陜西降水現(xiàn)象儀與人工觀測資料對比評估

曾 英，張紅娟，鄧芳蓮，妙娟利

(陜西省氣象信息中心，西安 710014)

降水現(xiàn)象觀測是地面氣象觀測的主要項目之一，主要依靠人工觀測。近年來，我國大力發(fā)展地面氣象觀測自動化業(yè)務(wù)，在中國氣象局的統(tǒng)一部署下，2017年7月，陜西省99個地面氣象觀測站降水現(xiàn)象儀全部建設(shè)到位，經(jīng)過4個多月的試運行，2017年12月1日(實際為北京時間2017年11月30日20時)起正式開展降水現(xiàn)象平行觀測工作。2017年12月—2018年11月為平行觀測第一年，以人工觀測記錄為正式觀測記錄，人工觀測及記錄方法按現(xiàn)行《地面氣象觀測規(guī)范》[1]和業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行；2018年12月至今為平行觀測第二年，以自動觀測記錄為正式觀測記錄，按相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定執(zhí)行。

國內(nèi)有關(guān)專家和學(xué)者對自動與人工觀測的氣溫、氣壓、降水、霧、霾[2-5]等差異的相關(guān)分析較多，但對降水現(xiàn)象儀與人工觀測資料的對比分析較少。為了評估兩者的差異，利用平行觀測第一階段的自動和人工觀測資料進(jìn)行相關(guān)對比分析。

1 陜西降水現(xiàn)象儀設(shè)備情況

降水現(xiàn)象儀的工作原理為通過發(fā)射器發(fā)射一束激光，接收器接收到水平激光信號，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，如果有降水粒子通過激光束檢測區(qū)域，接受器的電壓信號會發(fā)生變化，根據(jù)電壓信號的變化檢測出粒子的等效直徑、下降速度，以此識別降水現(xiàn)象[6]。

陜西使用了三種型號的降水現(xiàn)象儀器設(shè)備，其中有35站(寶雞市11站、渭南12站、榆林12站)使用江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的DSG1型儀器，29站(楊凌、商洛7站、漢中11站、安康10站)使用DSG4型儀器，另有35站(延安13站、銅川3站、咸陽12站、西安7站)使用中國華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DSG5型儀器。三種降水現(xiàn)象儀的測量性能均遵循《降水現(xiàn)象儀功能規(guī)格需求書(試行版)》[7]的要求，對毛毛雨、雨、陣雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、冰雹等降水類型進(jìn)行自動觀測與識別。

2 資料和方法

選取2018年1月至12月99站的自動記錄和人工記錄的平行資料進(jìn)行對比評估。相關(guān)項目分白天段和夜間段。人工觀測到陣雨、陣雪、陣性雨夾雪在評估時分別按雨、雪、雨夾雪處理。執(zhí)行中國氣象局綜合觀測司下發(fā)的降水現(xiàn)象平行觀測的評估標(biāo)準(zhǔn)，即文獻(xiàn)[8]的相關(guān)評估方法，分別從數(shù)據(jù)完整性、準(zhǔn)確性、一致性等方面進(jìn)行分析評估。

2.1 數(shù)據(jù)完整性評估

觀測數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)為基本單位，對各廠家儀器的數(shù)據(jù)完整性作月缺測率評估。剔除非儀器原因與維護(hù)造成的缺測記錄，計算缺測率。

月缺測率=(月觀測缺測次數(shù)/月應(yīng)觀測總次數(shù))×100%。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評估

捕獲率：檢驗評估期間，儀器正確識別該降水現(xiàn)象發(fā)生的過程次數(shù)(a)占參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到實際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程次數(shù)(A)的比值，即捕獲率=a/A×100% 。

漏報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到有某種降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器未能識別該種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)(b)占實際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)(B)的比值，即漏報率=b/B×100%。

空報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測為無降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器識別有該現(xiàn)象發(fā)生的分鐘數(shù)(c)占無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)(C)的比值，即空報率=c/C×100%。

錯報率：檢驗評估期間，參考標(biāo)準(zhǔn)觀測到有某種降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器錯誤識別該種降水現(xiàn)象的分鐘數(shù)(d)占實際發(fā)生該降水現(xiàn)象分鐘數(shù)(B)的比值，即錯報率=d/B×100%。

降水起止時間絕對誤差：儀器觀測降水開始(t1)(終止(t2))時間與參考標(biāo)準(zhǔn)觀測降水開始(T1)(終止(T2))時間差值的絕對值之和，即降水起止時間絕對誤差=|t1-T1|+|t2-T2|。

2.3 一致性分析

分別對兩種觀測方式記錄某種降水現(xiàn)象起、止時間相差15 min或以內(nèi)、15 min以上的現(xiàn)象次數(shù)和比例進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)完整性

由表1可知，陜西三種型號降水現(xiàn)象儀白天段和夜間段的缺測率均不足1%，特別是型號為DSG1的缺測率不足0.1%，陜西降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)完整性為優(yōu)。

表1 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)缺測情況統(tǒng)計

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

3.2.1 白天

(1)DSG1 由表2可知，該型號2018年降水現(xiàn)象儀捕獲率平均為94.3%，漏報率平均為11.1%，空報率平均為0.26%，錯報率平均為5.1%，起止時間絕對誤差平均為143.9 min。全省捕獲率<90%的站點有 7站，占總站數(shù)的20%。漏報率>10%的14站占總站數(shù)的40%，太白站漏報最嚴(yán)重，漏報率達(dá)51%。空報率>1%的有2站，占總站數(shù)的6%。錯報率>10%的有6站，占總站數(shù)的17%，其中富平站錯報最嚴(yán)重，錯報率達(dá)21%。起止時間絕對誤差超過60 min的有20站，占總站數(shù)的57%，綏德站起止時間絕對誤差值為最大，達(dá)2 429 min。

