Dsc1稱重式降水傳感器與降水多傳感器標準控制系統觀測數據對比分析

張遠洪,黃 菁,古書鴻,袁 穎,張強宜,黃美霞

(1.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563002；2.貴州省綏陽縣氣象局，貴州 綏陽 563300；3.貴州省山地環境氣候研究所,貴州 貴陽 550002)

0 引言

遵義市冬季易出現雨凇、降雪等天氣現象。稱重式降水傳感器的安裝使用極大提高了冬季降水觀測的連續性和時效性，為冬季氣象服提供及時的觀測資料，同時大大減輕了地面氣象觀測人員的工作量[1-4]。2020年10月遵義市國家級地面氣象觀測站均安裝使用了雙翻斗降水多傳感器標準控制系統。本文基于遵義市12個國家級氣象觀測站2020年12月—2021年3月DSC1稱重式降水傳感器和雙翻斗降水多傳感器標準控制系統采集的液態降水量數據，對降雨總量、不同量級降雨量、分鐘捕獲有效降雨量的次數、感應時間等進行對比分析，考察2種儀器采集液態降水數據的準確性和可靠性方面的差異，找出差異產生的原因，提出建議。

1 概述

1.1 DSC1稱重式降水傳感器觀測簡介

DSC1稱重式降水傳感器主要由承水口、外殼、內筒、載荷元件及處理單元、底座組件和防風圈等部件組成。

工作原理：通過對質量變化的快速響應測量降水量。載荷元件對重量變化快速響應，把降水引起的重量變化轉變為電信號，信號變換電路將載荷元件測得的電信號進行轉換，再通過溫度修正處理得到重量數據；稱重單元通過溫度補償、數字濾波等技術達到全量程范圍內的降水準確測量；處理單元對稱重單元的信號進行采樣，并對采樣值進行數據運算處理，計算出分鐘降水量和累計降水量。其原理如圖1所示[5]。

圖1 稱重式降水傳感器原理Fig.1 Schematic diagram of weighing precipitation sensor

1.2 降水多傳感器標準控制系統觀測簡介

在2020年10月遵義市國家級地面氣象觀測站均安裝使用了降水多傳感器標準控制系統。降水多傳感器標準控制系統包括：3個翻斗式雨量傳感器、降水多傳感器標準控制器、通信接口和外圍設備等，其硬件結構示意圖如圖2[5]。

圖2 降水多傳感器標準控制系統硬件結構Fig.2 Schematic diagram of hardware structure of precipitation multi-sensor standard control system

降水多傳感器標準控制器工作原理：降水多傳感器標準控制系統由降水標準控制器、3個翻斗雨量傳感器等組成。降水融合控制器采集3個翻斗雨量傳感器的數據，經標準化算法確定實時降水量值，即雙翻斗式雨量標準值，將實時降水量值、各傳感器降水量采集值以及設備工作狀態通過CAN總線發送到主采集器[5]。

數據采集方式：降水多傳感器標準控制器選取雙翻斗式雨量傳感器I的測量結果作為業務主用數據源，雙翻斗式雨量傳感器II和雙翻斗式雨量傳感器III的測量結果作為熱備份數據源。在整點將3個傳感器的小時累積降水量測量結果與標準值進行對比，若超出閾值±0.4mm(≤10mm)或±4%(>10mm)，輸出相應狀態碼，觀測業務軟件(ISOS)端可實現自動報警，并提示需要檢查異常雨量傳感器。若現用雨量數據源異常或超出閾值，標準控制器可自動切換至下一個狀態正常的雨量數據源，在整點完成翻斗式雨量傳感器I、II、III依次切換，整點前保持原有雨量傳感器分鐘級數據序列，分鐘數據和小時數據正常傳輸，整點后1min啟用切換后的翻斗式雨量傳感器分鐘和小時數據作為傳輸值；若標準值缺測，或3個雨量傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測。業務軟件讀取標準控制器傳輸值作為翻斗式雨量上傳數據。

2 數據統計分析

2.1 資料來源和可靠性

資料選用遵義市湄潭、桐梓、道真、務川、鳳岡、正安、仁懷、習水、余慶、匯川、播州、綏陽等12個國家級地面氣象觀測站2020年12月—2021年3月DSC1稱重式降水傳感器和雙翻斗降水多傳感器標準控制系統采集的液態降水量數據。選取樣本的標準為分鐘降雨量≥0.1 mm的分鐘數據，剔除因儀器故障導致的降雨量缺測部分。

