DSG3降水現象儀與人工觀測比對分析

許霞 唐曉東 倪軍

摘要：本文介紹了DSG3降水現象儀結構與原理，對肥西國家氣象觀測站2018年1月～12月的DSG3降水現象儀與人工觀測降水現象數據進行統計、比對，對降水過程進行分析，從數據的完整性和一致性進行分析評估，以求獲得降水現象儀降水識別能力的個體差異和原因，并提出日常業務工作中常見異常情況及處理方法，闡述降水現象儀的應用可有效提高降水現象觀測自動化程度，減輕觀測員工作量，填補了夜間降水現象的空白，為氣象預報和服務提供更多有價值的氣象信息和觀測產品。

關鍵詞：降水現象;降水現象儀;人工觀測;比對分析

中圖分類號： P414.95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.18.071

1 降水現象儀在氣象中的應用意義及現狀

天氣現象觀測是地面氣象觀測的主要項目之一，降水現象又是天氣現象的重要組成部分。目前，由于云量、云高及天氣現象等仍然主要依靠人工觀測，給臺站觀測業務帶來諸多不便。為此，中國氣象局也在加快推進降水現象等自動化設備的研發和考核。安徽省各國家級氣象站也在陸續進行降水現象儀的布設，開展降水現象平行觀測，推進業務運行。利用雨滴譜測量原理的光學觀測設備開展降水現象觀測、識別和雨滴圖譜觀測，能夠有效提高降水現象觀測自動化程度，減輕觀測人員工作量，實現對降水現象的全天候連續觀測，提高觀測的頻次和質量，使觀測結果客觀化、觀測資料連續化，填補夜間降水現象的空白，增強對降水天氣現象的監測預警能力，為氣象預報和服務提供更多有價值的氣象信息和觀測產品。

目前，從各臺站一年多的平行觀測應用反映的實際效果看，還存在不少問題，影響了降水現象儀的業務化應用。同時，目前對降水現象的自動觀測與人工觀測深入比對分析甚少，本文從儀器組成、工作原理入手，利用肥西國家氣象觀測站2018年1月～12月的DSG3降水現象儀（天津中環天儀器氣象有限公司生產）與人工觀測數據進行統計、比對，對降水過程進行分析，從數據的完整性和一致性進行分析評估，以獲得降水現象儀降水識別能力的個體差異及原因，并對異常情況進行分析，提出處理方法，確保觀測數據準確可靠，為業務人員提供參考借鑒。

2 儀器組成及工作原理

DSG3降水現象儀是一種集采集處理、存儲、通訊一體化的專業用于測量降水粒子特性的儀器，可以對毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現象進行自動觀測與識別，并按照預先設定的格式輸出;還可以輸出雷達反射率用于Z/R關系的擬合修正。

2.1儀器組成

DSG3降水現象儀由激光降水傳感器、控制機箱（包括智能數據模塊、供電系統）、安裝支架組成[1]，如圖1所示。

2.2工作原理

DSG3降水現象儀核心部件是激光雨滴譜儀。以平行激光束與光電管陣列組合成測量區域，當有降水粒子通過測量區域時，自動記錄降水粒子的尺度和速度，并根據檢測到的降水粒子信息進行判斷分類，輸出相應的降水現象。同時可以輸出降水粒子尺度譜、速度譜以及相應的粒子數量。

激光源（激光二極管）產生一束平行光，接收端的光電二極管，將測量的光信號轉換為電信號。當降水顆粒下落通過紅外光束時（見圖2），接收端接收的信號被減弱，振幅的減少確定了顆粒直徑，振幅信號減少的持續時間確定了顆粒的下落速度，檢測信號變化數目計算出通過采樣區的粒子數目。根據各種參數的綜合信息對降水粒子進行分類以雨滴譜的形式展現出來，并計算出瞬時降水強度、降水粒子總數、累積降水量、雷達反射因子，實現天氣現象的自動識別[2]。通過與ISOS軟件的鏈接，實現降水現象儀產品應用。

2.3 降水類型區分

不同降水現象的降水粒子，因其物理特性的差異，在直徑和下落末速度的分布上有各自對應關系。根據降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的直徑和下落末速度，確定降水粒子的圖譜分布，輸出降水現象類型。對照圖3降水粒子區域分布圖，不同類型的降水，其速度和直徑位于不同的區間[2]。當降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子速度<10m/s時為雨;當降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直徑>0.2mm時為雪;當降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子直徑>0.6mm時，為混合降水;當降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直徑<0.6mm時為毛毛雨;當降水粒子的速度>10m/s，且粒子直徑>5mm時為冰雹[3]。

