湖南省雨滴譜儀與常規降水觀測對比分析

羅林艷，羅 宇，周建君，王 亞，張思睿

(1.湖南省氣象信息中心，湖南 長沙 410118；2.湖南省氣象防災減災重點實驗室，湖南 長沙 410118;3.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，湖南 長沙 410125)

0 引言

降水觀測是氣象觀測的重要內容，主要包括降水強度、降水量和降水類天氣現象(雨、雪和冰雹)等。隨著我國地面氣象觀測業務自動化的推進，根據中國氣象局《綜合氣象觀測系統發展規劃(2014—2020年)》要求，雨滴譜儀(降水類天氣現象儀)廣泛應用于氣象業務中[1]。雨滴譜儀的安裝和使用對環境要求相對較低，維護周期長，可用于高山、海島及其他偏遠地區；同時可24h不間斷對降水滴譜進行精細化觀測。典型代表儀器有德國的OTT Parsivel雨滴譜儀[2]、瑞士的Joss-Waldvogel雨滴譜儀[3]和奧地利的二維視頻雨滴譜儀[4]等。這些儀器在災害性天氣短臨預警、衛星及雷達定量估測降水和水土流失等方面具有較好的應用價值[5-9]。

近年來，國內外學者對激光雨滴譜探測降水能力開展了廣泛的研究。濮江平等[10]利用架設在解放軍理工大學觀測場的激光雨滴譜對南京的降水進行分析。溫龍等[11]利用二維雨滴譜儀對南京地區的2次降水過程進行了研究。祝偉等[12]對比了武漢國家基本氣象站激光雨滴譜儀估測降水量與該站人工定時觀測降水量，發現二者總體較為接近。杜波等[13]對布設在北京市觀象臺、廬山氣象局的3 種類型、每種類型3 套天氣現象儀進行對比觀測實驗，結果顯示，各儀器觀測降水現象的數據準確性均大于90%。王俊等[14]分析表明，Thies激光雨滴譜儀觀測資料經過質控后，短時強降水的分鐘雨強和過程累積雨量與自動站符合較好。劉振等[15]對7個典型站點進行雨滴譜特征分析，發現基于分鐘雨滴譜數據計算的小時雨強與臺站觀測雨強的相關系數均超過0.92。井高飛等[16]發現雷達的反射率因子同雨滴譜儀獲取的反射率因子具有較好的一致性，訂正后的反射率因子能提高雷達定量降水估測的精度。馮婉悅等[17]利用雨滴譜儀對“溫比亞”臺風降水進行觀測，發現雨滴譜儀測得的降水強度整體精度較高，但在部分區域與翻斗雨量計降水強度存在較明顯差異。

湖南省97個國家站自2017年開始陸續安裝了雨滴譜儀，2018年1月1日起進行平行觀測。本文對湖南省12個國家氣象站雨滴譜儀降水數據和自動站觀測降水資料進行對比分析，研究不同降水強度下雨滴譜儀數據的偏差情況，以便其更好地應用到氣象業務中，為湖南省氣象防災減災提供更好的支撐。

1 數據與方法

1.1 資料選取

湖南省氣象觀測業務中使用的雨滴譜儀為DSG1和DSG3 2種類型，即OTT Parsivel2和Thies LPM，對應直徑通道分別為32個和22個，對應速度通道分別為32個和20個。本文選取2018年湖南省12個地面氣象觀測站的雨滴譜儀數據和對應時段的自動站翻斗雨量計觀測資料，從儀器測量原理出發，結合Atlas-Ulbrich曲線和萊伊特準則對降水粒子譜數據進行處理，判別并消除異常數據(粗大誤差)。在此基礎上，計算雨滴譜降水強度、降水量，與翻斗雨量計降水強度、降水量等進行對比分析，研究雨滴譜儀觀測誤差分布情況。

1.2 數據預處理

依據雨滴直徑與其下落末速度之間存在較好對應關系(Atlas-Ulbrich曲線)，采用萊伊特準則(3σ準則)分別對同一直徑通道測得的速度值，即同一直徑通道對應的有降水粒子的不同速度級進行檢驗[18]，判別其是否含有粗大誤差，方法如下：

①將整個降水過程的樣本按不同的直徑通道累積，得到各直徑通道分別對應的測量列，測量列是同一直徑通道所對應的不同速度的粒子個數，將其轉換為測得的不同速度值。

②對于每一個直徑通道對應的測量列，若各測得的速度值只含有隨機誤差，則根據隨機誤差的正態分布規律特征，中間是出現概率最多的峰值，再向高、低2個方向慢慢下降。依據概率統計的理論，可求得數學期望值和均方差σ，則隨機誤差出現的概率基本都落在 (-3σ，+3σ) 區間內，其殘余誤差落在±3σ以外的概率約為0.3%。如果在測量列中，發現有大于3σ的殘余誤差的測得值，則認為它含有粗大誤差，予以刪除。再將測量列剩下的測得值重新計算，依次循環，直到不再含有粗大誤差。

