DSG5型自動(dòng)與人工觀測(cè)降水現(xiàn)象對(duì)比分析評(píng)估

宋慧萍 賈樂 馬萍

摘 要：本文選用吳忠國(guó)家基本氣象站DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測(cè)資料，重點(diǎn)針對(duì)自動(dòng)與人工觀測(cè)降水現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上提出具有針對(duì)性的幾點(diǎn)建議，以期能夠?yàn)槠渌鼩庀笥^測(cè)站降水現(xiàn)象觀測(cè)提供一定的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：降水現(xiàn)象;自動(dòng)觀測(cè);人工觀測(cè);對(duì)比;評(píng)估

中圖分類號(hào)：S16 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200330040

引言

降水現(xiàn)象是指云中液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)的水凝（凍）物從空中下落到地面上的一種天氣現(xiàn)象，是大氣水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)。降水信息中包含了降水粒子物理特征、降水量、降水類型等參數(shù)，可以為降水的定量化研究提供參考。寧夏部分氣象觀測(cè)站自2017年起開始布設(shè)DSG5型降水現(xiàn)象儀，到11月份，寧夏一共有27個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站開始使用DSG5型降水現(xiàn)象儀開展平行觀測(cè)業(yè)務(wù)。降水現(xiàn)象儀的引入，減輕了基層觀測(cè)人員的工作壓力，與人工觀測(cè)手段相比，儀器觀測(cè)能夠減少人工觀測(cè)的主觀性判斷，增加降水現(xiàn)象觀測(cè)的頻次，全面且連續(xù)地反映降水現(xiàn)象情況。文章通過對(duì)吳忠市國(guó)家基本氣象站人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)估，以期能夠提高降水觀測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，進(jìn)而為推動(dòng)當(dāng)?shù)貧庀笫聵I(yè)實(shí)現(xiàn)快速、健康發(fā)展等提供一定的借鑒與參考。

1 數(shù)據(jù)評(píng)估內(nèi)容

本文選用吳忠國(guó)家基本氣象站2018年1—12月的平行觀測(cè)資料，將人工觀測(cè)數(shù)據(jù)作為正式記錄，在數(shù)據(jù)資料完整的基礎(chǔ)上，從觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、降水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)段的一致性等角度進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)估。在評(píng)估過程中，人工觀測(cè)的陣性降水現(xiàn)象往往按照降水處理，由于降水現(xiàn)象儀判別錯(cuò)誤而獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)先與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，再將其進(jìn)行剔除。觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)時(shí)間段為白天08∶00—20∶00，夜晚20∶00—08∶00。

2 數(shù)據(jù)評(píng)估方法與結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)完整性評(píng)估

降水觀測(cè)數(shù)據(jù)的單位為分鐘數(shù)據(jù)，針對(duì)自動(dòng)觀測(cè)儀器獲取的數(shù)據(jù)對(duì)其月缺測(cè)率進(jìn)行評(píng)估。在此過程中還應(yīng)當(dāng)將非儀器或維護(hù)原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺測(cè)記錄進(jìn)行剔除，再對(duì)缺測(cè)率進(jìn)行計(jì)算。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年1—12月之間吳忠國(guó)家基本站降水現(xiàn)象儀觀測(cè)沒有出現(xiàn)缺測(cè)現(xiàn)象，各降水觀測(cè)儀器設(shè)備均位于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 捕獲率

所謂捕獲率指的是，觀測(cè)儀器能夠正確識(shí)別該降水現(xiàn)象發(fā)生的過程次數(shù)在參考標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程次數(shù)當(dāng)中所占的百分比。對(duì)吳忠國(guó)家基本站2018年1—12月各種天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)及其捕獲率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出吳忠市降雨天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)要高于降雪發(fā)生次數(shù)。雨的正確識(shí)別次數(shù)為48次，而實(shí)際發(fā)生次數(shù)為55次;雪的正確識(shí)別次數(shù)為20次，實(shí)際發(fā)生次數(shù)為23次。通過計(jì)算其捕獲率能夠得出，雨的捕獲率要稍高于雪的捕獲率，而且不管是雨或雪，其白天的捕獲率均低于夜間。

