DSG4型降水傳感器平行觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

荀偉唯，李秀英，莊 萌

(1.河北省清河縣氣象局，清河054800；2.沙河市氣象局，沙河 054100)

0 引言

降水現(xiàn)象是地面氣象觀測(cè)的基本內(nèi)容之一。降水現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)將有效提高觀測(cè)的頻次和質(zhì)量，為預(yù)報(bào)服務(wù)提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測(cè)產(chǎn)品，是氣象觀測(cè)自動(dòng)化的重要組成部分。

陳愛(ài)蓮[1]等在2015年對(duì)WUSH-PW、HY-YT-P1000和DXC1型雨滴譜儀進(jìn)行了測(cè)試，與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)并分析了降水過(guò)程，揭示出降水現(xiàn)象儀降水識(shí)別能力的個(gè)體差異；申高航[2，3]等對(duì)DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比差異進(jìn)行了分析。

邢臺(tái)市氣象局所轄臺(tái)站安裝的天氣現(xiàn)象儀型號(hào)均為DSG4型，2017年已完成國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站降水現(xiàn)象儀的建設(shè)安裝工作，2018-01-01開始開展降水現(xiàn)象平行觀測(cè)，平行觀測(cè)時(shí)間：2018-01-01(北京時(shí)間2017-12-31T20：00，下同)—2018-12-31，以人工觀測(cè)降水現(xiàn)象為主，自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象為輔；原定于2019-01-01開始以天氣降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象為主，人工觀測(cè)降水現(xiàn)象為輔，推遲到2020-01-01。文章利用訂正后的全月整編數(shù)據(jù)對(duì)人工降水和自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將降水?dāng)?shù)據(jù)分為白天和夜間兩個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行分析，為進(jìn)一步細(xì)化儀器的數(shù)據(jù)算法提供參考。

1 觀測(cè)原理說(shuō)明

《DSG4型降水現(xiàn)象儀技術(shù)手冊(cè)》中寫到，DSG4型降水現(xiàn)象儀通過(guò)激光遙測(cè)技術(shù)對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行分析、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)降水要素自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣、存儲(chǔ)和處理，并按照氣象業(yè)務(wù)規(guī)定數(shù)據(jù)格式輸出8種降水類型：雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪和冰雹。但是降水現(xiàn)象儀觀測(cè)規(guī)范中規(guī)定，降水現(xiàn)象識(shí)別類型為：毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹。所以在地面氣象觀測(cè)軟件中目前顯示的為5種降水現(xiàn)象，陣雨、陣雪和陣性雨夾雪分別訂正為雨、雪和雨夾雪。

2 資料的選取和處理方法

2.1 資料選取

文章選取了邢臺(tái)地區(qū)4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西)平行觀測(cè)期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源為平行觀測(cè)期間人工和自動(dòng)觀測(cè)天氣現(xiàn)象形成的日數(shù)據(jù)文件，此文件為平行觀測(cè)軟件下的臺(tái)站降水現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)整編文件，每個(gè)月形成1份。觀測(cè)時(shí)間是2018-08-01—2019-07-31，共12個(gè)月的人工觀測(cè)降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)和DSG4型降水現(xiàn)象儀的自動(dòng)降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)。平行觀測(cè)期間以人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)不上傳，自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果不進(jìn)行修改，本地存儲(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)評(píng)估方法

平行觀測(cè)期間主要以人工觀測(cè)到的降水現(xiàn)象過(guò)程作為參考標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)評(píng)估過(guò)程中，1次人工觀測(cè)某降水現(xiàn)象過(guò)程時(shí)段內(nèi)(白天段或夜間段)，儀器能夠同步識(shí)別至少1 min該降水現(xiàn)象，視為準(zhǔn)確識(shí)別1次降水過(guò)程。結(jié)合伍永學(xué)[4]等在《天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)資料可用性分析與應(yīng)用探討》中提到的方法，同時(shí)由于人工觀測(cè)天氣現(xiàn)象只對(duì)白天數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間記錄，為了便于質(zhì)控和數(shù)據(jù)對(duì)比，文章對(duì)此方法進(jìn)行了修改：1)白天時(shí)段人工記錄降水時(shí)段與自動(dòng)觀測(cè)記錄有重合為有效數(shù)據(jù)(重合時(shí)間≥1 min)，夜間時(shí)段只要記錄人工和自動(dòng)均觀測(cè)到降水現(xiàn)象即為有效數(shù)據(jù)；2)人工觀測(cè)無(wú)降水現(xiàn)象，儀器識(shí)別有降水現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)為空?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)；3)人工觀測(cè)有降水現(xiàn)象，而自動(dòng)氣象站沒(méi)有識(shí)別出降水現(xiàn)象，視為漏報(bào)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)正確率(NA)：儀器正確識(shí)別降水的有效數(shù)據(jù)次數(shù)(a)占人工觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過(guò)程總次數(shù)(A)的百分比。

空?qǐng)?bào)率(FAR)：空?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)次數(shù)(b)占儀器自動(dòng)觀測(cè)次數(shù)(B)的百分比。

漏報(bào)率(PO)：人工觀測(cè)到有某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程期間，儀器未識(shí)別出任何降水現(xiàn)象過(guò)程的漏報(bào)次數(shù)(c)，占人工觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生降水現(xiàn)象過(guò)程總次數(shù)(A)的百分比。

計(jì)算公式如下：

NA(%)=a/A×100%

(1)

FAR(%)=b/B×100%

(2)

PO(%)=c/A×100%

(3)