③依次對雨滴譜所有直徑通道所對應的測量列進行粗大誤差判別與刪除，無降水粒子或只有極個別粒子的直徑通道對應的測量列不進行處理。

1.3 利用雨滴譜數據計算降水強度

利用雨滴譜儀可測得降水粒子的尺度譜分布，通過時間積分和空間積分計算降水強度，并進一步獲得累積降水量[19-20]，降水強度R的計算公式如下：

(1)

式中，ni表示直徑為第i個通道的所有粒子數，Di表示第i個直徑通道對應直徑值，S為采樣面積，T為采樣時間。本研究利用質控后的雨滴譜32個或20個直徑通道各通道的粒子數、粒子直徑數據，結合采樣面積(5400 mm2或4560 mm2)和采樣時間(60 s)，通過式(1)計算分鐘降水強度，再累加求和得到小時降水量和累積降水量。

為評價雨滴譜儀與常規降水觀測的差異，選用決定系數(R2)、平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和平均相對誤差(MRE)作為指標，對二者的偏離程度進行度量，計算公式如式(2)～(5)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

2 結果與分析

2.1 總體誤差分析

基于2018年1月1日—12月31日湖南省12個地面氣象觀測站的雨滴譜儀數據，利用公式(1)計算雨滴譜儀分鐘降水強度，累加得到小時降水量，并與翻斗雨量計小時降水量作對比分析。除株洲站樣本數為998外，各站點對比樣本數均大于1100。結果如表1所示。雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量存在顯著的相關性，決定系數平均為0.94，其中南岳站決定系數最低為0.90，瀏陽站決定系數最高為0.98。除南岳站外，雨滴譜儀小時降水較翻斗雨量小時降水平均偏大0.12 mm，其中婁底站平均偏差最高為0.29 mm，永州站平均偏差最低為0.02 mm。12個站的小時降水量絕對偏差均值為0.34 mm，其中桑植站平均絕對偏差最高為0.49 mm，瀏陽站平均絕對偏差最低為0.24 mm。除南岳站小時降水相對偏差為-46.61%外，其他11個站相對偏差均為30%左右，其中瀏陽站最低為20.50%，株洲站最高為37.83%。

表1 湖南省12站雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量總體誤差

圖1為各站雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量散點圖。由圖可知存在個別時次雨滴譜儀有降水而翻斗雨量計無降水，或翻斗雨量計有降水雨滴譜儀無降水。造成這種誤差的原因可能有以下幾個：一是雨滴譜儀的靈敏度較高，而翻斗雨量計以0.1 mm為基礎測量，觀測存在滯后性；二是雨滴經過翻斗雨量計的承水器、多個翻斗和漏斗，殘留在儀器壁內的降水量也會造成二者降水量的誤差；三是由于2種設備取樣面積均較小，遇到強對流降水時雨滴分布不均，會造成一個設備有降水量而另一個設備沒有降水量或降水量較小的情況。相較于其他站雨滴譜儀小時降水量總體偏大，由于南岳站2018年有200多個時次翻斗雨量計有降水量而雨滴譜儀無降水量，使得該站雨滴譜儀小時降水量明顯偏小。

圖1 湖南省12站雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量散點圖

2.2 不同降水量級下誤差分析

以自動氣象站降水量為參考，將小時降水量劃分為小雨(0.1～0.9 mm;1.0～2.5 mm)、中雨(2.6～4.9 mm;5.0～7.9 mm)、大雨(8.0～15.9 mm)和暴雨及以上(≥16 mm)等不同量級[6]，其中小雨和中雨又各分為2個等級，對比分析不同降水量級下雨滴譜儀與翻斗雨量計降水量差值，結果如表2所示。

