一次降水多傳感器雨量數據異常的分析

張寧歆 金華星 楊瓊

摘?要：本文通過對降水多傳感器在滁州國家基本氣象觀測站運行期間存在的問題進行探討。從實際運行情況及數據對比分析結果來看，實際的業務運行中，在降水多傳感器未出現故常的情況下，整體的數據準確性和可用率還是比較高的。但是降水多傳感器還是存在一些問題，在傳感器故障的時候，并未能對一個或多個雨量傳感器數據異常的情況下進行剔除或修正，導致輸出異常，又未能較好地確保觀測數據的準確性。

關鍵詞：降水;多傳感器;業務應用;準確性

一、概述

降水作為氣象觀測要素中一個重要的部分，它的重要性可想而知，但是自地面氣象觀測自動化以來，每個臺站也只有主站一臺、備份站一臺的雨量傳感器，首先，雨量傳感器的唯一性就容易造成由傳感器故障導致的數據缺測、數據不準確。其次，單一的雨量傳感器也會造成實際觀測中不易發現的數據異常、漂移等問題。同時降水本身就是一個區域性、范圍性的過程，單一的雨量傳感器只能觀測一個點雨量，并不一定能很好地代表實際過程中的降水總量，故需要通過安裝不同位置、不同方向的多個傳感器實現面雨量綜合分析融合更具代表性。

為解決單雨量在業務運行中的弊端，2020年9月17日根據上級指示滁州國家基本氣象觀測站（以下簡稱滁州站，DZZ3型自動氣象站）進行了降水多傳感器的安裝和運行。本文通過對降水多傳感器在滁州站實際應用情況與存在問題進行分析討論。

二、傳感器結構及運行原理

（一）傳感器結構

降水多傳感器（圖1）采用三個完全相同的SL31型翻斗式雨量傳感器為感應元件，通過降水多傳感器標準控制器對三個傳感器的輸出值進行分析融合處理，輸出經過選擇的相對可靠的數值作為瞬時輸出值。三個翻斗式雨量傳感器安裝在兩兩相距1.5m處，成等邊三角形分布。

（二）運行原理

（1）通過將三個雨量傳感器的分鐘數據進行融合處理得出標準值。

（2）計算標準值與三個雨量傳感器的差值。

（3）將各雨量傳感器與標準值的差值進行對比分析。

（4）選擇差值較小的雨量傳感器作為源數據進行數值輸出。

（5）如若下一時次的源數據與標準值對比未超出允許范圍，則將繼續選用上一時次的源數據繼續作為輸出值輸出;如若下一時次的源數據與標準值對比超出允許范圍，則將重新選用與標準值偏差較小或者相同的源數據作為輸出值輸出。

三、運行情況分析

臺站所用降水多傳感器均統一采用3個完全相同的SL31型雨量傳感器。所選取的數據分析時段均無缺測數據，確保整個過程的數據完整性。

以滁州站2021年9月20日01時—10時00分為數據分析時段，選此時段是因為出現了較強降水過程，同時在降水之前3個雨量傳感器都進行過儀器校準標定，能較好地確保數據的準確性和可用性。故這個時段可以很好地進行數據比對和分析。

降水數據采用小時累積量進行對比分析，將3個雨量數據分析可得圖3。

由圖3可得出主要降水時段為04—08時，其中降水最明顯的時段為05時—07時。從整體看3個雨量傳感器的降水總量相差不大，3個雨量傳感器降水數據分別為21.1mm、21.1mm、21.2mm，標準值為21.1mm。從降水總量來看3個雨量傳感器的偏差非常小，只有翻斗3雨量傳感器比其他兩個偏多0.1mm。

又以滁州站2021年10月14日20時01分—15日20時00分為數據時段，分析得出圖4。

由圖4可得出全天每個時次都有降水，其中降水最明顯的時段為03時、11時、12時、18時和20時。3個雨量傳感器降水數據分別為29.2mm、27.8mm、27.4mm，標準值為27.8mm。該時段三個翻斗小時累計量各有差異，其中可以明顯地發現翻斗1降水數據明顯大于翻斗2和翻斗3，翻斗2和翻斗3數據較為接近，且誤差在可接受范圍內，所以可以看出數據在分析處理的時候就已經將翻斗1的降水數據通過與標準值對比，將翻斗1的降水數據判斷為可疑數據或錯誤數據，最后并未將其作為輸出值輸出。

又以2021年11月4日20時01分—5日20時00分為數據分析時段，選此時段同樣是因為有較強降水過程，且與10月5日降水相類似的情況。由該時段數據分析得出圖5。