3 降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.1 數(shù)據(jù)一致性分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西2018年8月—2019年7月人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)降水次數(shù)，4個(gè)氣象觀測(cè)站全年觀測(cè)記錄共1460 d，其中人工觀測(cè)無(wú)降水共 1211 d，自動(dòng)觀測(cè)無(wú)降水966 d。白天時(shí)段人工觀測(cè)降水次數(shù)合計(jì)為155次，自動(dòng)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為361次，其中有效數(shù)據(jù)次數(shù)合計(jì)為149次，空?qǐng)?bào)210次，漏報(bào)次數(shù)為6次；夜間時(shí)段人工觀測(cè)降水次數(shù)合計(jì)為156次，有效數(shù)據(jù)次數(shù)合計(jì)154次，空?qǐng)?bào)103次，漏報(bào)次數(shù)為2次。自動(dòng)觀測(cè)降水次數(shù)遠(yuǎn)多于人工觀測(cè)降水次數(shù)，是人工觀測(cè)次數(shù)的2倍多。對(duì)全部數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)評(píng)估方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示，自動(dòng)觀測(cè)降水正確率均在96%以上，說(shuō)明自動(dòng)觀測(cè)降水和人工觀測(cè)降水現(xiàn)象基本一致，符合《DSG4型降水現(xiàn)象儀功能需求書》要求，基本滿足降水現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的需求。但是，該統(tǒng)計(jì)是在特定方法下計(jì)算的，存在以下問(wèn)題需要進(jìn)一步分析說(shuō)明：一是自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象時(shí)間轉(zhuǎn)換頻繁；二是復(fù)雜天氣降水現(xiàn)象頻繁轉(zhuǎn)換；三是自動(dòng)觀測(cè)冰雹現(xiàn)象記錄較多。

表1 2018年8月—2019年7月4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站平行觀測(cè)期間觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì) %

3.2 數(shù)據(jù)空?qǐng)?bào)率分析

如表1所示，4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的白天空?qǐng)?bào)率在10%以上，夜間均低于10%，空?qǐng)?bào)率白天大于夜間。空?qǐng)?bào)率較多的原因：一是自動(dòng)觀測(cè)降水質(zhì)控參數(shù)設(shè)置比較寬泛，在有效捕獲實(shí)際降水的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的無(wú)效降水?dāng)?shù)據(jù)；二是降水現(xiàn)象儀較靈敏，需要定期清潔維護(hù)[5]，否則容易將灰塵雜質(zhì)誤報(bào)成降水；三是人為觀測(cè)習(xí)慣導(dǎo)致微量降水無(wú)法觀測(cè)，受主觀因素影響忽視某些持續(xù)時(shí)間短的降水天氣；四是由于大霧或者濕度較大等天氣現(xiàn)象影響產(chǎn)生一些毛毛雨天氣，人工觀測(cè)記錄時(shí)會(huì)忽略，自動(dòng)降水現(xiàn)象儀卻會(huì)進(jìn)行記錄。

3.3 人工和自動(dòng)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

平行觀測(cè)期間，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的特點(diǎn)有明顯不同，一是自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象時(shí)間頻繁切換，人工觀測(cè)時(shí)間容易忽略短時(shí)間的降水中斷；二是自動(dòng)觀測(cè)降水相態(tài)變化較多，而人工觀測(cè)只有雨一種天氣現(xiàn)象；三是自動(dòng)觀測(cè)儀器易受外部環(huán)境影響產(chǎn)生非正常降水，人工沒(méi)有觀測(cè)到降水現(xiàn)象，可能是對(duì)斷斷續(xù)續(xù)微量降水的忽略；四是自動(dòng)觀測(cè)降水容易出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象誤判[6]，冰雹的判別受降水強(qiáng)度、粒徑速度、風(fēng)速等多種氣象要素影響，外部環(huán)境的較大雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致誤判，所以需要對(duì)冰雹算法進(jìn)一步細(xì)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站在人工和自動(dòng)觀測(cè)降水平行觀測(cè)期間1 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，DSG4型降水現(xiàn)象儀自動(dòng)采集降水現(xiàn)象與人工觀測(cè)降水記錄基本一致，符合自動(dòng)化需求，為降水現(xiàn)象儀單軌運(yùn)行打下基礎(chǔ)。但是為了進(jìn)一步提高設(shè)備數(shù)據(jù)可用率，提出以下建議：

1)自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象儀空?qǐng)?bào)次數(shù)較多，出現(xiàn)大量無(wú)效數(shù)據(jù)。自2020-04-01全國(guó)地面氣象觀測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以后，無(wú)效數(shù)據(jù)均會(huì)直接上傳至氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)，再由省局查詢質(zhì)疑到縣局，增加了省局和縣局人員的工作量，需要進(jìn)一步細(xì)化降水現(xiàn)象儀的內(nèi)部算法。

2)降水現(xiàn)象儀在自動(dòng)觀測(cè)降水時(shí)易出現(xiàn)時(shí)間和相態(tài)的頻繁切換，在業(yè)務(wù)規(guī)定中對(duì)降水起止時(shí)間在15 min或以內(nèi)，應(yīng)作為1次記載。降水相態(tài)的不斷變化，在夜間盡量以自動(dòng)觀測(cè)為主，白天可以人工進(jìn)行訂正。

3)降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測(cè)降水容易出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象誤判，主要是冰雹的判別受降水強(qiáng)度、粒徑速度、風(fēng)速等多種氣象要素影響，外部環(huán)境的較大雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致誤判，所以需要對(duì)冰雹算法進(jìn)一步細(xì)化。