DSG3降水現象儀自動觀測降水類型由顆粒的直徑（0.125mm... >8mm，分為22個等級）、下落速度（0.2m/s ... >10 m/s，分為20個等級）來確定的，部分降水類型的判記見表1。另外， 溫度也是一個重要的判斷依據，降水溫度高于9℃自動認為是毛毛雨、雨（除冰雹），低于-4℃作為雪，在-4℃和9℃之間的溫度所有的降水類型都有可能。

3 記錄比對分析

3.1數據的獲取

分析用的數據取自肥西縣國家氣象觀測站ISOS軟件2018年1月1日～12月31日全年的天氣現象要素每日逐分鐘訂正數據中降水類天氣現象分鐘數據及降水現象整編數據文件中每日降水天氣現象數據。

3.2數據比對分析

3.2.1統計分析 采用統計分析軟件對365d 的525600個自動觀測分鐘數據及人工觀測數據進行統計分析，分為白天（08～20時）和夜間（20～08時）的降水現象記錄，白天以分鐘為基本單位統計，夜間以日統計，全年未出現冰雹天氣現象，得到統計數據，如表2所示。

根據以上的統計結果可知：DSG3降水現象儀自動觀測有降水現象記錄比人工觀測記錄多，記錄的降水現象類型比人工觀測記錄多，白天和夜間自動觀測降水類型均為5種，而人工觀測為4種。自動觀測存在缺測和未知天氣現象記錄，其中缺測率為0.29%，未知天氣現象率為0.09%。按照《降水現象儀平行觀測評估報告格式和內容要求》，以人工觀測記錄為參考標準，得到DSG3降水現象儀白天守班時段觀測數據評估表，見表3。

3.2.2 過程數據分析 DSG3降水現象儀能捕捉到每個主要的降水過程，包括一些降水弱、出現時間短的現象。人工觀測降雨過程116次，儀器正確識別雨104次，其中，開始時間相差15分鐘及以內的過程有69次，15分鐘以上的35次;結束時間相差15分鐘及以內的過程有64次，相差15分鐘以上的40次。人工觀測降雪過程12次，儀器正確識別雪11次，其中開始時間相差15分鐘及以內的過程有10次，15分鐘以上的1次;結束時間相差15分鐘及以內的過程有9次，相差15分鐘以上的2次。總體上對降水現象的識別能力較強，具有較高的降水捕獲率，性能較穩定。一般每個降水過程都能較早觀測到降水，每個過程總是由弱到強，再由強到弱，開始和結束時往往降水較弱，從數據記錄看過程前后毛毛雨較多，降水間隙較多，設備感雨靈敏度較高。

3.2.3人工觀測數據對比 從以上統計對比結果可看出，DSG3降水現象儀有降水現象記錄比人工觀測記錄多，記錄的降水現象類型比人工觀測記錄多。夜間儀器自動觀測記錄各類降水現象的捕獲率均高于人工觀測（陣雨除外）;白天則相反（毛毛雨及陣雪除外），儀器自動觀測記錄各類降水現象分鐘數均比人工觀測記錄少，但總的看來，有降水記錄無論夜間還是白天，降水現象儀自動觀測記錄都比人工觀測多，具有較高的降水捕獲率。與人工觀測值相比，雨和雪呈現較高的捕獲率，分別為89.7%和91.7%，而對陣雨的捕獲率為0.0%，毛毛雨空報率為1.7%。

3.2.4存在差異原因 ?DSG3降水現象儀每天24小時全天候連續觀測，觀測記錄連續、客觀。人工觀測白天為人工連續觀測，夜間現象則是判斷記錄，觀測片面、主觀。人工觀測容易漏記一些強度弱、出現時間短的降水現象，特別是夜間明顯存在漏記降水現象情況。同時，因為觀測員不是每時每刻都身處室外，人工觀測降水現象的開始及結束時間記錄沒有自動觀測及時，有延后、簡單、連續記錄現象，不能客觀、真實地反映全部出現的降水現象，因此，自動觀測的降水類型、有降水現象出現日數及分鐘數均多于人工觀測。

DSG3降水現象儀自動觀測以降水粒子的直徑和下落末速度為標準判斷記錄，而人工觀測則需要結合云、能見度、降水出現時呈現的特點及天空狀況等諸多要素綜合判定降水的性質，云天要配合，故白天時段人工觀測陣性降水記錄偏多，全天自動觀測毛毛雨記錄偏多明顯。

雖然儀器本身靈敏度較高、性能較穩定，但外界干擾不可避免，比如，飛鳥、飛蟲、灰塵、蜘蛛網等會影響光路暢通，造成錯報、空報及未知天氣現象;供電故障、接地不良、通訊故障、儀器故障等又會導致記錄缺測現象。

