DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀現(xiàn)場核查實踐

摘 要：當(dāng)前，吉林省大部分國家級地面氣象觀測站已全部安裝DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀，顯著地提高了吉林省地面氣象觀測的觀測效率。在地區(qū)臺站，DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀需要定期進行維護和現(xiàn)場核查，因此，準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定的現(xiàn)場核查方式是重要一環(huán)。首先，簡介了DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀和PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀的工作原理；其次，介紹了DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的現(xiàn)場核查方式，并提供了核查結(jié)果和進一步說明。通過對全省DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀儀器的檢定，驗證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為降水現(xiàn)象的觀測提供了重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀；DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀；現(xiàn)場核查；滴譜模擬器；計量檢定

中圖分類號：P414 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–0-03

氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的重中之重，也是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，氣象觀測技術(shù)是氣象行業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的顯著標(biāo)志。在我國氣象行業(yè)中，現(xiàn)代氣象觀測設(shè)備已經(jīng)在各地區(qū)投入使用，其門類、技術(shù)的迭代更新越來越頻繁。在未引進降水現(xiàn)象觀測儀器前，氣象臺站工作人員一般采用人工觀測的方式觀測天氣現(xiàn)象，此種方法觀測的天氣現(xiàn)象少且精細(xì)化不足[1]。為進一步提高觀測效率、響應(yīng)國家實現(xiàn)氣象觀測自動化的政策、減輕地方臺站工作人員的工作強度，氣象臺站陸續(xù)引進降水天氣現(xiàn)象儀觀測天氣現(xiàn)象，通過自動化的方式處理降水要素觀測數(shù)據(jù)[2]。

降水觀測儀器的準(zhǔn)確性和可靠性對獲取準(zhǔn)確的降水?dāng)?shù)據(jù)至關(guān)重要。在吉林省，DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的建設(shè)已趨于尾聲，全省共有50余個國家級氣象臺站安裝了DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀，并投入業(yè)務(wù)運行。近幾年的運行情況表明，該型號降水現(xiàn)象儀運行相對穩(wěn)定。但受觀測數(shù)據(jù)老化、觀測人員在安裝調(diào)試過程中對周圍環(huán)境的影響、光學(xué)透鏡劃傷等外在因素影響，DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀觀測的數(shù)據(jù)具有不準(zhǔn)確性。因此，定期對DSG4降水天氣現(xiàn)象儀進行現(xiàn)場核查是測量其準(zhǔn)確性、確保觀測可靠的重要方式。

旨在利用Huatron（華創(chuàng)風(fēng)云）公司開發(fā)的PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀，對DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀進行現(xiàn)場核查，旨在驗證儀器的可靠性和準(zhǔn)確性，并為降水現(xiàn)象的觀測提供技術(shù)支持。

1 工作原理

1.1 DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的工作原理

降水現(xiàn)象主要是指液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物或兩者混合物降落至地面，并產(chǎn)生降水量的天氣現(xiàn)象[3-4]。其中，包括多種形態(tài)，如毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等。DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀主要由傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、采集板、綜合集成硬件控制器等組成[5]。DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的工作流程如圖1所示。

圖1 DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的工作流程

其中，傳感器為Parsivel2雨滴譜光學(xué)傳感器，包括激光發(fā)射、接收、控制處理、溫控等裝置。通過激光遙測技術(shù)實時記錄降水過程，根據(jù)粒子的下降速度和粒子大小分析降水現(xiàn)象，并給出測量結(jié)果[6]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程由數(shù)字轉(zhuǎn)換器UT204E完成，將RS-485信號轉(zhuǎn)換為RS-232信號[7]。DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的硬件結(jié)構(gòu)模擬如圖2所示。

1.2 PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀的工作原理

PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀由北京華創(chuàng)維想科技開發(fā)有限責(zé)任公司研發(fā)，其可作為傳感器檢測儀、DSG4型降水現(xiàn)象儀的標(biāo)校和便攜式DSG4使用[8]。PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀主要由滴譜模擬器和采集控制處理單元組成，滴譜模擬器和采集控制處理單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在此次降水天氣現(xiàn)象儀現(xiàn)場核查采用的是DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀的標(biāo)校功能。由滴譜模擬器模擬降水現(xiàn)象，內(nèi)置材料為石英玻璃的透明圓盤，通過在透明圓盤上放置不同粒徑大小的不透光遮擋物，利用電機帶動透明圓盤旋轉(zhuǎn)，穿過被校準(zhǔn)的降水天氣現(xiàn)象儀的射線檢測區(qū)[9]。通過對比被測降水天氣現(xiàn)象儀采集的數(shù)據(jù)，判定該降水天氣現(xiàn)象儀是否達到合格標(biāo)準(zhǔn)。滴譜模擬器內(nèi)部裝有調(diào)速器，模擬降水現(xiàn)象的強度大小；不透光遮擋物中心處轉(zhuǎn)盤的線速度即該模擬粒子下落的末速度[10]，其工作流程圖如圖4所示。

