一次降水多傳感器雨量數(shù)據(jù)異常的分析

張寧歆 金華星 楊瓊

摘?要：本文通過對(duì)降水多傳感器在滁州國家基本氣象觀測站運(yùn)行期間存在的問題進(jìn)行探討。從實(shí)際運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果來看，實(shí)際的業(yè)務(wù)運(yùn)行中，在降水多傳感器未出現(xiàn)故常的情況下，整體的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可用率還是比較高的。但是降水多傳感器還是存在一些問題，在傳感器故障的時(shí)候，并未能對(duì)一個(gè)或多個(gè)雨量傳感器數(shù)據(jù)異常的情況下進(jìn)行剔除或修正，導(dǎo)致輸出異常，又未能較好地確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：降水;多傳感器;業(yè)務(wù)應(yīng)用;準(zhǔn)確性

一、概述

降水作為氣象觀測要素中一個(gè)重要的部分，它的重要性可想而知，但是自地面氣象觀測自動(dòng)化以來，每個(gè)臺(tái)站也只有主站一臺(tái)、備份站一臺(tái)的雨量傳感器，首先，雨量傳感器的唯一性就容易造成由傳感器故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺測、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。其次，單一的雨量傳感器也會(huì)造成實(shí)際觀測中不易發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常、漂移等問題。同時(shí)降水本身就是一個(gè)區(qū)域性、范圍性的過程，單一的雨量傳感器只能觀測一個(gè)點(diǎn)雨量，并不一定能很好地代表實(shí)際過程中的降水總量，故需要通過安裝不同位置、不同方向的多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)面雨量綜合分析融合更具代表性。

為解決單雨量在業(yè)務(wù)運(yùn)行中的弊端，2020年9月17日根據(jù)上級(jí)指示滁州國家基本氣象觀測站（以下簡稱滁州站，DZZ3型自動(dòng)氣象站）進(jìn)行了降水多傳感器的安裝和運(yùn)行。本文通過對(duì)降水多傳感器在滁州站實(shí)際應(yīng)用情況與存在問題進(jìn)行分析討論。

二、傳感器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

（一）傳感器結(jié)構(gòu)

降水多傳感器（圖1）采用三個(gè)完全相同的SL31型翻斗式雨量傳感器為感應(yīng)元件，通過降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)三個(gè)傳感器的輸出值進(jìn)行分析融合處理，輸出經(jīng)過選擇的相對(duì)可靠的數(shù)值作為瞬時(shí)輸出值。三個(gè)翻斗式雨量傳感器安裝在兩兩相距1.5m處，成等邊三角形分布。

（二）運(yùn)行原理

（1）通過將三個(gè)雨量傳感器的分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理得出標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與三個(gè)雨量傳感器的差值。

（3）將各雨量傳感器與標(biāo)準(zhǔn)值的差值進(jìn)行對(duì)比分析。

（4）選擇差值較小的雨量傳感器作為源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值輸出。

（5）如若下一時(shí)次的源數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比未超出允許范圍，則將繼續(xù)選用上一時(shí)次的源數(shù)據(jù)繼續(xù)作為輸出值輸出;如若下一時(shí)次的源數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比超出允許范圍，則將重新選用與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較小或者相同的源數(shù)據(jù)作為輸出值輸出。

三、運(yùn)行情況分析

臺(tái)站所用降水多傳感器均統(tǒng)一采用3個(gè)完全相同的SL31型雨量傳感器。所選取的數(shù)據(jù)分析時(shí)段均無缺測數(shù)據(jù)，確保整個(gè)過程的數(shù)據(jù)完整性。

以滁州站2021年9月20日01時(shí)—10時(shí)00分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)段是因?yàn)槌霈F(xiàn)了較強(qiáng)降水過程，同時(shí)在降水之前3個(gè)雨量傳感器都進(jìn)行過儀器校準(zhǔn)標(biāo)定，能較好地確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。故這個(gè)時(shí)段可以很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和分析。