2.3 漏報(bào)率

當(dāng)觀測(cè)到有某種降水天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，將觀測(cè)儀器無法識(shí)別此種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)在實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)之間所占的百分比定義為漏報(bào)率。對(duì)吳忠國(guó)家基本站2018年1—12月各種天氣現(xiàn)象漏報(bào)率及漏報(bào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1。

由表1可見，2018年1—12月吳忠市雪的發(fā)生時(shí)長(zhǎng)與識(shí)別時(shí)長(zhǎng)均高于雨，且雪的漏報(bào)率要低于雨的漏報(bào)率。

2.4 空?qǐng)?bào)率

當(dāng)氣象觀測(cè)儀器觀測(cè)到無降水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，而儀器識(shí)別有該現(xiàn)象發(fā)生的分鐘數(shù)在無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)中所占的百分比被稱為空?qǐng)?bào)率。對(duì)吳忠國(guó)家基本站2018年1—12月各種天氣現(xiàn)象空?qǐng)?bào)率及空?qǐng)?bào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出2018年1—12月吳忠市雨雪的未發(fā)生時(shí)長(zhǎng)保持一致，但是識(shí)別時(shí)長(zhǎng)之間卻存在著明顯差距。雪的空?qǐng)?bào)率要小于雨的空?qǐng)?bào)率。

2.5 錯(cuò)報(bào)率

當(dāng)氣象觀測(cè)儀器觀測(cè)到有某一種降水天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，觀測(cè)儀器錯(cuò)誤識(shí)別此種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)在實(shí)際發(fā)生此種降水現(xiàn)象分鐘數(shù)中所占的百分比被稱為錯(cuò)報(bào)率。對(duì)吳忠國(guó)家基本站2018年1—12月各種天氣現(xiàn)象錯(cuò)報(bào)率及錯(cuò)報(bào)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2。

由表2可見，雪的發(fā)生時(shí)長(zhǎng)雨錯(cuò)誤識(shí)別時(shí)長(zhǎng)均高于雨，且雪的錯(cuò)報(bào)率也明顯大于雨的錯(cuò)報(bào)率。

3 數(shù)據(jù)誤差分析與建議

3.1 數(shù)據(jù)誤差分析

3.1.1 降水天氣現(xiàn)象起止時(shí)間存在的誤差

針對(duì)人工與自動(dòng)觀測(cè)某種降水現(xiàn)象起止時(shí)間相差15min以上的降水天氣現(xiàn)象的次數(shù)與比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3。

對(duì)上述3種雨強(qiáng)降水起止時(shí)間絕對(duì)誤差在15min以上的比率進(jìn)行評(píng)估得出其平均值在30%以上，在能夠正確對(duì)天氣現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，其一致性比較低。因此，還需進(jìn)一步對(duì)該儀器的識(shí)別功能進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使其一致性實(shí)現(xiàn)顯著提升。

3.1.2 毛毛雨錯(cuò)判

據(jù)統(tǒng)計(jì)，吳忠市國(guó)家基本氣象站出現(xiàn)毛毛雨天氣現(xiàn)象非常少，在降水現(xiàn)象平行觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，并未發(fā)生過毛毛雨天氣現(xiàn)象，而自動(dòng)降水現(xiàn)象儀觀測(cè)到的降水記錄次數(shù)相對(duì)比較多。

3.1.3 陰天出現(xiàn)毛毛雨或雨

使用DSG5降水現(xiàn)象儀觀測(cè)降水天氣現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)觀測(cè)到晴天或陰天出現(xiàn)毛毛雨或雨天氣現(xiàn)象，即便能夠準(zhǔn)確對(duì)降水現(xiàn)象進(jìn)行捕獲，但也極有可能會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。尤其是當(dāng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持，且降雨量比較小時(shí)將會(huì)導(dǎo)致誤判幾率大大增加。

