自動雪深觀測儀的對比分析

孫桂玉，于秀健，王秀娟，孫洪偉，褚春燕*

（1.佳木斯市氣象局，佳木斯 154000； 2.齊齊哈爾市氣象局，齊齊哈爾 161000）

引言

積雪在全球水循環(huán)中扮演著重要角色，同時高精度雪深資料也是氣候研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前黑龍江省承擔(dān)雪深觀測任務(wù)的臺站大部分仍以人工為主，傳統(tǒng)的雪深人工觀測數(shù)據(jù)存在時空密度不足、時效性差、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證的弊端，不能連續(xù)、全面的反映積雪的變化過程。隨著科技的不斷發(fā)展，自動雪深觀測技術(shù)日趨成熟，自動化的觀測不僅節(jié)省人力，還可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性，能夠?yàn)楫?dāng)?shù)貧庀蠓罏?zāi)減災(zāi)服務(wù)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。張東明[1]等對一種激光雪深觀測儀與人工雪深觀測進(jìn)行了對比分析，得出試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的差異原因及該種激光雪深觀測儀存在的問題。肖星星[2]等詳細(xì)介紹了地基GNSS-R雪深測量方法，對不同原理的測量方法進(jìn)行了分析。陳芳霖[3]等利用GNSS-R反演了美國4個GPS站點(diǎn)附近的雪深，結(jié)果GNSS-R反演的雪深結(jié)果精度和準(zhǔn)度都優(yōu)于加拿大研究中心提供的雪深模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品。張鑫鑫[4]等對DSS1型激光雪深傳感器進(jìn)行不同基準(zhǔn)面試驗(yàn)，得出自動雪深觀測儀在安裝時應(yīng)加固立柱和基準(zhǔn)面，以減小誤差。自動雪深觀測儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量與自動雪深儀基準(zhǔn)面的安置、測雪板的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)等均有很大關(guān)系[5,6]。潘文中[7]通過分析清水河氣象站自動與人工觀測積雪深度數(shù)據(jù)，得出自動雪深觀測儀穩(wěn)定性較差。肖路[8]、楊國輝[9]等人對DSJ1型自動雪深觀測儀的結(jié)構(gòu)、安裝和維修進(jìn)行了分析。陳國強(qiáng)[10]等詳細(xì)分析了DSS1型自動雪深觀測儀的工作原理及故障檢修。

本試驗(yàn)以人工觀測為參考標(biāo)準(zhǔn)，對三種不同型號的自動雪深觀測設(shè)備開展為期三個月以上的比對試驗(yàn)，評估運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)質(zhì)量，總結(jié)歸納設(shè)備故障的判斷方式及處理方法，從而推動雪深觀測自動化進(jìn)程服務(wù)，助力建設(shè)氣象探測強(qiáng)國。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)于2021年-2022年冬季在佳木斯冰雪試驗(yàn)基地外場進(jìn)行，在積雪形成后，每日08時、14時和20時進(jìn)行人工雪深觀測，測量方法參照《地面氣象觀測規(guī)范》（2003版），每次取3個采樣點(diǎn)，計(jì)算平均值，雪深數(shù)據(jù)精確至小數(shù)點(diǎn)后一位。安裝3套自動雪深觀測儀，分別為華云升達(dá)DSJ1型，航天新氣象DSS1型以及杭州賽瑪DSS2型。以人工觀測雪深數(shù)據(jù)為比對對象，分析自動雪深觀測數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、可比性，評估自動雪深設(shè)備的測量性能。

運(yùn)行穩(wěn)定性評估：在試驗(yàn)階段采取日巡視制度，對設(shè)備運(yùn)行情況、故障現(xiàn)象、故障原因、維修手段進(jìn)行詳細(xì)記錄，試驗(yàn)結(jié)束后對儀器運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價，并總結(jié)歸納設(shè)備故障的判斷方式及處理方法，探索設(shè)備日常維護(hù)事項(xiàng)及操作要求。

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析：為及時掌握積雪深度變化趨勢，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高對比數(shù)據(jù)的頻次，試驗(yàn)階段人工雪深觀測由每日08時調(diào)整為每日08、14、20時三次觀測。針對積雪形成、維持、消融階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，計(jì)算評估數(shù)據(jù)完整性（缺測率）、準(zhǔn)確性（系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差）和可比性（一致率、積融趨勢）。評估其是否達(dá)到厘米級探測精度的業(yè)務(wù)要求（《地面氣象自動觀測規(guī)范》[11]）。

1.1 場地布局

佳木斯國家綜合氣象觀測專項(xiàng)試驗(yàn)外場作為綜合氣象觀測試驗(yàn)基地，配套設(shè)施齊全、完備，可進(jìn)行各類試驗(yàn)項(xiàng)目的對比觀測；生態(tài)環(huán)境觀測；固態(tài)降水及雪深、雪壓觀測等；可開展各類儀器在極低溫度下的工作狀態(tài)試驗(yàn)及各類冰雪、低溫觀測儀器的試驗(yàn)等。