因而，儀器采樣區域的局限性導致漏報。

4 異常情況及處理

4.1平行觀測中遇到的異常情況

4.1.1有降水現象而無降水量 原因可能在于：飛鳥、飛蟲、灰塵、蜘蛛網等影響光路暢通，遮擋傳感器激光束造成虛假記錄;小時內降水量微量，不足0.1mm，無降水量輸出;降水傳感器故障。翻斗雨量傳感器堵塞、電纜接頭松動、干簧管壞等;稱重降水傳感器供電故障、盛水桶已滿降水溢出、傳感器故障、通訊連接故障等原因，需逐項排查。

4.1.2 無降水現象而有降水量 可能是降水量滯后、濕度特別大或諸多非降水因素導致的降水量多跳。

4.1.3 降水現象儀工作異常 更換微機后降水現象儀連接狀態不通，需檢查是否掛接、通訊參數是否設置正確，如串口號、波特率、工作方式等。降水現象儀不工作，需檢查供電是否正常、電纜接頭有無松動、接地是否良好、串口是否正常、傳感器是否正常、采集模塊是否故障、數據是否堵塞等。如果是全部要素不正常，則要檢查交換機或計算機的網線插頭是否松動、通訊光纖是否正常、集成控制器是否正常、光電轉化模塊是否正常等。出現錯報或誤報，則要對傳感器周圍環境進行檢測，檢查激光光路是否受阻或存在干擾源，及時清除異物，若無需聯系廠家。采樣區域局限性、雨滴粒子過大，下降速度快也會出現錯報或誤報。若漏報也可能是激光器故障，應查看發射和接收是否處于一條直線，檢查前要斷開設備電源，防止激光模塊破損。采樣區域的局限性也會漏報。

4.2 異常記錄處理

有降水現象無降水量。若判定降水現象自動觀測記錄異常，在定時觀測時次刪除降水現象，否則維持原記錄，按微量降水量處理。

無降水現象有降水量。若判定降水現象自動觀測記錄異常，在定時觀測時次對降水現象進行人工訂正;若為滯后降水，按滯后降水的技術規定處理;若為非降水因素導致的降水量記錄，按無降水現象處理，刪除降水量。

降雹時，應人工測定最大冰雹的最大直徑，當最大冰雹的最大直徑大于10mm時，應同時測量冰雹的最大平均重量[4]。

在業務運行中，應做好日常巡視、維護工作。發現數據錯誤或異常應及時處理，查明原因，開展維護或維修工作[5]。

5 結語

通過統計分析肥西國家站2018年全年的DSG3降水現象儀自動觀測數據，與人工觀測數據作比較，認為該設備總體上對降水現象的識別能力較強，能捕捉到每個主要的降水過程，在降水過程剛開始和結束前以及毛毛雨等降水強度相對較弱時，具有較高的靈敏度和降水捕獲率，且性能較穩定，符合觀測業務要求。與人工觀測記錄相比，對降水現象的識別能力存在差異，毛毛雨記錄繁多，還受周圍環境影響有錯報誤報現象，需要廠家進一步優化算法，提高抗干擾能力。DSG3降水現象儀的使用，實現了對降水現象的全天候連續觀測，靈敏度高、操作簡單，它的應用使得觀測數據更真實、精確，更能比較真實地反映實際天氣現象。但業務運行中，存在缺測和未知天氣現象及錯報誤報現象，這就要求臺站業務人員熟悉儀器性能，做好日常維護，掌握簡單的維護維修方法，盡量減少外界干擾，確保儀器正常運行;熟練掌握異常記錄的處理方法，使觀測資料準確可靠，滿足氣象業務、氣象服務和科學研究的需求，進一步增強對降水天氣現象的監測預警能力，增強氣象防災減災能力和為農服務水平。

參考文獻

[1]中環天儀（天津）氣象儀器有限公司.DSG3 降水現象儀使用手冊.天津.

[2]杜波，馬舒慶，劉達新，等.雨滴譜降水現象儀綜合測試系統設計[J].氣象科技，2018，46（01）：56-63.

[3]陳應河，李冬梅.淺析DSG1降水現象儀的管理與維護[J].環境科學，2017（10）：110.

[4]中國氣象局.降水現象平行觀測業務技術規定.北京.

[5]李繼輝.淺談降水現象儀在氣象中的應用[J].石河子科技，2017（06）：35-36.

作者簡介：許霞，本科學歷，高級工程師，研究方向：大氣探測;唐曉東，本科學歷，工程師，研究方向：大氣探測;倪軍，大專學歷，助理工程師，研究方向：大氣探測。