3.1.4 降水現(xiàn)象閾值相同時(shí)人工與自動(dòng)采集的降水現(xiàn)象誤差分析

DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測(cè)到的降水次數(shù)要明顯多于人工觀測(cè)，這一結(jié)論不僅與降水現(xiàn)象儀的采樣方式密切相關(guān)，還與降水粒子的速度、大小與靈敏度等多種因素存在一定程度的關(guān)聯(lián)。另外，人工觀測(cè)方式的滯后性與隨意性較大也是導(dǎo)致人工觀測(cè)到的降水次數(shù)較少的一個(gè)主要原因。

根據(jù)2018年1—12月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及人工觀測(cè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能夠發(fā)現(xiàn)，吳忠國(guó)家基本氣象站出現(xiàn)同一降水過程的次數(shù)較多，DSG5降水現(xiàn)象儀判斷為毛毛雨或雨、雪或陣雪，且大多數(shù)降水過程出現(xiàn)時(shí)間位于15min以內(nèi);就人工觀測(cè)而言，其觀測(cè)結(jié)果為雨或陣雨、雪或雨夾雪天氣現(xiàn)象，且大多數(shù)降水過程出現(xiàn)時(shí)間均大于15min;DSG5降水現(xiàn)象儀觀測(cè)到的毛毛雨天氣現(xiàn)象大都出現(xiàn)在陰天或雨強(qiáng)較小時(shí);此時(shí)通過人工觀測(cè)能夠觀測(cè)到降水天氣現(xiàn)象，而使用降水現(xiàn)象儀并未觀測(cè)到任何現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)雪或降水粒子較小的天氣現(xiàn)象時(shí)，降水現(xiàn)象儀往往將其觀測(cè)為毛毛雨，而且陰天或晴天降水現(xiàn)象儀均有可能會(huì)記錄到毛毛雨現(xiàn)象。通過分析能夠發(fā)現(xiàn)降水現(xiàn)象儀與人工記錄之間的差異性是導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因，最終導(dǎo)致在降水現(xiàn)象儀閾值相同時(shí)，人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)采集到的降水天氣現(xiàn)象的次數(shù)存在著明顯差異。

對(duì)比人工觀測(cè)與降水現(xiàn)象儀觀測(cè)到降水現(xiàn)象的次數(shù)及起止時(shí)間能夠發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在著一定程度的誤差，這一現(xiàn)象不僅與降水現(xiàn)象儀的采樣方法、觀測(cè)儀器的速度、靈敏度等密切相關(guān)，還與人工觀測(cè)的隨意性強(qiáng)、較為滯后等因素存在一定的關(guān)聯(lián)，但與自動(dòng)觀測(cè)儀器的穩(wěn)定性的關(guān)系相對(duì)較小。

3.2 建議

在使用降水現(xiàn)象儀之前應(yīng)當(dāng)采取有效措施提升觀測(cè)儀器識(shí)別的準(zhǔn)確率，盡可能確保降水記錄的分散性與不連續(xù)性，使采樣誤差大大減少。另外，當(dāng)?shù)貧庀蟛块T還應(yīng)當(dāng)安排專業(yè)的氣象觀測(cè)人員，培養(yǎng)觀測(cè)人員高度的責(zé)任心及認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，并嚴(yán)格按照各項(xiàng)規(guī)范切實(shí)做好各種儀器的日常巡視與維護(hù)工作，以大大減少人為因素造成的觀測(cè)誤差。除此之外，還應(yīng)當(dāng)提高觀測(cè)人員的專業(yè)知識(shí)與能力，使其能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷與處理，進(jìn)而為準(zhǔn)確判識(shí)降水現(xiàn)象及改進(jìn)觀測(cè)設(shè)備提供一定的參考依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 賈燦）