杭州賽瑪DSS2型激光雪深觀測儀、無錫航天新氣象DSS1型激光雪深觀測儀、北京華云升達(dá)DSJ1型超聲雪深觀測儀均建設(shè)于試驗(yàn)場地內(nèi)，布局合理，場地平整，試驗(yàn)環(huán)境良好。

1.2 數(shù)據(jù)采集

人工觀測數(shù)據(jù)：為及時掌握積雪深度變化趨勢，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高對比數(shù)據(jù)的頻次，試驗(yàn)階段人工雪深觀測由每日08時的一次觀測調(diào)整為08、14、20時的三次觀測，按照《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，雪深以厘米（cm）為單位，取整數(shù)，每次觀測進(jìn)行3次測量并計(jì)算平均值。

自動雪深數(shù)據(jù)：按照《地面氣象自動觀測規(guī)范》規(guī)定，雪深以厘米（cm）為單位，取整數(shù)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1 數(shù)據(jù)完整性

2021年11月8日開始產(chǎn)生積雪，2022年3月22日，積雪完全融化，共產(chǎn)生135個日數(shù)據(jù)，405個小時數(shù)據(jù)。與人工數(shù)據(jù)測定時間相對應(yīng)的DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀測量135個日數(shù)據(jù)，405個小時數(shù)據(jù)。DSJ1型自動雪深觀測儀由于安裝時間較晚，于2021年12月6日安裝，測量114個日數(shù)據(jù)，343個小時數(shù)據(jù)。圖1展示了從2021年11月1日至2022年4月30日三套設(shè)備的小時觀測數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，DSJ1型的雪深數(shù)據(jù)在12月6日至13日略有異常，應(yīng)該是由于設(shè)備在安裝時已產(chǎn)生積雪，且該設(shè)備應(yīng)用超聲波反射測距原理，對雪的密度有較高要求，需要一定的適應(yīng)過程，因此雪深數(shù)據(jù)在設(shè)備安裝后7天才逐漸恢復(fù)正常。

圖1 三套自動雪深觀測儀小時觀測數(shù)據(jù)

圖2 自動雪深觀測儀與人工雪深差值圖

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，DSJ1型安裝的前7天數(shù)據(jù)異常，按缺測處理。將3套自動雪深觀測儀與人工雪深進(jìn)行對比，通過表1我們可以看出，全天數(shù)據(jù)DSJ1型自動雪深觀測儀的差值極值差最小，與人工雪深的數(shù)據(jù)最接近，標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好，差值平均值為6。2 mm，略高于人工雪深；DSS1型自動雪深觀測儀數(shù)據(jù)的差值居中，標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差比DSJ1型略大，比DSS2型略小，整體數(shù)據(jù)比人工測量值大；DSS2型自動雪深觀測儀與人工雪深對比差值極值差最大，穩(wěn)定性和離散程度也最大，整體測量數(shù)值偏低。

表1 DSS1型、DSS2型和DSJ1型自動雪深觀測儀與人工雪深的差值分析

對08時、14時和20時雪深對比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，20時3套自動雪深觀測儀與人工觀測的極值差值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差最小，數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，3套設(shè)備在14時的標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差最大，說明此時段自動雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的差值波動最大，數(shù)據(jù)也最分散。通過和全天數(shù)據(jù)的對比，08時自動雪深觀測儀數(shù)據(jù)與全天數(shù)據(jù)相比最接近，20時差距最大。

2.3 數(shù)據(jù)可比性

2.3.1 一致率

對DSS1型、DSS2型和DSJ1型自動雪深觀測儀與人工雪深的差值繪制折線圖，從圖中我們可以看出3條曲線的變化規(guī)律基本一致，變化幅度略有不同，在積雪形成階段，DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀的一致率較高，與人工雪深的差值較小，在11月22日之后，即積雪較為穩(wěn)定之后出現(xiàn)差別，DSS1型普遍比人工雪深高約50 mm，DSS2型開始比人工雪深低，DSJ1型與人工雪深最接近，略高一點(diǎn).DSS2型比DSS1型和DSJ1型的變化幅度大。在積雪融化階段，DSJ1型數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好，DSS1型次之，DSS2型表現(xiàn)最差。

2.3.2 積融趨勢

根據(jù)前人研究以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將雪深觀測分為3個階段，積雪形成階段、積雪穩(wěn)定階段和積雪融化階段，當(dāng)有積雪開始產(chǎn)生，日平均氣溫高于-3 ℃或小時草溫/雪溫高于0 ℃時，為積雪形成階段；在積雪形成之后，當(dāng)日平均氣溫低于-3 ℃且小時草溫/雪溫低于0 ℃時，為積雪穩(wěn)定階段；在積雪穩(wěn)定之后，積雪完全融化之前，當(dāng)日平均氣溫高于-3 ℃或小時草溫/雪溫高于0 ℃時，為積雪消融階段。

