大連DSG5 降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)評估分析

李 贏，馬 兵，劉廣強

(大連市氣象裝備保障中心，遼寧 大連 116000)

DSG5 降水現(xiàn)象自動觀測儀器是一種采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測量系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)對包括毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現(xiàn)象的自動觀測與識別。數(shù)據(jù)獲取和存儲是通過一個快速的數(shù)字化信號處理器完成的，并按照預(yù)先設(shè)定的格式輸出。人工觀測降水現(xiàn)象種類有毛毛雨、雨、陣雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、冰雹等8 種，按照《地面氣象觀測規(guī)范》[1]的規(guī)定，當人工觀測改為自動觀測時，為了解兩種觀測方式獲取的資料序列差異，必須進行平行觀測。遼寧省62 個國家級地面氣象觀測站于2017 年9 月1 日進入平行觀測期；2019 年9 月1日（北京時間2019 年8 月31 日20 時）起開始降水現(xiàn)象平行觀測第二階段工作[2]，如自動觀測降水現(xiàn)象出現(xiàn)錯、漏等，應(yīng)結(jié)合天氣實況人工判定，在定時觀測時對自動觀測結(jié)果進行質(zhì)控、上傳，并在氣簿-1 備注欄和MDOS中備注異常數(shù)據(jù)的處理情況。2016 年底大連地區(qū)各臺站已安裝DSG5 降水現(xiàn)象儀，通過分析該降水現(xiàn)象儀捕獲率、誤報率及漏報率情況，判斷其能否有效地投入到運行中以及其觀測數(shù)據(jù)是否有效可靠，從而進一步提高降水現(xiàn)象觀測質(zhì)量。

1 方法介紹

1.1 資料來源

文章利用大連基本氣象站DSG5 降水現(xiàn)象儀2019 年9月—12 月的自動觀測分鐘數(shù)據(jù)與人工觀測記錄進行比對分析。因白天連續(xù)觀測記錄天氣現(xiàn)象起止時間，夜間僅記錄天氣現(xiàn)象，只記符號，不記起至?xí)r間。故選取值班期間（08：00—20：00）時間段天氣現(xiàn)象人工觀測記錄與降水現(xiàn)象儀自動觀測資料進行比對[3]。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

觀測人員在每日20 時后，在降水現(xiàn)象平行觀測軟件中人工記錄每日天氣現(xiàn)象，再對當日的人工和自動降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)保存存檔。降水現(xiàn)象儀和人工對比觀測實驗數(shù)據(jù)來源于ISOS觀測業(yè)務(wù)軟件中的降水平行觀測文件，數(shù)據(jù)存放地址：ISOSSMODATASET省名站號AWS_RAW_WEAHTER

數(shù)據(jù)格式：READDATA_YYYYMMDD

READMDATA_YYYYMMDD

從文件中提取2019 年9 月—12 月降水數(shù)據(jù)文件，進行比對分析。

2 比對分析方法

2.1 觀測數(shù)據(jù)完整性分析

大連國家基本氣象站2019 年9 月1 日20 時01 分—2019年12 月31 日20 時降水現(xiàn)象儀運行穩(wěn)定，自動站設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通信方面一切正常。降水現(xiàn)象儀應(yīng)觀測次數(shù)為175 680 次，實際采集次數(shù)175 680 次，觀測成功率為100%，說明自動觀測數(shù)據(jù)完整，無缺測。

2.2 人工與儀器自動觀測次數(shù)統(tǒng)計

統(tǒng)計大連基本氣象站各類別天氣現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)。其中降水現(xiàn)象儀觀測到的天氣現(xiàn)象有雨，雨夾雪，雪，如圖1 所示。東北地區(qū)秋冬季節(jié)毛毛雨現(xiàn)象較少，冰雹現(xiàn)象也很少出現(xiàn)，2019年9 月—12 月大連本站未出現(xiàn)過毛毛雨和冰雹天氣。

3 觀測數(shù)據(jù)評估方法分析

降水現(xiàn)象儀分鐘白天08：00—20：00 數(shù)據(jù)與同時段人工觀測數(shù)據(jù)做比對分析，人工觀測到的陣雨、陣雪、陣性雨夾雪分別按照雨、雪、雨夾雪來進行處理。從捕獲率，漏報率，誤報率等方面判斷降水現(xiàn)象儀可用性。

3.1 降水現(xiàn)象儀準確性評估分析

降水現(xiàn)象儀在運行過程中，會在一定情況下出現(xiàn)一定的漏報和誤報的狀況，為了檢驗降水現(xiàn)象儀的工作狀況，要對漏報率和誤報率[4]進行統(tǒng)計。漏報為人工觀測某種天氣現(xiàn)象但降水現(xiàn)象儀未識別，以分鐘為單位。

漏報率= 降水現(xiàn)象儀未能識別的某種降水現(xiàn)象分鐘數(shù)/人工觀測到的降水現(xiàn)象分鐘數(shù)×100%

誤報是指在某種降水現(xiàn)象發(fā)生時，該時間段內(nèi)降水現(xiàn)象儀識別到的天氣現(xiàn)象與人工觀測到的天氣現(xiàn)象不一致。誤報率=降水現(xiàn)象儀錯誤識別到的降水現(xiàn)象分鐘數(shù)/人工觀測到的降水現(xiàn)象分鐘數(shù)×100%

表1 大連本站9 月—12 月降水現(xiàn)象儀漏報率和誤報率統(tǒng)計Tab.1 Statistics of missing report rate and false report rate of precipitation phenomenology instrument in Dalian station from September to December

