曾 英,張紅娟,鄧芳蓮,妙娟利
(陜西省氣象信息中心,西安 710014)
降水現(xiàn)象觀測是地面氣象觀測的主要項目之一,主要依靠人工觀測。近年來,我國大力發(fā)展地面氣象觀測自動化業(yè)務,在中國氣象局的統(tǒng)一部署下,2017年7月,陜西省99個地面氣象觀測站降水現(xiàn)象儀全部建設到位,經過4個多月的試運行,2017年12月1日(實際為北京時間2017年11月30日20時)起正式開展降水現(xiàn)象平行觀測工作。2017年12月—2018年11月為平行觀測第一年,以人工觀測記錄為正式觀測記錄,人工觀測及記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》[1]和業(yè)務規(guī)定執(zhí)行;2018年12月至今為平行觀測第二年,以自動觀測記錄為正式觀測記錄,按相關業(yè)務規(guī)定執(zhí)行。
國內有關專家和學者對自動與人工觀測的氣溫、氣壓、降水、霧、霾[2-5]等差異的相關分析較多,但對降水現(xiàn)象儀與人工觀測資料的對比分析較少。為了評估兩者的差異,利用平行觀測第一階段的自動和人工觀測資料進行相關對比分析。
降水現(xiàn)象儀的工作原理為通過發(fā)射器發(fā)射一束激光,接收器接收到水平激光信號,將其轉換為電壓信號,如果有降水粒子通過激光束檢測區(qū)域,接受器的電壓信號會發(fā)生變化,根據(jù)電壓信號的變化檢測出粒子的等效直徑、下降速度,以此識別降水現(xiàn)象[6]。
陜西使用了三種型號的降水現(xiàn)象儀器設備,其中有35站(寶雞市11站、渭南12站、榆林12站)使用江蘇省無線電科學研究所有限公司生產的DSG1型儀器,29站(楊凌、商洛7站、漢中11站、安康10站)使用DSG4型儀器,另有35站(延安13站、銅川3站、咸陽12站、西安7站)使用中國華云升達(北京)氣象科技有限責任公司生產的DSG5型儀器。三種降水現(xiàn)象儀的測量性能均遵循《降水現(xiàn)象儀功能規(guī)格需求書(試行版)》[7]的要求,對毛毛雨、雨、陣雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、冰雹等降水類型進行自動觀測與識別。
選取2018年1月至12月99站的自動記錄和人工記錄的平行資料進行對比評估。相關項目分白天段和夜間段。人工觀測到陣雨、陣雪、陣性雨夾雪在評估時分別按雨、雪、雨夾雪處理。執(zhí)行中國氣象局綜合觀測司下發(fā)的降水現(xiàn)象平行觀測的評估標準,即文獻[8]的相關評估方法,分別從數(shù)據(jù)完整性、準確性、一致性等方面進行分析評估。
觀測數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位,對各廠家儀器的數(shù)據(jù)完整性作月缺測率評估。剔除非儀器原因與維護造成的缺測記錄,計算缺測率。
月缺測率=(月觀測缺測次數(shù)/月應觀測總次數(shù))×100%。
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)占參考標準觀測到實際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程次數(shù)(A)的比值,即捕獲率=a/A×100% 。
漏報率:檢驗評估期間,參考標準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)的比值,即漏報率=b/B×100%。
空報率:檢驗評估期間,參考標準觀測為無降水現(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)的比值,即空報率=c/C×100%。
錯報率:檢驗評估期間,參考標準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)的比值,即錯報率=d/B×100%。
降水起止時間絕對誤差:儀器觀測降水開始(t1)(終止(t2))時間與參考標準觀測降水開始(T1)(終止(T2))時間差值的絕對值之和,即降水起止時間絕對誤差=|t1-T1|+|t2-T2|。
分別對兩種觀測方式記錄某種降水現(xiàn)象起、止時間相差15 min或以內、15 min以上的現(xiàn)象次數(shù)和比例進行統(tǒng)計分析。
由表1可知,陜西三種型號降水現(xiàn)象儀白天段和夜間段的缺測率均不足1%,特別是型號為DSG1的缺測率不足0.1%,陜西降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)完整性為優(yōu)。
表1 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)缺測情況統(tǒng)計
3.2.1 白天
(1)DSG1 由表2可知,該型號2018年降水現(xiàn)象儀捕獲率平均為94.3%,漏報率平均為11.1%,空報率平均為0.26%,錯報率平均為5.1%,起止時間絕對誤差平均為143.9 min。全省捕獲率<90%的站點有 7站,占總站數(shù)的20%。漏報率>10%的14站占總站數(shù)的40%,太白站漏報最嚴重,漏報率達51%??請舐?1%的有2站,占總站數(shù)的6%。錯報率>10%的有6站,占總站數(shù)的17%,其中富平站錯報最嚴重,錯報率達21%。起止時間絕對誤差超過60 min的有20站,占總站數(shù)的57%,綏德站起止時間絕對誤差值為最大,達2 429 min。
