環(huán)境檢測(cè)站(FM-Q-01型)降水對(duì)比觀(guān)測(cè)分析

張 杰，田孟勤，吳有恒，周處強(qiáng)，雷登林

(貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引言

降水觀(guān)測(cè)獲取的降水量是氣象觀(guān)測(cè)資料中最重要的基礎(chǔ)資料之一[1]，目前貴州主要使用DZZ4型自動(dòng)氣象站作為各級(jí)氣象臺(tái)站獲取降水觀(guān)測(cè)資料的主要觀(guān)測(cè)設(shè)備，其具有可靠性高，測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2]，但是對(duì)于大范圍的降水事件，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)、設(shè)備廣泛布設(shè)存在困難的地區(qū)，其應(yīng)用就會(huì)受到一定限制[3]。2020年貴陽(yáng)市氣象局為達(dá)到業(yè)務(wù)與科研的深度融合，驗(yàn)證壓電式降水觀(guān)測(cè)設(shè)備所獲降水量資料的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，組織開(kāi)展壓電式雨量傳感器與DZZ4降水觀(guān)測(cè)設(shè)備降水資料對(duì)比分析。在現(xiàn)行研究中，為了解不同降水觀(guān)測(cè)設(shè)備之間的差異，可在對(duì)比觀(guān)測(cè)場(chǎng)地中部署不同的降水觀(guān)測(cè)設(shè)備，對(duì)其獲得的降水量資料進(jìn)行對(duì)比分析。如張紅英等[4]對(duì)人工觀(guān)測(cè)雨量器、翻斗式雨量傳感器和稱(chēng)重式降水傳感器等3種不同設(shè)備觀(guān)測(cè)到的降水量數(shù)據(jù)之間的差異進(jìn)行了對(duì)比分析，李林等[5]利用降水對(duì)比觀(guān)測(cè)資料分析了DSH1型和SL3型降水傳感器的區(qū)別，隨著研究的增多[6,7]，對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)已成為研究不同觀(guān)測(cè)設(shè)備間差異的主要方法。

經(jīng)過(guò)一年部署與準(zhǔn)備，現(xiàn)已完成壓電式設(shè)備降水資料收集，本文利用6 個(gè)月的降水資料，102 個(gè)降水過(guò)程，對(duì)壓電式設(shè)備降水觀(guān)測(cè)資料與貴陽(yáng)DZZ4降水資料進(jìn)行分析，驗(yàn)證壓電式設(shè)備降水資料質(zhì)量和準(zhǔn)確性，分析其誤差來(lái)源，為后期儀器的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)，并對(duì)其能否在業(yè)務(wù)中應(yīng)用提供參考。

2 對(duì)比觀(guān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 觀(guān)測(cè)場(chǎng)地和時(shí)間

為了解不同設(shè)備之間的差異，選取貴陽(yáng)市氣象局內(nèi)觀(guān)測(cè)場(chǎng)圍欄外東側(cè)自然草地作為對(duì)比觀(guān)測(cè)場(chǎng)，將FM-Q-01型環(huán)境檢測(cè)站部署在對(duì)比觀(guān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)，即可保證FM-Q-01型環(huán)境檢測(cè)站(下文中簡(jiǎn)稱(chēng)FM-Q-01)和觀(guān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)DZZ4型自動(dòng)氣象站(下文中簡(jiǎn)稱(chēng)DZZ4)的下墊面特征基本一致，符合對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)的要求[8]。將DZZ4獲得的降水?dāng)?shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值，對(duì)比觀(guān)測(cè)時(shí)間為2020年1～6月份，共計(jì)102 個(gè)降水過(guò)程。

2.2 傳感器參數(shù)

DZZ4：SL3-1型翻斗式雨量傳感器，分辨率為0.1 mm，采用翻斗計(jì)數(shù)原理對(duì)雨量進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)雨滴進(jìn)入雨量筒后，計(jì)量翻斗每翻動(dòng)一次為0.1 mm降水量。

