降水現象儀自動觀測冰雹與人工觀測對比評析*

張 敏 劉麗彬 郭慶燕

(1．福建省氣象信息中心，福建 福州 350001；2.福建省氣象局，福建 福州 350001)

1 概述

降水現象觀測是地面氣象觀測的基本內容之一，長期以來，降水現象主要依靠人工觀測，耗費大量的人力，而且記錄起止時間和夜間現象時容易產生誤差，影響觀測的準確度。近年來，中國氣象局向全國推廣建設降水天氣現象儀，力求能有效減少人工觀測工作量，推動地面觀測自動化改革順利實施。冰雹屬于一種固態降水現象，常與大風、暴雨等同時出現，破壞力巨大，威脅人們的生命財產安全，準確觀測冰雹出現的時間、強度變化等對于天氣分析和氣象服務有重要意義。目前對于降水現象儀的對比觀測評估一般將液態和固態降水集中分析，固態降水樣本數量較少，若使用與樣本數量較多的液態降水相同的分析方法進行評估，可能無法體現其特性。本文通過整合福建省70個國家級氣象觀測站兩年多的冰雹對比觀測數據，結合具體冰雹事件和對比觀測指標開展冰雹識別和觀測準確性研究。

2 分析原理和方法

降水現象儀可觀測毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹五種降水現象，采樣周期為1min，時間精度較高。其工作原理是基于激光消減的特性，接收單元采集采樣區內粒子對激光帶的遮擋程度、持續時間以及粒子直徑、下落速度等數據，處理單元將采集到的粒子分布情況與不同降水現象的特征進行比對判斷，形成不同的降水天氣記錄[1]。一般來說，降水現象儀對冰雹的判別標準是粒子速度不小于7m/s，粒子直徑大于5mm。

對比觀測評估分析方法是以人工觀測記錄為準，自動觀測數據與其比對，從冰雹的捕獲率、錯報率、漏報率、空報次數、誤報情況等方面，以數據指標評析自動觀測的準確性。

3 資料選取和冰雹事件分析

3.1 資料選取

福建省有70個國家級臺站安裝了降水現象儀，除了福州站安裝的型號為DSG5，其余69個國家級臺站安裝型號均為DSG4。從2017年10月開始對比觀測，2017年10月至2018年9月為第一階段，觀測數據以人工觀測為主，2018年10月至2020年3月為第二階段，觀測數據以自動觀測為主。本次評估分析研究的樣本范圍為福建省70個國家級地面臺站在2017年10月至2020年3月期間的降水現象對比觀測數據，人工觀測數據來自于降水現象整編文件，自動觀測數據來自于降水現象儀的分鐘文件。

3.2 冰雹事件分析

表1為各冰雹過程樣本的人工和自動觀測出現時間表。在2017年10月至2020年3月，人工觀測記錄有15站次冰雹，其中夜間發生的有5站次，白天發生的有10站次，白天發生概率大于夜間。降雹時間主要集中于2～5月，其余月份無冰雹，雨季出現冰雹的概率較大。

表1 人工觀測冰雹過程出現時間和自動觀測冰雹過程出現時間

從表1可見，在對比觀測第一階段人工僅觀測到一次白天的冰雹過程(樣本1)，其余14次過程均在對比觀測第二階段出現。由于第一階段以人工觀測為主，第二階段以自動觀測數據為主，兩個階段捕獲到的冰雹過程數量差別明顯，可能存在人工觀測時對一些微小冰雹或夜間出現冰雹的漏測，由此也體現了自動觀測的敏銳性。

以對比觀測期間發生冰雹的15個站次為樣本，統計發生冰雹時小時雨量和小時極大風速，如圖1所示，所有臺站在發生冰雹時均有降水量產生，小時雨強在2.5～31.8mm之間，其中有11站次大于10mm，小時極大風速在5.0～22.5m/s之間，其中11站次大于10m/s，可見冰雹發生時常伴有強降水和大風。其中小時雨量均較小的樣本3、6、4、12，在當天觀測備注信息中均記錄了氣象部門開展防雹作業，周邊個別村鎮有冰雹現象，隨后本站自動觀測到冰雹?？梢姳⑦^程受人工影響天氣的作用，其對應的降水明顯小于正常過程數值。

圖1 冰雹過程小時雨量和小時極大風速圖

4 對比評估指標分析

按照降水現象儀常用的評估方法，從冰雹的捕獲率、漏報率、錯報率和空報、誤報次數等指標進行評估分析。由于人工觀測在白天有記錄現象的起止時間，在夜間只記錄現象不記錄時間，因此以分鐘為計算單位的漏報率和錯報率只能通過白天的數據進行統計。