表1 中，大連本站降水現(xiàn)象儀9 月—12 月平均漏報率為4.94%，平均誤報率為0.19%；說明降水現(xiàn)象儀漏報率和誤報率較低，與人工觀測結(jié)果一致性較高，降水現(xiàn)象儀可以滿足業(yè)務(wù)要求。對于降水現(xiàn)象儀發(fā)生漏報和誤報的原因，可通過存在漏報和誤報的分鐘數(shù)判斷。

對于漏報的問題：首先，人工觀測降水的主觀性較強，容易受一些外在因素的影響，對降水的起止時間判斷存在著一定的誤差。例如遇到連續(xù)陣性降水的情況，每次降水現(xiàn)象之間間隔時間不長，人工觀測沒有去除間歇的時間，易記錄為連續(xù)性降水，人為原因記錄降水時間偏長，從而認為降水現(xiàn)象儀出現(xiàn)漏報的狀況。其次，從降水強度方面判斷，當雨量很小時，例如小時累計降水量為0.0 mm時，降水現(xiàn)象儀漏報率較高。因降水粒子很小，所以自動降水現(xiàn)象儀容易對降水現(xiàn)象捕捉失敗，從而造成漏報。

發(fā)生誤報的原因：降水現(xiàn)象儀器所在的觀測場需要一定的維護，有時會對降水現(xiàn)象儀有一些人為的干擾影響，從而造成降水現(xiàn)象儀誤判誤報的情況發(fā)生；大連地處沿海地區(qū)，因天然地理條件的原因容易產(chǎn)生輕霧或者大霧天氣現(xiàn)象，尤其在雨后，當霧天空氣中的水分含量過高，空氣濕度比較大時，降水現(xiàn)象儀器可能認為存在降水情況，對天氣現(xiàn)象造成錯判。例如9月2 日11 時33 分—34 分降水現(xiàn)象儀識別到的降水過程，時間很短，無降水量，此次過程的形成與當時的天氣條件因素有很大的關(guān)聯(lián)。

3.2 降水現(xiàn)象儀捕獲率分析

捕獲率[5]指降水現(xiàn)象儀器識別到的發(fā)生降水次數(shù)與該時間段內(nèi)人工觀測到的降水發(fā)生次數(shù)的比值。捕獲率計算公式為：

捕獲率= 降水現(xiàn)象儀識別到的發(fā)生某種降水次數(shù)/人工觀測到的某種降水發(fā)生總次數(shù)×100%.

本次試驗按天氣現(xiàn)象類別進行統(tǒng)計，將人工觀測和儀器觀測一致的情況進行分類選取，進而得出降水現(xiàn)象儀器的捕獲率。表2 為大連基本氣候站降水現(xiàn)象儀對降水現(xiàn)象的捕獲率。

表2 降水現(xiàn)象儀對各類型降水現(xiàn)象的捕獲率Tab.2 Capture rate of various types of precipitation phenomena by precipitation phenomenon meter

從圖表中可見，9 月和10 月人工和降水現(xiàn)象儀識別到的天氣現(xiàn)象只有雨或者陣雨，11 月和12 月雨（陣雨），雨夾雪（陣性雨夾雪），雪（陣雪）的天氣現(xiàn)象都有出現(xiàn)過，但12 月份降水現(xiàn)象儀觀測到天氣現(xiàn)象有雨夾雪但該時段人工記錄為雪。降水現(xiàn)象儀對雨的捕捉率要高于對雪的捕捉率，雨夾雪捕獲難度較大。隨著天氣現(xiàn)象發(fā)生次數(shù)的增加，捕獲率也逐漸提高，9 月—12 月觀測到雨的次數(shù)最多，對雨的捕獲率也最高。大連地區(qū)大風(fēng)天氣較多，根據(jù)對大連地區(qū)風(fēng)特征研究，秋冬季節(jié)大于8 級的大風(fēng)天氣時常發(fā)生，當雪或者雨夾雪現(xiàn)象受大風(fēng)天影響時，粒子下降速度容易受外界因素影響而產(chǎn)生改變，影響了降水現(xiàn)象儀對這兩種天氣現(xiàn)象的判斷，從而造成捕獲率較低的情況發(fā)生。

3.3 觀測數(shù)據(jù)一致性分析

2019 年9 月—12 月期間，大連國家基本氣象站人工觀測到的降水過程次數(shù)，9 月出現(xiàn)了 9 次，10 月 4 次，11 月 13 次，12 月11 次，共37 次。其中與降水現(xiàn)象儀觀測到的起止時間相差15 min以上[6]的有 9 次，一共占 24%，9 月—12 月的降水符合率分別為22.2%，15.4%，25.0%，18.1%。說明人工降水觀測數(shù)據(jù)和降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)結(jié)果一致性程度較高。

4 結(jié)束語

安裝降水現(xiàn)象儀是實現(xiàn)地面自動化觀測的重要內(nèi)容之一，其克服了人工觀測的主觀性，提高了降水現(xiàn)象觀測資料的完整性和實時性。本文對大連地區(qū)2019 年9 月—12 月降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)進行了整理統(tǒng)計分析，得出結(jié)論：一是大連國家基本氣象站降水現(xiàn)象儀運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)完整無缺測。二是降水現(xiàn)象儀準確率較高，漏報率和誤報率較低，漏報率為4.94%，誤報率為0.19%，滿足業(yè)務(wù)要求。儀器對雨天氣現(xiàn)象的捕獲率高于對雪或者雨夾雪天氣現(xiàn)象的捕獲率。三是人工觀測降水的主觀性較強，容易產(chǎn)生觀測誤差，當遇到某一段時間內(nèi)發(fā)生多次間隔性較短的降水過程時，容易記錄成一次過程的降水。四是研究證實了降水現(xiàn)象儀有效的觀測性，為今后提高大連地區(qū)實現(xiàn)降水全自動化觀測做好了鋪墊，也為其他臺站降水現(xiàn)象儀的使用提供了參考。