FM-Q-01：壓電式雨量傳感器，分辨率為0.1 mm，采用沖擊測(cè)量原理對(duì)單個(gè)測(cè)量雨滴上的重量分別進(jìn)行自動(dòng)測(cè)算,進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算平均降雨量。

2.3 分析方法

月缺測(cè)率：月內(nèi)FM-Q-01的缺測(cè)次數(shù)與FM-Q-01應(yīng)觀(guān)測(cè)次數(shù)之比的百分比值，所得數(shù)據(jù)越小，表明對(duì)比觀(guān)測(cè)設(shè)備觀(guān)測(cè)資料數(shù)據(jù)完整性越高。

絕對(duì)誤差：選取北京時(shí)20時(shí)為日界[9]，將FM-Q-01的降水?dāng)?shù)據(jù)減去對(duì)應(yīng)時(shí)次的DZZ4降水?dāng)?shù)據(jù)后去的值定義為絕對(duì)誤差，可直觀(guān)反映出FM-Q-01型降水?dāng)?shù)據(jù)偏大或偏小的情況。

相對(duì)誤差：將FM-Q-01的降水?dāng)?shù)據(jù)減去對(duì)應(yīng)時(shí)次的DZZ4降水?dāng)?shù)據(jù)后去的值作為分子，將DZZ4降水?dāng)?shù)據(jù)作為分母，兩者相除后的值再乘以100%即為相對(duì)誤差。

降水過(guò)程：對(duì)觀(guān)測(cè)到的降水量資料進(jìn)行分析，將觀(guān)測(cè)到的第一個(gè)降水量視作降水過(guò)程的開(kāi)始，隨后若出現(xiàn)一個(gè)小時(shí)內(nèi)無(wú)降水量資料時(shí)可視作該次降水過(guò)程的結(jié)束，在整個(gè)對(duì)比觀(guān)測(cè)期間共有102個(gè)降水過(guò)程。

降水量等級(jí)：小雨(24 h內(nèi)0.1～9.9 mm)，中雨(24 h內(nèi)10～24.9 mm)，大雨(24 h內(nèi)25.0～49.9 mm)，暴雨(24 h內(nèi)50.0～99.9 mm)。

3 對(duì)比觀(guān)測(cè)分析

3.1 小時(shí)降水量

FM-Q-01采用即時(shí)通訊方式實(shí)時(shí)傳輸觀(guān)測(cè)資料，將時(shí)間間隔設(shè)置為1 h，即每小時(shí)采集一次降水?dāng)?shù)據(jù)，為上一小時(shí)累計(jì)降水。選取北京時(shí)20時(shí)為日界，從2020年1月1日21時(shí)至2020年6月30日20時(shí)共傳回4368組數(shù)據(jù)，無(wú)缺測(cè)，月缺測(cè)率為0%，說(shuō)明FM-Q-01運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)可靠。將FM-Q-01小時(shí)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1：2020年1～6月份FM-Q-01降水量數(shù)據(jù)與DZZ4降水量數(shù)據(jù)相同的占比為90.6%，偏大占比2.5%，偏小占比6.1%，差值總體以偏小為主；1～3月份FM-Q-01降水偏小數(shù)據(jù)明顯比偏大數(shù)據(jù)多，4～6月FM-Q-01偏大數(shù)據(jù)與偏小數(shù)據(jù)之間的差距在減小，但依然以偏小為主。

表1 2020年1～6月小時(shí)降水量(FM-Q-01)數(shù)據(jù)分析

除了儀器本身存在的系統(tǒng)性誤差外，因FM-Q-01計(jì)算原理的原因，如果雨滴重量過(guò)小沖擊力很弱時(shí)，就會(huì)存在無(wú)法測(cè)算單個(gè)雨滴重量的情況，從而導(dǎo)致降水量偏小或者出現(xiàn)無(wú)雨量的情況。貴陽(yáng)1～4月降水過(guò)程多以日降水量1 mm以?xún)?nèi)的小雨(毛毛雨)過(guò)程為主，故1～4月FM-Q-01常出現(xiàn)無(wú)降水而DZZ4有降水的情況，所以1～4月FM-Q-01降水小時(shí)數(shù)據(jù)偏小較多。

