù)相同，不一致率最高為9月份，多達(dá)150%。由此可見，不一致率高多為下半年(5-9月份)。原因可能為人工觀測(cè)夜間不守班，只能靠值班員晨起時(shí)判斷記錄，故存在主觀性(漏記或多記)，自動(dòng)站夜間出現(xiàn)降水日數(shù)偏多，多為短時(shí)降水或誤認(rèn)為飛蟲飛過儀器采樣區(qū)而造成誤判。

圖1 2018、2019年1-12月夜間降水日數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of night precipitation days from January to December in 2018 and 2019

圖2 2018、2019年1-12月白天降水日數(shù)Fig.2 Days of daytime precipitation from January to December of 2018 and 2019

表1 2018-2019年夜間人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)不一致率Tab.1 Inconsistency rate between manual observation and automatic observation at night in 2018 and 2019

表2 2018-2019年白天人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)不一致率Tab.2 Inconsistency rate between manual observation and automatic observation in daytime in 2018 and 2019

2018年白天人工觀測(cè)日數(shù)總計(jì)為75日，自動(dòng)119日，以人工觀測(cè)為基準(zhǔn)，不一致率達(dá)58.7%，最多出現(xiàn)在5月份，多達(dá)171%；2019年白天人工觀測(cè)總計(jì)84日，自動(dòng)103日，以人工觀測(cè)為基準(zhǔn)，不一致率達(dá) 22.6%，最多為9月份，多達(dá)140%。原因多為自動(dòng)站采集到(1 min、2 min、3 min)短時(shí)降水，此時(shí)段人工未觀測(cè)到降水。

3.2 降水準(zhǔn)確性分析

從2018-2019年資料上來看，兩者降水起止時(shí)間存在不一致性，且2018年較嚴(yán)重，2019年基本接近。

從2018年白天降水現(xiàn)象資料上看，80%以上兩者的起止時(shí)間不同步。存在此種現(xiàn)象的原因是2018年降水類天氣現(xiàn)象觀測(cè)為對(duì)比觀測(cè)第一年，記錄以人工觀測(cè)為主，自動(dòng)觀測(cè)為輔。人工觀測(cè)只要是觀測(cè)員親眼見到的就記錄，但有時(shí)1 min短時(shí)降水可能未看到。自動(dòng)觀測(cè)降水類天氣現(xiàn)象儀器是有雨滴或飄浮物降落至采樣區(qū)就會(huì)及時(shí)采集到降水，靈敏度高，避免人為因素的影響。

自動(dòng)觀測(cè)降水過程降水觀測(cè)時(shí)段普遍較多。

例如：2018年 1月8日自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象：(70,)70 0802-0812’0814 -0821’0844-0856’0858-0906’0908’0910-0911’1108-1109’1215-1216’1218-1221’1225’1232-1234’1237’1239’1324-1329’1332-1719’1721’1723-1725’1728-1744’1749’1751’1759-1840’1842’1844’1846-1847’1849-1853’1855-1856’1858’1900-1901’1903-1906’1908-1910’1912-1913’1915’1918-1927’1930-1931’1935’1939-1940’1956’1959 -2000,60 1056’1134’1933,.

2018年 1月8日人工觀測(cè)降水現(xiàn)象：(70，)70 0800-2000,.

從上例看：同一天觀測(cè)的降水現(xiàn)象，自動(dòng)觀測(cè)起止時(shí)間不足1 min多達(dá)16次，占總時(shí)長的40%，大大增多觀測(cè)頻次。人工觀測(cè)只有一個(gè)開始、終止時(shí)間段，無間歇。

觀測(cè)態(tài)相上存在著一定差異。上面的例子中人工觀測(cè)均為降雪，而自動(dòng)觀測(cè)雪中出現(xiàn)了降雨，分別出現(xiàn)在10∶56、11∶34、19∶33，此時(shí)氣溫分別為-6.6℃、-6.4℃、-9.5℃，從氣溫上看是不會(huì)出現(xiàn)降雨的，應(yīng)為儀器識(shí)別有誤。此種情況2018年共出現(xiàn)6次，氣溫均為零下。2019年共出現(xiàn)2次。

在雨季，雨強(qiáng)小時(shí)自動(dòng)降水類天氣現(xiàn)象儀有時(shí)會(huì)將小雨誤判為毛毛雨，雨強(qiáng)大時(shí)會(huì)將大的雨滴誤判為冰雹。此種情況記錄處理上要做人工訂正。

例1：2018年5月16日 自動(dòng)觀測(cè)：

60 1158-1205’1212-1213’1216-1306’1310’1312’1314-1315’1317’

1323’1325,50 1206’1214’1307-1309’1311’1313’1316’1318-1322’

1324’1326-1330’1340-1341,.