從圖3、圖4中可以看出，12月6日之后，氣溫開始穩(wěn)定小于-3 ℃，12月12日以后，小時草溫/雪溫穩(wěn)定小于0 ℃，因此積雪形成階段為2021年11月8日至12月12日；3月2日以后，日平均氣溫開始大于-3 ℃，3月1日以后，小時草溫/雪溫開始大于0 ℃，因此積雪融化階段為2022年3月1日至2022年3月22日；那么積雪穩(wěn)定階段為202年12月13日至2022年2月28日。

圖3 2021年11月1日～2022年3月31日日平均氣溫

圖4 2021年11月1日—2022年3月31日小時草溫/雪溫

分別在積雪形成階段、積雪穩(wěn)定階段和積雪消融階段對自動雪深觀測儀與人工雪深的差值進(jìn)行分析，從圖5（a）可以看出11月8日～11月21日，DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀變化趨勢基本一致，數(shù)據(jù)也相近，從22日開始，數(shù)據(jù)開始兩級分化，DSS1型測量雪深數(shù)據(jù)偏大，DSS2型測量雪深數(shù)據(jù)偏小，但是兩個設(shè)備的變化趨勢完全一致；圖5（b）表示積雪形成階段，從12月13日至1月12日，三套設(shè)備的數(shù)據(jù)變化規(guī)律及幅度基本一致，DSJ1與人工差值最小，DSS1次之，1月12日，DSS2型曲線有一個較大的下降，與人工雪深差值開始變大，說明儀器的運(yùn)行較不穩(wěn)定；圖5（c）表示了積雪消融階段的差值走向，此階段DSS1型和DSJ1型差值逐漸減小，DSS2型也在下降后逐漸升高，說明隨著氣溫的上升，設(shè)備的誤差逐漸減少，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖5 不同積雪階段自動雪深觀測儀的誤差

2.4 數(shù)據(jù)相關(guān)性

通過將3套自動雪深觀測儀與人工雪深的差值數(shù)據(jù)以及地面氣象要素氣溫、草溫/雪溫、相對濕度、小時降水量、10 min風(fēng)速和雪深進(jìn)行相關(guān)性分析，得到以下數(shù)據(jù)如表2。氣溫與DSS1型誤差值在試驗(yàn)期均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中在積雪形成和穩(wěn)定期是正相關(guān)，在消融期是負(fù)相關(guān)，DSJ1型在穩(wěn)定期和消融期是極顯著負(fù)相關(guān)，DSS2型只在積雪穩(wěn)定期有極顯著正相關(guān)關(guān)系；草溫/雪溫與DSS1和DSJ1均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與DSS2只在積雪穩(wěn)定期有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；相對濕度對設(shè)備的誤差值影響較小，只有DSS1型在積雪穩(wěn)定期時有正相關(guān)關(guān)系；小時降水量對設(shè)備誤差值沒有影響；風(fēng)速在積雪穩(wěn)定期和消融期對設(shè)備的誤差值有相關(guān)性，其中對DSS1是負(fù)相關(guān)，對DSJ1的相關(guān)性有正有負(fù)；雪深對DSS1、DSS2和DSJ1分別在積雪形成期、穩(wěn)定期和消融期有極顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 自動雪深觀測儀與地面要素的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

不同的積雪狀態(tài)對自動雪深觀測的影響不同。蒲旭凡[12]在研究積雪時空變化時，將積雪分為穩(wěn)定積雪期（1～2月）、積雪積累消融交替期（3～4）月、積雪消融期（5～6月）；古力米熱·哈那提[13]等研究天山山區(qū)流域積雪消融的日平均值臨界值為-7 ℃。本研究將積雪分為形成階段、穩(wěn)定階段和消融階段，在不同階段分析自動雪深觀測儀與人工觀測的差異，更加精準(zhǔn)的定位誤差來源。周鵬[14]等研究人工觀測與超聲波傳感器測量的雪深變化趨勢一致，人工觀測平均值略大于自動雪深觀測儀。梁延偉[15]等研究表明，超聲波雪深傳感器與人工測量的誤差受溫度和風(fēng)速兩個因素影響并提出了相應(yīng)的改善建議。姚君[16]等人分析了人工雪深與自動雪深觀測數(shù)據(jù)差異的原因，與觀測場地、測量點(diǎn)和觀測環(huán)境等有關(guān)。

本文通過3種不同自動雪深觀測儀與人工雪深觀測的對比分析，得出以下結(jié)論：

1）DSJ1型、DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀在日常、低溫、大風(fēng)、冰雪狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，無數(shù)據(jù)缺測情況出現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，但極個別極端天氣容易產(chǎn)生較大誤差。

2）3種型號自動雪深觀測儀相比，DSJ1型的數(shù)據(jù)誤差的極值差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差均最小，DSS2型的數(shù)據(jù)誤差平均值最大，方差也最大；在3個積雪階段中，積雪消融階段自動雪深觀測儀誤差最小。

3）自動雪深觀測儀誤差與地面氣象要素中的氣溫、雪溫和小時降水量有顯著相關(guān)關(guān)系，其中雪溫越低，誤差越大，氣溫溫差較大時易引起誤差變大。