由圖5可得出主要降水時段為04時、05時、06時和07時。3個雨量傳感器降水數據分別為13.7mm、15.3mm、152mm，標準值為15.2mm。該時段三個翻斗小時累計量中翻斗1的雨量與翻斗2和翻斗3的雨量差異明顯，其中可以明顯地發現翻斗1降水數據遠小于翻斗2和翻斗3，翻斗2和翻斗3數據相差無幾，僅有0.1mm的誤差，所以同樣可以看出數據在分析處理的時候就已經將翻斗1的降水數據通過與標準值對比，將翻斗1的降水數據判斷為可疑數據或錯誤數據，最后并未將其作為輸出值輸出。

考慮到3個儀器有微小差異及傳感器靈敏度不同的情況下，會存在分時段的雨量差異，但從降水總量上分析發現整個過程雨量的偏差在±3%范圍內，在儀器性能允許的誤差范圍內，故在設備不出現故障或者僅有一個雨量傳感器出現故障的情況下，能較好地排除或過濾掉可疑的數據，不論該數據是偏大還是偏小，降水多傳感器系統總能以較為準確的數據進行輸出，因此降水多傳感器的總體效果良好，運行較為穩定，數據較為準確可靠，數據可用率較高。

四、異常數據分析

以滁州站2021年7月27日21時01分—28日10時00分為數據分析時段，選此時間段是因為該時段有較強降水過程，同時該日翻斗1數據存在異常整體數值偏小，翻斗3雨量傳感器因泥沙影響導致數據異常不準確。通過已知翻斗1雨量傳感器數據異常，翻斗3雨量傳感器存在故障導致數據異常的情況下對比實際輸出值與備份站雨量是否存在差異進行分析。

降水數據采用小時累積雨量進行對比，以備份站數據作為參考值，將3個雨量傳感器與標準值進行對比分析（圖6）。

該時段三個翻斗小時累積總量分別為51.1mm、626mm、57mm，傳輸值、標準值、備份站小時累積總量分別為57mm、57mm、63.8mm。

由圖6可知小時累積降水量傳輸值、標準值與翻斗3小時累積降水量一直，即可說明數據處理之后的傳輸值以翻斗3的數據為參考，又由圖7可知傳輸值和標準值與備份站數據相差較大，在已知翻斗1數據異常，翻斗3雨量傳感器因泥沙堵塞導致數據異常的情況下，可得出降水傳輸值遠小于實際降水值。又通過圖8可得出翻斗2雨量傳感器降水數據與備份站降水數據差異較小，故可得出翻斗2雨量傳感器數據較為準確。在此時間段內降水多傳感器通過微控制器分析融合處理以后并未剔除觀測異常值，沒有輸出正確的觀測值，從而未確保降水過程數據的準確性。

從大雨強和小雨強兩個方面分析，發現在小雨強時，三個雨量傳感器的數值沒有較大差異，輸出值也與實際雨量相當。當降水為大雨強時，就能明顯地發現翻斗1雨量遠小于翻斗2和翻斗3的雨量，當三個雨量傳感器的數值為翻斗1小于翻斗3小于翻斗2時，我們發現標準值接近于中間翻斗3的數值，導致最終輸出值以翻斗3為源數據輸出。

在沒有人工觀測作為對比的情況下，僅能以備份站數據作為參考值進行比較，從中可以發現當出現兩個或者更多雨量傳感器發生異常時，降水多傳感器就無法及時地發現問題，也無法合理有效地判斷數據準確性，從而確保輸出正確的降水數據。

五、結論

針對單一雨量傳感器所存在的問題，進行了更換，變成了現在的降水多雨量傳感器。從硬件以及數據采集上進行了優化升級，希望可以提高數據的準確性和穩定性?？傮w上降水多傳感器效果良好，運行穩定。但實際工作應用中卻仍存在些許不足，通過降水數據的對比分析，發現以下幾點問題：

（1）當三個雨量傳感器中出現兩個或兩個以上的數據異常時，降水多傳感器并未能發現異常，也無法選取出三個雨量傳感器中相對正確的數值，在沒有人工干預的情況下也未能及時地對三個雨量傳感器數值提出異議，導致最終輸出值的不正確。

（2）當標準值與其中某一雨量傳感器數值相近時，最后輸出值將一直采用該雨量傳感器數值，同時若下一時次仍然數值相近，則錯誤數據會一直作為輸出值輸出，影響降水數據的準確性。

（3）當三個雨量傳感器數值相差較大時，數據融合出的標準值也并不能具有代表性，結果就是與標準值接近的一個雨量傳感器作為輸出值輸出，本身并未發現數據存在異常，并未對三個雨量傳感器的數值提出異議或者剔除異常的數值，從結果來看就是最終降水多傳感器沒有完成數據整合篩選，并沒有選擇相對正確的雨量傳感器作為源數據輸出。

參考文獻：

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[3]中國氣象局綜合觀測司.地面氣象自動觀測規范（第一版），2019.

作者簡介：張寧歆（1991—?），男，漢族，山西孝義人，本科，工程師，從事綜合觀測、裝備保障等工作。