2018年5月16日人工觀測(cè)：60 1205 1425,.

從例1看，首先兩者起止時(shí)間不一致，其次是自動(dòng)觀測(cè)出現(xiàn)毛毛雨，而人工觀測(cè)未出現(xiàn)毛毛雨，此種情況2018年自動(dòng)觀測(cè)共出現(xiàn)13次，2019年共出現(xiàn)3次。

例2：2018年6月13日自動(dòng)觀測(cè)：

60 1537-1538’1540’1555-1617’1619-1706’1713-1829,89 1539’1541 -1554,.

2018年6月13日人工觀測(cè)：80 1536-1910,.

從例2看：自動(dòng)觀測(cè)出現(xiàn)冰雹而人工觀測(cè)未出現(xiàn)，此種情況2018年共出現(xiàn)11次且10月份出現(xiàn)一次雪中降冰雹。2019年未出現(xiàn)。

針對(duì)此種情況，售后技術(shù)人員積極采取措施于2019年7月11日、10月底對(duì)現(xiàn)象閾值進(jìn)行了兩次重新設(shè)置，初步解決了雨強(qiáng)小誤判毛毛雨及雨強(qiáng)大時(shí)誤判冰雹、冬季雪天伴有分鐘降雨情況。

3.3 出現(xiàn)態(tài)相不相符的原因

觀測(cè)方式及觀測(cè)原理不同。人工觀測(cè)降水現(xiàn)象是按照實(shí)際看到的態(tài)相做記錄的，不存在異議。DSG4降水現(xiàn)象儀硬件主要由HSC-OTT Parsive12雨滴譜光學(xué)傳感器采用激光技術(shù)的光學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量各種類型降水的，并通過數(shù)字化信號(hào)處理器來完成數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)，測(cè)量的基本參數(shù)為粒徑和速度，從而推導(dǎo)出粒徑分布、降水量、能見度、降水動(dòng)能和降水類型等[2]。即是通過雨滴譜分析來識(shí)別降水態(tài)相的，雨、雪、冰雹、混合降水等。

下面看一下圖譜來驗(yàn)證態(tài)相識(shí)別情況。

圖3 2018年1月8日11時(shí)34分Fig.3 11:34 on January 8, 2018

圖4 2018年1月8日19時(shí)33分Fig.4 19:33 on January 8, 2018

由圖3、圖4兩個(gè)雨滴譜圖可看到：粒子數(shù)目最多時(shí)不超過20個(gè)，但10 m/s>粒子下降速度多數(shù)>3 m/s，故判為雨。

DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀將粒子的下降速度V(m/s)、粒子直徑D(mm)及降水強(qiáng)度同時(shí)滿足條件V(D)>9.244*{1-e(-(D/1.16)1.212}且<10 m/s，雨粒子降水強(qiáng)度分別大于其他降水類型的粒子降水強(qiáng)度(雪、雨夾雪、凍雨、冰雹等)[2]。

DGS4型自動(dòng)降水類現(xiàn)象儀出現(xiàn)時(shí)段與降水量出現(xiàn)時(shí)間存在不一致性，有時(shí)會(huì)在自動(dòng)觀測(cè)無降水時(shí)段出現(xiàn)0.1 mm降水，此種情況多為雨量傳感器出現(xiàn)滯后降水量，在記錄處理上按滯后降水量規(guī)定執(zhí)行即可，若確為之前無降水而出降水量，則將此量刪除即可。

4 結(jié)語

自動(dòng)站與人工站觀測(cè)到降水類天氣現(xiàn)象在夜間及白天存在著日數(shù)(不一致)差異，且冬季這種差異變小，夏季增大。主要由兩個(gè)系統(tǒng)觀測(cè)方式不一致引起，存在主觀性和客觀性。

自動(dòng)站與人工站觀測(cè)到的降水類天氣現(xiàn)象起止時(shí)間存在不一致性，主要原因是人為因素較大，存在主觀性。

自動(dòng)站與人工站觀測(cè)到的降水類天氣現(xiàn)象態(tài)相上存在差異，主要是自動(dòng)觀測(cè)在降水類型識(shí)別上存在著邏輯錯(cuò)誤，如在-13.4℃情況下出現(xiàn)雨，與事實(shí)不符。解決辦法是更改相關(guān)要素域值。

自動(dòng)站降水類天氣現(xiàn)象與雨量傳感器銜接上存在空檔，有時(shí)無降水現(xiàn)象階段有降水記錄，此種情況為兩種儀器在性能上存在不同步。多為雨量傳感器多降水記錄，將其人工刪除。