3.2 日降水量

為了進(jìn)一步分析FM-Q-01數(shù)據(jù)可靠性，對(duì)FM-Q-01日降水量進(jìn)行分析：首先將DZZ4觀(guān)測(cè)到的日降水量資料在圖1中用實(shí)線(xiàn)標(biāo)示出來(lái)，然后將FM-Q-01觀(guān)測(cè)到的日降水量資料用虛線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)示，可以看出兩者的重合程度較好，再對(duì)兩者的擬合程度進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果達(dá)98.41%，說(shuō)明FM-Q-01日降水量雨量大小和時(shí)間分布情況與DZZ4日降水量資料保持一致。

圖1 DZZ4與FM-Q-01日降水量擬合

在6個(gè)月的對(duì)比時(shí)間內(nèi)，DZZ4觀(guān)測(cè)到102個(gè)降水過(guò)程，F(xiàn)M-Q-01觀(guān)測(cè)到84個(gè)降水過(guò)程，共發(fā)生18次DZZ4有降水而FM-Q-01無(wú)降水的情況，對(duì)這18次降水過(guò)程進(jìn)行分析：這18次DZZ4降水量在0.1～0.7 mm之間，均小于1 mm，其中1月發(fā)生5次、2月發(fā)生5次，3月發(fā)生3次，4月發(fā)生3次，5月1次，6月1次，表明當(dāng)降水過(guò)程中雨滴質(zhì)量較小時(shí)，F(xiàn)M-Q-01會(huì)出現(xiàn)計(jì)算降水量情況，且這種現(xiàn)象在1～4月份比較明顯，這也與之前對(duì)小時(shí)數(shù)據(jù)的分析相吻合。

3.3 過(guò)程降雨量

2020年1～6月對(duì)DZZ4共觀(guān)測(cè)到的102次降水過(guò)程進(jìn)行分析，如表2所示：小雨過(guò)程共有81次，DZZ4小雨過(guò)程均值為1.98 mm，F(xiàn)M-Q-01均值為1.82 mm，絕對(duì)誤差為-0.16 mm，說(shuō)明FM-Q-01的小雨過(guò)程均值比DZZ4每次偏小0.16 mm，相對(duì)誤差為-8.79%，誤差較大；中雨過(guò)程共有15次，DZZ4中雨過(guò)程均值為16.54 mm，F(xiàn)M-Q-01均值為16.26 mm，絕對(duì)誤差為-0.28 mm，說(shuō)明FM-Q-01的中雨過(guò)程均值比DZZ4每次偏小0.28 mm，相對(duì)誤差為-1.72%，誤差很?。淮笥赀^(guò)程共有5次，DZZ4大雨過(guò)程均值為30.12 mm，F(xiàn)M-Q-01均值為28.38 mm，絕對(duì)誤差為-1.74 mm，說(shuō)明FM-Q-01的大雨過(guò)程均值比DZZ4每次偏小1.74mm，相對(duì)誤差為-6.13%，誤差較大；暴雨過(guò)程1次，DZZ4暴雨過(guò)程均值為60.9 mm，F(xiàn)M-Q-01均值為59.1 mm，絕對(duì)誤差為-1.8 mm，說(shuō)明FM-Q-01的暴雨過(guò)程均值比DZZ4每次偏小1.8 mm，相對(duì)誤差為-3.05%，誤差較小。