表2 不同降水量級下雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量對比

由表2可知，當Rh<1.0 mm時，各站雨滴譜儀降水量較翻斗雨量計降水量平均偏大0.05 mm，且平均差值絕對值均在0.2 mm以下，除南岳站雨滴譜儀降水量明顯偏小外，其他各站均大于或與翻斗雨量計降水量相當。當1.0 mm≤Rh<2.6 mm時，汨羅和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計降水量明顯偏小，分別偏小0.162 mm和0.364 mm，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計降水量相當，其中婁底、株洲和安化站偏大0.2 mm以上，分別為0.207 mm、0.246 mm和0.262 mm。當2.6 mm≤Rh<5.0 mm時，株洲和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計降水量明顯偏小，分別偏小0.365 mm和0.686 mm，武岡和婁底站雨滴譜儀降水量則明顯偏大，其中婁底站偏大0.661 mm。當5.0 mm≤Rh<8.0 mm時，漢壽、安仁和婁底站雨滴譜儀降水量明顯高于翻斗雨量計降水量，分別偏大0.438 mm、0.628 mm和1.442 mm，而株洲和南岳站雨滴譜儀降水則分別偏小1.268 mm和1.530 mm。當Rh達到大雨量級時，除株洲和南岳站雨滴譜儀降水量分別偏小1.594 mm和2.078 mm外，其他各站雨滴譜儀降水量均較翻斗雨量計降水量偏大，其中通道、漢壽和婁底分別偏大1.200 mm、1.564 mm和3.076 mm。當Rh達到暴雨量級時，雨滴譜儀降水量偏差明顯變大，平均偏差絕對值達到3.570 mm，其中株洲和安化平均偏小4.968 mm和5.752 mm，瀏陽、婁底平均偏大4.007 mm、11.751 mm。

2.3 累積降水量誤差分析

為了解雨滴譜儀與翻斗雨量計降水量整體變化趨勢和差異，將湖南省12個地面氣象觀測站降水量逐時累加作對比分析，結果如圖2所示。由圖2可知，湖南省12個地面站的雨滴譜儀累計降水量和翻斗雨量計累計降水量變化趨勢基本一致，除汨羅和南岳站外，雨滴譜儀累計降水量常表現為偏多。進一步分析發現，小雨時，雨滴譜儀和翻斗雨量計兩者降水量不斷累加，曲線呈緩慢上升趨勢；大雨或暴雨發生時，二者差值呈轉折性變化，并逐步累積增大。

圖2 湖南省12站雨滴譜儀累計降水和翻斗累計降水對比

3 結論

本文從雨滴譜儀觀測原理出發，結合Atlas-Ulbrich曲線和萊伊特準則對雨滴譜數據進行處理，識別消除粗大誤差。在此基礎上計算雨滴譜降水量，與翻斗雨量計降水量等進行對比分析，結論如下：

①依據雨滴直徑與其下落末速度之間存在較好對應關系，采用萊伊特準則識別并消除雨滴譜數據粗大誤差，對雨滴譜儀數據進行質量控制。利用質控后的雨滴譜儀數據計算得到各站的小時降水量與翻斗雨量計小時降水量存在較好對應關系，可知該質控算法能較好處理雨滴譜儀數據中的異常數據。

②利用2018年湖南省12個地面氣象觀測站的雨滴譜儀數據計算小時降水量，并與翻斗雨量計小時降水量作對比。結果表明：雨滴譜儀小時降水量和翻斗雨量計小時降水量存在顯著的相關性，決定系數平均為0.94，其中南岳站決定系數最低為0.90，瀏陽站決定系數最高為0.98；除南岳站外，翻斗雨量計小時降水較雨滴譜儀小時雨量平均偏小0.12 mm；12個站的小時降水量絕對偏差均值為0.34 mm。

③以自動氣象站降水量為參考，對比不同降水量級下雨滴譜儀小時降水量與翻斗雨量計小時降水量的差異，結果顯示當Rh<1.0 mm時，各站雨滴譜儀降水量較翻斗雨量計降水量平均偏大0.05 mm，且平均差值絕對值均在0.2 mm以下；當1.0 mm≤Rh<2.6 mm時，除汨羅和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計降水量明顯偏小外，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計降水量相當；當2.6 mm≤Rh<5.0 mm時，株洲和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計降水量明顯偏小，武岡和婁底站雨滴譜儀降水量則明顯偏大，其中婁底站偏大0.661 mm；當5.0 mm≤Rh<8.0 mm時，除株洲和南岳站外，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計降水量相當；當Rh達到大雨量級時，除株洲和南岳站雨滴譜儀降水量分別偏小1.594 mm和2.078 mm外，其他各站雨滴譜儀降水量均較翻斗雨量計降水量偏大；當Rh達到暴雨量級時，雨滴譜儀降水量偏差明顯變大，平均偏差絕對值達到3.570 mm。

④對比湖南省12個地面氣象觀測站累積降水量，結果表明雨滴譜儀累計降水量和翻斗雨量計累計降水量變化趨勢基本一致，除汨羅和南岳站外，雨滴譜儀累計降水量常表現為偏多。小雨時，雨滴譜儀和翻斗雨量計兩者降水量不斷累加，曲線呈緩慢上升趨勢，大雨或暴雨發生時，二者差值呈轉折性變化，并逐步累積增大。