2 現(xiàn)場核查與結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)場核查環(huán)境和內(nèi)容

為避免影響地區(qū)臺站降水現(xiàn)象的觀測，現(xiàn)場核查降水天氣現(xiàn)象儀的條件為無雨天氣，氣溫在5～30 ℃之間，能見度≥10 km，相對濕度≤80% RH。在現(xiàn)場核查前，應(yīng)確保DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀處于正常工作狀態(tài)，型號、編號清晰可見，外觀無明顯損傷，供電控制單元和數(shù)據(jù)采集單元連接正常，線纜連接可靠；滴譜模擬器外觀無損傷，相關(guān)線路連接可靠[11-12]。

將模擬器放置在降水天氣現(xiàn)象儀進行檢測時，滴譜模擬器應(yīng)放置在激光發(fā)射、接收線路間，發(fā)射、接收線路應(yīng)準(zhǔn)確穿過石英玻璃的透明圓盤并處在中心位置；滴譜模擬器應(yīng)固定牢靠且擺放適中，以便后續(xù)準(zhǔn)確測量。

2.2 現(xiàn)場核查結(jié)果與分析

2023年10月，吉林省氣象探測保障中心組織工作人員，對吉林省內(nèi)55個國家級臺站的DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀進行現(xiàn)場核查工作。選用PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀進行核查，其中，滴譜模擬器中對降水天氣現(xiàn)象儀的測試內(nèi)容有粒子直徑測試、粒子速度測試、降水現(xiàn)象測試；試驗選取的粒子直徑為4.3 mm、9.5 mm、21 mm，粒子速度為2 m/s、7 m/s、12 m/s。每個粒子速度測試點分別進行粒子直徑通道誤差計算、粒子速度通道誤差計算和降水現(xiàn)象輸出偏差判別，粒子直徑輸出通道（本次）為滴譜模擬器測得的模擬數(shù)據(jù)，粒子直徑輸出通道（第一次）為降水天氣現(xiàn)象儀測得的真實數(shù)據(jù)。通過對兩組不同數(shù)據(jù)的偏差進行判別，驗證該降水天氣現(xiàn)象儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以舒蘭市國家級氣象站中的DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀（區(qū)站號：54076）測得的數(shù)據(jù)為例。圖5為實測的降水天氣現(xiàn)象儀現(xiàn)場核查記錄。

在圖5中，該降水天氣現(xiàn)象儀僅在粒子速度為2 m/s的粒子直徑測試結(jié)果出現(xiàn)了偏差，其余測試內(nèi)容均符合現(xiàn)場核查判定。由于粒子直徑通道誤差的偏差結(jié)果小，故仍處于核查結(jié)果合格范圍。在粒子速度為2 m/s時，粒子直徑輸出通道（第一次）和粒子直徑輸出通道（本次）結(jié)果對比如圖6所示。

通過圖5和圖6可以得出：在粒子速度為2 m/s時，粒子直徑為9.5 mm、21 mm，在進行粒子直徑測試時出現(xiàn)偏差，偏差均為1 mm，粒子速度測試和降水現(xiàn)象測試與滴譜模擬器的結(jié)果一致；粒子速度為7 m/s和12 m/s時，3種不同粒子直徑進行的3種對比試驗實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果一致；經(jīng)綜合判定，該地區(qū)臺站DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀核查結(jié)果為合格。

3 結(jié)束語

利用PCL32雨滴譜校準(zhǔn)儀對DSG4型降水天氣現(xiàn)象儀進行了現(xiàn)場核查工作。在工作原理中，分別介紹了雨滴譜校準(zhǔn)儀和降水天氣現(xiàn)象儀的工作原理；介紹了現(xiàn)場核查的環(huán)境條件和安裝注意事項，并以其中1個地區(qū)臺站的降水天氣現(xiàn)象儀核查結(jié)果為例，檢測了其設(shè)備數(shù)據(jù)與核查模擬數(shù)據(jù)的一致性。

在降水天氣現(xiàn)象儀核查中，所利用的現(xiàn)場核查方式取得了較好的應(yīng)用效果。但在現(xiàn)場核查中仍存在一些問題，如在日常降水天氣現(xiàn)象儀使用中，應(yīng)時常清理激光發(fā)射、接收鏡面、蜘蛛網(wǎng)、灰塵等；人工擺放滴譜模擬器時要嚴(yán)格按要求擺放，否則易產(chǎn)生誤差。因此，在進行降水天氣現(xiàn)象儀現(xiàn)場核查工作時，要嚴(yán)格遵守相關(guān)現(xiàn)場核查規(guī)定，盡可能減少人為因素帶來的影響。

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