表2 DZZ4與FM-Q-01過(guò)程降水量對(duì)比分析

對(duì)不同降水過(guò)程的相對(duì)誤差進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，中雨的相對(duì)誤差最小，其次是暴雨，再次是大雨，而小雨的相對(duì)誤差最大，這是因?yàn)樾∮赀^(guò)程中常出現(xiàn)DZZ4小時(shí)降水量為0.1 mm時(shí)，F(xiàn)M-Q-01無(wú)降水量的情況，這也與之前對(duì)小時(shí)數(shù)據(jù)的分析相吻合。

3.4 降雨個(gè)例擬合分析

為了解FM-Q-01和DZZ4在降雨過(guò)程中的差異，對(duì)DZZ4的降水量資料進(jìn)行篩選，從其102個(gè)降水過(guò)程中選出降水量最大的4個(gè)降水過(guò)程，分別為1個(gè)暴雨過(guò)程(6月5日60.9 mm)和3個(gè)大雨過(guò)程(5月15日34.2 mm，5月20日31.1 mm和5月29日30.6 mm)，進(jìn)行FM-Q-01和DZZ4的降水曲線(xiàn)的擬合，結(jié)果見(jiàn)圖2：這4個(gè)降水過(guò)程中，F(xiàn)M-Q-01和DZZ4的降水曲線(xiàn)重合程度較好，再對(duì)FM-Q-01和DZZ4的降水曲線(xiàn)擬合程度進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果都在99%以上。

圖2 DZZ4與FM-Q-01降雨個(gè)例擬合

進(jìn)一步對(duì)4個(gè)降水過(guò)程單獨(dú)分析：6月5日DZZ4降雨量為60.9 mm，而FM-Q-01降水量為59.1 mm，與DZZ4相差-1.8 mm，最大小時(shí)降水量相差-1.2 mm；5月15日DZZ4降雨量為34.2 mm，而FM-Q-01降水31.7 mm，與DZZ4相差-2.5 mm，最大小時(shí)降水量相差-2.8 mm；5月20日DZZ4降雨31.1 mm，而FM-Q-01降水30.3 mm，與DZZ4相差-0.8 mm，最大小時(shí)降水量相差-1.1 mm；5月29日DZZ4降雨30.6 mm，而FM-Q-01降水31.7 mm，與DZZ4相差1.1 mm，最大小時(shí)降水量相差0.1 mm?？梢?jiàn)FM-Q-01觀(guān)測(cè)到的降水量數(shù)據(jù)常偏小，這種數(shù)據(jù)差異可能與FM-Q-01儀器的性能有關(guān)，或是因?yàn)镕M-Q-01和DZZ4的觀(guān)測(cè)原理的不同，具體原因有待進(jìn)一步分析研究。

4 結(jié)論與討論

選取貴陽(yáng)市氣象局內(nèi)觀(guān)測(cè)場(chǎng)圍欄外東側(cè)自然草地作為對(duì)比觀(guān)測(cè)場(chǎng)，將FM-Q-01型環(huán)境檢測(cè)站部署在對(duì)比觀(guān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)與DZZ4型自動(dòng)氣象站進(jìn)行降水觀(guān)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)2020年1月-6月共計(jì)102個(gè)降水過(guò)程的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)FM-Q-01小時(shí)數(shù)據(jù)月缺測(cè)率為0%，說(shuō)明其運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)可靠，小時(shí)數(shù)據(jù)以偏小為主，降水量的日分布情況幾乎與DZZ4保持一致。

(2)不同過(guò)程降水量中，中雨的相對(duì)誤差最小，其次是暴雨，再次是大雨，而小雨的相對(duì)誤差最大。

(3)4個(gè)降水過(guò)程分析中，F(xiàn)M-Q-01與DZZ4降水曲線(xiàn)重合程度較好，雨量分布和降水時(shí)間上基本一致，總降水量誤差在2.5 mm以?xún)?nèi)。

(4)因FM-Q-01雨量測(cè)量原理的原因，常導(dǎo)致DZZ4出現(xiàn)日降水量1 mm以?xún)?nèi)的小雨時(shí)FM-Q-01無(wú)雨量的情況，1～4月份該情況較為明顯。