表2 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)準確性統(tǒng)計
(2)DSG4 由表2可知,該型號2018年降水現(xiàn)象儀捕獲率平均為為93.8%,漏報率平均為14.3%,空報率平均為0.84%,錯報率平均為4.4%,起止時間絕對誤差平均為59.7 min。全省捕獲率<90%的站點10站,占到總站數(shù)的34%。漏報率>10%的站點12站,占到總站數(shù)的41%;其中佛坪、寧陜、石泉、安康4站漏報較嚴重,漏報率達37%。空報率>1%的站點有10站,占到總站數(shù)的34%。錯報率>10%的站點有1站,錯報率為24.2%,占到總站數(shù)的3%。起止時間絕對誤差超過60 min的有15站,占到總站數(shù)的52%;其中山陽站起止時間絕對誤差值為最大,達113 min。
(3)DSG5 由表2可知,該型號2018年降水現(xiàn)象儀平均捕獲率為95.7%,平均漏報率為7.8%,空報率平均為2.01%,平均錯報率為9.4%,起止時間絕對誤差平均為2 315.7 min。全省捕獲率<90% 的有4站,占總站數(shù)的11%。漏報率>10%的有10站,占總站數(shù)的29%,其中甘泉站漏報最嚴重,漏報率達37%??請舐?1%的有21站,占總站數(shù)的60%。錯報率>10%的有1站,占總站數(shù)的37%,其中長安站錯報最嚴重,錯報率達50%。起止時間絕對誤差超過60 min的有25站,占到總站數(shù)的71%,其中長安站起止時間絕對誤差值為最大,達18 099 min。
3.2.2 夜間 由表2可知,三個型號降水現(xiàn)象儀夜間捕獲率為91%~96%,捕獲性能較好。
分別對降水現(xiàn)象儀與人工兩種觀測方式記錄某種降水現(xiàn)象起、止時間相差15 min或以內、15 min以上的現(xiàn)象次數(shù)和比例進行統(tǒng)計分析,得出全省數(shù)據(jù)一致性分析,具體數(shù)據(jù)見表3。
DSG1 由表3可知,該型號一致性總的情況是:“差值小于15 min比例”為55.5%,“差值大于15 min比例”為44.5%。全省有19站 “差值大于15 min比例”超過50%,占總站數(shù)的54%,一致性較差。其中澄城站66次降水中,只有1次差值小于15 min,“差值大于15 min比例”接近100%,一致性極差。
DSG4 由表3可知,該型號一致性總的情況是:“差值小于15 min比例”為57.9%,“差值大于15 min比例”為42.1%。全省有13站 “差值大于15 min比例”超過50%,占總站數(shù)的45%,一致性較差。其中寧陜、石泉、安康三站“差值大于15 min比例”為最大,達80%,一致性極差。
DSG5 由表3可知,該型號一致性總的情況是:“差值小于15 min比例”為53.8%;“差值大于15 min比例”為46.2%。全省有15站 “差值大于15 min比例”超過50%,占總站數(shù)的43%,一致性較差。其中秦都站“差值大于15 min比例”為最大,達86%,一致性極差。
表3 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)一致性分析 %
降水現(xiàn)象儀實現(xiàn)了對降水現(xiàn)象全天候連續(xù)觀測,靈敏度高,比較真實地反映天氣實況,但在實際使用中存在一定的漏報、錯報、空報、起止時間不一致、缺測等現(xiàn)象:由于天氣現(xiàn)象較為復雜,加上采樣區(qū)域局限性,雨滴過大過小,下降速度過快過慢,均會出現(xiàn)錯報或漏報;飛鳥、飛蟲、灰塵等影響光路暢通,遮擋傳感器激光束造成虛假記錄;供電故障、通訊故障、儀器故障易造成缺測。
天氣現(xiàn)象人工觀測白天為連續(xù)觀測,夜間不值班,依靠判斷進行記錄,存在漏記現(xiàn)象;白天觀測員不能時刻身處室外,也存在延后、簡單記錄等現(xiàn)象。人工觀測不能客觀真實地反映測站所有出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象。
按照《降水現(xiàn)象儀功能規(guī)格需求書(試行版)》要求:降水現(xiàn)象儀要滿足識別準確率>90%的規(guī)定。因此,綜合統(tǒng)計同時滿足捕獲率>90%、漏報率<10%、空報率<10%、錯報率<10%、起止時間絕對誤差<60 min、“差值大于15 min比例” <50%條件的共有20站:使用DSG1的有鳳縣、大荔、扶風、千陽、府谷等5站;使用DSG4的有白河、旬陽、南鄭、柞水、西鄉(xiāng)、漢臺、洋縣、楊凌等8站;使用DSG5的有三原、耀縣、涇陽、周至、銅川、宜君、安塞等7站。由此得出評估結論:陜西共20站降水現(xiàn)象儀基本能滿足業(yè)務需求,其余79站均需要延長平行觀測時間。
建議廠家進一步完善儀器性能,優(yōu)化相關數(shù)據(jù)處理軟件,臺站地面觀測技術人員做好日常維護,確保儀器正常運行,為滿足氣象業(yè)務、氣象服務以及科學研究提供更加準確可靠的地面氣象觀測資料。
致謝:本文得到了全省各臺站地面氣象觀測技術人員的支持和幫助,深表感謝!