降水?dāng)?shù)據(jù)采用小時(shí)累積量進(jìn)行對(duì)比分析，將3個(gè)雨量數(shù)據(jù)分析可得圖3。

由圖3可得出主要降水時(shí)段為04—08時(shí)，其中降水最明顯的時(shí)段為05時(shí)—07時(shí)。從整體看3個(gè)雨量傳感器的降水總量相差不大，3個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為21.1mm、21.1mm、21.2mm，標(biāo)準(zhǔn)值為21.1mm。從降水總量來看3個(gè)雨量傳感器的偏差非常小，只有翻斗3雨量傳感器比其他兩個(gè)偏多0.1mm。

又以滁州站2021年10月14日20時(shí)01分—15日20時(shí)00分為數(shù)據(jù)時(shí)段，分析得出圖4。

由圖4可得出全天每個(gè)時(shí)次都有降水，其中降水最明顯的時(shí)段為03時(shí)、11時(shí)、12時(shí)、18時(shí)和20時(shí)。3個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為29.2mm、27.8mm、27.4mm，標(biāo)準(zhǔn)值為27.8mm。該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累計(jì)量各有差異，其中可以明顯地發(fā)現(xiàn)翻斗1降水?dāng)?shù)據(jù)明顯大于翻斗2和翻斗3，翻斗2和翻斗3數(shù)據(jù)較為接近，且誤差在可接受范圍內(nèi)，所以可以看出數(shù)據(jù)在分析處理的時(shí)候就已經(jīng)將翻斗1的降水?dāng)?shù)據(jù)通過與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，將翻斗1的降水?dāng)?shù)據(jù)判斷為可疑數(shù)據(jù)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后并未將其作為輸出值輸出。

又以2021年11月4日20時(shí)01分—5日20時(shí)00分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)段同樣是因?yàn)橛休^強(qiáng)降水過程，且與10月5日降水相類似的情況。由該時(shí)段數(shù)據(jù)分析得出圖5。

由圖5可得出主要降水時(shí)段為04時(shí)、05時(shí)、06時(shí)和07時(shí)。3個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為13.7mm、15.3mm、152mm，標(biāo)準(zhǔn)值為15.2mm。該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累計(jì)量中翻斗1的雨量與翻斗2和翻斗3的雨量差異明顯，其中可以明顯地發(fā)現(xiàn)翻斗1降水?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)小于翻斗2和翻斗3，翻斗2和翻斗3數(shù)據(jù)相差無幾，僅有0.1mm的誤差，所以同樣可以看出數(shù)據(jù)在分析處理的時(shí)候就已經(jīng)將翻斗1的降水?dāng)?shù)據(jù)通過與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，將翻斗1的降水?dāng)?shù)據(jù)判斷為可疑數(shù)據(jù)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后并未將其作為輸出值輸出。

考慮到3個(gè)儀器有微小差異及傳感器靈敏度不同的情況下，會(huì)存在分時(shí)段的雨量差異，但從降水總量上分析發(fā)現(xiàn)整個(gè)過程雨量的偏差在±3%范圍內(nèi)，在儀器性能允許的誤差范圍內(nèi)，故在設(shè)備不出現(xiàn)故障或者僅有一個(gè)雨量傳感器出現(xiàn)故障的情況下，能較好地排除或過濾掉可疑的數(shù)據(jù)，不論該數(shù)據(jù)是偏大還是偏小，降水多傳感器系統(tǒng)總能以較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，因此降水多傳感器的總體效果良好，運(yùn)行較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)可用率較高。

四、異常數(shù)據(jù)分析

以滁州站2021年7月27日21時(shí)01分—28日10時(shí)00分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)間段是因?yàn)樵摃r(shí)段有較強(qiáng)降水過程，同時(shí)該日翻斗1數(shù)據(jù)存在異常整體數(shù)值偏小，翻斗3雨量傳感器因泥沙影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常不準(zhǔn)確。通過已知翻斗1雨量傳感器數(shù)據(jù)異常，翻斗3雨量傳感器存在故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的情況下對(duì)比實(shí)際輸出值與備份站雨量是否存在差異進(jìn)行分析。

降水?dāng)?shù)據(jù)采用小時(shí)累積雨量進(jìn)行對(duì)比，以備份站數(shù)據(jù)作為參考值，將3個(gè)雨量傳感器與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析（圖6）。

該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累積總量分別為51.1mm、626mm、57mm，傳輸值、標(biāo)準(zhǔn)值、備份站小時(shí)累積總量分別為57mm、57mm、63.8mm。