表2 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性統(tǒng)計

(2)DSG4 由表2可知，該型號2018年降水現(xiàn)象儀捕獲率平均為為93.8%，漏報率平均為14.3%，空報率平均為0.84%，錯報率平均為4.4%，起止時間絕對誤差平均為59.7 min。全省捕獲率<90%的站點10站，占到總站數(shù)的34%。漏報率>10%的站點12站，占到總站數(shù)的41%；其中佛坪、寧陜、石泉、安康4站漏報較嚴(yán)重，漏報率達(dá)37%。空報率>1%的站點有10站，占到總站數(shù)的34%。錯報率>10%的站點有1站，錯報率為24.2%，占到總站數(shù)的3%。起止時間絕對誤差超過60 min的有15站，占到總站數(shù)的52%；其中山陽站起止時間絕對誤差值為最大，達(dá)113 min。

(3)DSG5 由表2可知，該型號2018年降水現(xiàn)象儀平均捕獲率為95.7%，平均漏報率為7.8%，空報率平均為2.01%，平均錯報率為9.4%，起止時間絕對誤差平均為2 315.7 min。全省捕獲率<90% 的有4站，占總站數(shù)的11%。漏報率>10%的有10站，占總站數(shù)的29%，其中甘泉站漏報最嚴(yán)重，漏報率達(dá)37%。空報率>1%的有21站，占總站數(shù)的60%。錯報率>10%的有1站，占總站數(shù)的37%，其中長安站錯報最嚴(yán)重，錯報率達(dá)50%。起止時間絕對誤差超過60 min的有25站，占到總站數(shù)的71%，其中長安站起止時間絕對誤差值為最大，達(dá)18 099 min。

3.2.2 夜間 由表2可知，三個型號降水現(xiàn)象儀夜間捕獲率為91%～96%，捕獲性能較好。

3.3 一致性分析

分別對降水現(xiàn)象儀與人工兩種觀測方式記錄某種降水現(xiàn)象起、止時間相差15 min或以內(nèi)、15 min以上的現(xiàn)象次數(shù)和比例進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出全省數(shù)據(jù)一致性分析，具體數(shù)據(jù)見表3。

DSG1 由表3可知，該型號一致性總的情況是：“差值小于15 min比例”為55.5%，“差值大于15 min比例”為44.5%。全省有19站 “差值大于15 min比例”超過50%，占總站數(shù)的54%，一致性較差。其中澄城站66次降水中，只有1次差值小于15 min，“差值大于15 min比例”接近100%，一致性極差。

DSG4 由表3可知，該型號一致性總的情況是：“差值小于15 min比例”為57.9%，“差值大于15 min比例”為42.1%。全省有13站 “差值大于15 min比例”超過50%，占總站數(shù)的45%，一致性較差。其中寧陜、石泉、安康三站“差值大于15 min比例”為最大，達(dá)80%，一致性極差。

DSG5 由表3可知，該型號一致性總的情況是：“差值小于15 min比例”為53.8%；“差值大于15 min比例”為46.2%。全省有15站 “差值大于15 min比例”超過50%，占總站數(shù)的43%，一致性較差。其中秦都站“差值大于15 min比例”為最大，達(dá)86%，一致性極差。

表3 2018年陜西不同型號降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)一致性分析 %

4 差異原因

降水現(xiàn)象儀實現(xiàn)了對降水現(xiàn)象全天候連續(xù)觀測，靈敏度高，比較真實地反映天氣實況，但在實際使用中存在一定的漏報、錯報、空報、起止時間不一致、缺測等現(xiàn)象：由于天氣現(xiàn)象較為復(fù)雜，加上采樣區(qū)域局限性，雨滴過大過小，下降速度過快過慢，均會出現(xiàn)錯報或漏報；飛鳥、飛蟲、灰塵等影響光路暢通，遮擋傳感器激光束造成虛假記錄；供電故障、通訊故障、儀器故障易造成缺測。

天氣現(xiàn)象人工觀測白天為連續(xù)觀測，夜間不值班，依靠判斷進(jìn)行記錄，存在漏記現(xiàn)象；白天觀測員不能時刻身處室外，也存在延后、簡單記錄等現(xiàn)象。人工觀測不能客觀真實地反映測站所有出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象。

5 評估結(jié)論

按照《降水現(xiàn)象儀功能規(guī)格需求書(試行版)》要求：降水現(xiàn)象儀要滿足識別準(zhǔn)確率>90%的規(guī)定。因此，綜合統(tǒng)計同時滿足捕獲率>90%、漏報率<10%、空報率<10%、錯報率<10%、起止時間絕對誤差<60 min、“差值大于15 min比例” <50%條件的共有20站：使用DSG1的有鳳縣、大荔、扶風(fēng)、千陽、府谷等5站；使用DSG4的有白河、旬陽、南鄭、柞水、西鄉(xiāng)、漢臺、洋縣、楊凌等8站；使用DSG5的有三原、耀縣、涇陽、周至、銅川、宜君、安塞等7站。由此得出評估結(jié)論：陜西共20站降水現(xiàn)象儀基本能滿足業(yè)務(wù)需求，其余79站均需要延長平行觀測時間。

建議廠家進(jìn)一步完善儀器性能，優(yōu)化相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，臺站地面觀測技術(shù)人員做好日常維護(hù)，確保儀器正常運行，為滿足氣象業(yè)務(wù)、氣象服務(wù)以及科學(xué)研究提供更加準(zhǔn)確可靠的地面氣象觀測資料。

致謝：本文得到了全省各臺站地面氣象觀測技術(shù)人員的支持和幫助，深表感謝！