4.1 捕獲率

捕獲率是指儀器準確識別冰雹發生過程的次數占人工觀測到實際發生冰雹現象過程總次數的百分比，夜間有一致的現象記錄即為捕獲，白天只需要儀器能夠同步識別至少1分鐘冰雹現象，便視為準確識別一次[2]。在對比觀測期間，降水天氣現象儀對夜間的冰雹現象均有捕獲記錄，夜間冰雹的捕獲率為100%；白天發生10次冰雹，捕獲到9次，白天冰雹的捕獲率為90%。

福州站于2020年3月27日16時12分至39分發生的冰雹現象未捕獲，儀器記錄為雨或毛毛雨。本次冰雹的持續時間長、范圍廣、密度大，為福州站近30年罕見，降水現象分鐘數據從16時10分到23分有斷續缺測情況，缺測原因不明，可能是儀器受到冰雹外力的影響造成。福州站是福建省唯一使用DSG5型號的臺站，在對比觀測期間也僅人工觀測到一次冰雹現象，樣本數據均為個例，對該型號儀器的捕獲率評價意義不強。

4.2 錯報率

冰雹錯報是指實際有冰雹發生，降水現象儀超過30%時間記錄為其他降水現象。錯報率按錯報次數占白天實際發生冰雹次數的百分比進行統計。對比白天觀測數據，除了福州站一次未捕獲到的冰雹過程，其余9次捕獲到的冰雹過程時間一致性均在70%以上，因此白天錯報率為10%。

4.3 漏報率

冰雹漏報是指實際有冰雹發生，儀器超過30%的時間未識別出任何降水現象。漏報率按漏報次數占白天實際發生冰雹次數的百分比進行統計。白天有捕獲到的9次冰雹現象均無漏報情況，未捕獲到的福州站冰雹過程均被儀器識別為雨或毛毛雨，因此白天漏報率為0。

4.4 空報情況

冰雹空報是指在人工觀測無任何降水現象的情況下，降水現象儀出現冰雹記錄的次數。對比觀測期間，有17站次夜間出現冰雹空報，其中對比觀測第一階段9次，第二階段8次；22站次在白天出現冰雹空報，其中對比觀測第一階段13次，第二階段9次。造成空報的原因主要是環境干擾，如沙石、樹葉、飛蟲等，因此白天的空報站次高于夜間。對比觀測第二階段空報率小于第一階段，應該與儀器參數的不斷完善調整有關。結合上文分析，冰雹發生時一般伴隨降水，而空報時無降水量產生，建議儀器能結合實時雨量進行判識分析，對無降水時儀器判識的冰雹現象予以剔除，有效降低空報率。

4.5 誤報情況

冰雹誤報是指人工觀測為非冰雹的降水天氣時，降水現象儀記錄為冰雹。對比觀測期間，出現冰雹誤報1936站次，其中白天1383站次(計5074分鐘)，夜間553站次(計1958分鐘)，白天的冰雹誤報率明顯大于夜間。冰雹誤報情況比較普遍，全省各臺站均不同程度存在誤報，其中寧化站誤報次數最多(為64次)，福州站和平潭站最少，各為3次。

分析不同雨強下冰雹的誤報率，統計如圖2，在小時降水強度小于70mm情況下，隨著降水量級的增大，冰雹誤報率也隨之提高，可能是因為強降水碰撞破裂和重疊導致出現異常粒子[3]，其形態和下落速度與冰雹判識標準接近。當小時降水量大于70mm時，誤報率有所下降，但因為降水樣本較少，評估的代表性不大。

圖2 不同雨強下冰雹的誤報率

頻繁的冰雹誤報對氣象服務的準確性和權威性有很大影響，建議在冰雹判識算法上進行精細化、差別化設置，非雨季和夜間進行冰雹判識時，粒子的速度和大小等判識參數能相對提高一些，并能結合降水自動觀測數據，根據不同級別的雨強，逐級提高判識參數，避免將連續雨滴誤判為冰雹，以減少對臨界粒子的誤判概率。

5 結論

福建省大多數臺站采用DSG4型號的降水現象儀，本文的評估結論更適合于該型號的儀器。從觀測情況對比來看，福建省的冰雹主要出現在第二個對比觀測階段，自動觀測的敏銳性要高于人工觀測。自動觀測冰雹的捕獲率高，錯報率和漏報率低，空報時有存在，但是誤報情況比較突出，夜間的判識準確度高于白天。

對比觀測期間，冰雹集中出現于2～5月，白天發生冰雹概率大于夜間，冰雹出現時常伴有降水和大風，在強降水的情況下，誤報情況更加突出。結合以上特征，建議根據不同季節、不同時間段設定降水現象儀的判識參數，并結合風和降水等觀測要素進行綜合分析，以減少空報和誤報。