由圖6可知小時(shí)累積降水量傳輸值、標(biāo)準(zhǔn)值與翻斗3小時(shí)累積降水量一直，即可說明數(shù)據(jù)處理之后的傳輸值以翻斗3的數(shù)據(jù)為參考，又由圖7可知傳輸值和標(biāo)準(zhǔn)值與備份站數(shù)據(jù)相差較大，在已知翻斗1數(shù)據(jù)異常，翻斗3雨量傳感器因泥沙堵塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的情況下，可得出降水傳輸值遠(yuǎn)小于實(shí)際降水值。又通過圖8可得出翻斗2雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)與備份站降水?dāng)?shù)據(jù)差異較小，故可得出翻斗2雨量傳感器數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。在此時(shí)間段內(nèi)降水多傳感器通過微控制器分析融合處理以后并未剔除觀測異常值，沒有輸出正確的觀測值，從而未確保降水過程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

從大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)兩個(gè)方面分析，發(fā)現(xiàn)在小雨強(qiáng)時(shí)，三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值沒有較大差異，輸出值也與實(shí)際雨量相當(dāng)。當(dāng)降水為大雨強(qiáng)時(shí)，就能明顯地發(fā)現(xiàn)翻斗1雨量遠(yuǎn)小于翻斗2和翻斗3的雨量，當(dāng)三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值為翻斗1小于翻斗3小于翻斗2時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值接近于中間翻斗3的數(shù)值，導(dǎo)致最終輸出值以翻斗3為源數(shù)據(jù)輸出。

在沒有人工觀測作為對(duì)比的情況下，僅能以備份站數(shù)據(jù)作為參考值進(jìn)行比較，從中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)或者更多雨量傳感器發(fā)生異常時(shí)，降水多傳感器就無法及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題，也無法合理有效地判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，從而確保輸出正確的降水?dāng)?shù)據(jù)。

五、結(jié)論

針對(duì)單一雨量傳感器所存在的問題，進(jìn)行了更換，變成了現(xiàn)在的降水多雨量傳感器。從硬件以及數(shù)據(jù)采集上進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，希望可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?？傮w上降水多傳感器效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。但實(shí)際工作應(yīng)用中卻仍存在些許不足，通過降水?dāng)?shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：

（1）當(dāng)三個(gè)雨量傳感器中出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)異常時(shí)，降水多傳感器并未能發(fā)現(xiàn)異常，也無法選取出三個(gè)雨量傳感器中相對(duì)正確的數(shù)值，在沒有人工干預(yù)的情況下也未能及時(shí)地對(duì)三個(gè)雨量傳感器數(shù)值提出異議，導(dǎo)致最終輸出值的不正確。

（2）當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)值與其中某一雨量傳感器數(shù)值相近時(shí)，最后輸出值將一直采用該雨量傳感器數(shù)值，同時(shí)若下一時(shí)次仍然數(shù)值相近，則錯(cuò)誤數(shù)據(jù)會(huì)一直作為輸出值輸出，影響降水?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）當(dāng)三個(gè)雨量傳感器數(shù)值相差較大時(shí)，數(shù)據(jù)融合出的標(biāo)準(zhǔn)值也并不能具有代表性，結(jié)果就是與標(biāo)準(zhǔn)值接近的一個(gè)雨量傳感器作為輸出值輸出，本身并未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常，并未對(duì)三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值提出異議或者剔除異常的數(shù)值，從結(jié)果來看就是最終降水多傳感器沒有完成數(shù)據(jù)整合篩選，并沒有選擇相對(duì)正確的雨量傳感器作為源數(shù)據(jù)輸出。

參考文獻(xiàn)：

[1]許霞，唐曉東.溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用初探[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021，10：8486.

[2]何艷麗，黃飛龍.多傳感器自動(dòng)站的數(shù)據(jù)融合效果及優(yōu)勢(shì)分析[J].氣象，2015，41（8）：10281035.

[3]中國氣象局綜合觀測司.地面氣象自動(dòng)觀測規(guī)范（第一版），2019.

作者簡介：張寧歆（1991—?），男，漢族，山西孝義人，本科，工程師，從事綜合觀測、裝備保障等工作。