相關概念：①統計時段：2020年12月1日—2021年3月31日;②雨量差值=雙翻斗式雨量標準值-稱重式降水傳感器觀測值。

2.2 總雨量的差異分析

從表1可知，降水多傳感器標準控制器與稱重式觀測總雨量的相對差值除57710站偏少外，其余11站均偏多。其中57722站相對差值(33.7%)和57729站相對差值(35.7%)的嚴重偏大，其余10個站的在-2.3%～16%之間，平均相對差值為11.0%。

2.3 各站降水量級的差異分析

為了比較不同降水強度情況下的差值分析，將過程降水量劃分為小雨(0.1～9.9mm)、中雨(10.0～24.9mm)、大雨及以上(≥25mm)3種。由于分析時段只有2站出現大雨及以上過程降水。故分別統計12站過程降雨量為小雨量級和中雨量級的降水量總量、降水次數，求得雙翻斗降水多傳感器標準控制器過程平均雨量和稱重式過程平均雨量，再統計2種儀器平均降雨量的差值，如表2和表3。

表1 遵義市12站降水多傳感器標準控制器與稱重式觀測總雨量對比統計表Tab.1 Comparison between the standard controller of multi-sensor precipitation and the total rainfall observed by weighing method at 12 stations in Zunyi City

從表2可知，12個站小雨過程雙翻斗降水多傳感器標準控制器和稱重式平均差值均在-0.2～1.8 mm。除57722站和57729站偏得較多外，其余10個站平均差值在-0.2～0.4 mm，偏差范圍在業務技術規定性能要求范圍內，符合10 mm及以下降水過程測量誤差為±0.4 mm。

從表3可知，12個站中雨過程雙翻斗降水多傳感器標準控制器和稱重式平均差值均在-0.5～8.0 mm，相對差值-2.8%～43.2%。根據業務技術性能要求，10 mm以上降水過程測量誤差為±4%。12個站中除57710站和57720站小于4%外，其他站均大于4%。可見中雨過程中有10個站2種儀器的觀測差值不符合業務技術業務技術性能要求。

2.4 分鐘捕獲有效降水量≥0.1mm的次數對比分析

從表4顯示，稱重式降水傳感器觀測的分鐘降水≥0.1mm次數與降水多傳感器標準控制器的分鐘降水≥0.1mm的次數除57710站偏多外，其余11站均偏少。其中57722站和57729站嚴重偏少，其余10站在-2.1%～13.5%之間，平均偏差為8.7%。

表2 各站小雨過程雙翻斗降水多傳感器標準控制器和稱重式平均降雨量差值統計表Tab.2 Statistical table of average rainfall difference value of double tipping bucket precipitation multi-sensor standard controller and weighing type during light rain process at each station

表3 各站中雨過程雙翻斗降水多傳感器標準控制器和稱重式平均降雨量差值統計表 Tab.3 Statistical table of average rainfall difference of double tipping bucket precipitation with multi-sensor standard controller and weighing type during moderate rain process at each station

2.5 感應降水時間的分析

通過對12個站的2種儀器每次過程降水感應時間進行對比分析，出現液態降水時存在感應時間的滯后性，平均滯后間時為5 min，最長達10 min左右。以仁懷站3月20—21日為例進行對比，平均滯后間時為5 min，最長的達8 min左右,最短為1 min，感應時間一致的僅1次(表略)。

2.6 分析結果

通過對降水多傳感器標準控制系統分鐘降水標準值和DSC1稱重式觀測分鐘降水量的降雨總量、不同量級降雨量、分鐘捕獲有效降雨量的次數、感應時間等對比分析發現：

①稱重式降水傳感器觀測的總雨量偏少，平均偏差為11%。

②稱重式降水傳感器觀測的小雨過程雨量差值除57722站和57729站偏大外，其余站2種儀器的一致性較好；中雨過程雨量差值除57710站和57720站小于4%外，其余10個站2種儀器的觀測差值不符合業務技術業務技術性能要求。

③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數要偏少，平均偏差為8.7%。

④稱重式對≥0.1 mm的降水感應時間存在滯后性，平均滯后間時為5 min，最長的要達10 min左右。

表4 降水多傳感器標準控制器與稱重式分鐘捕獲有效降水量分鐘降水≥0.1mm次數的統計表Tab.4 Statistical table of the number of times of precipitation ≥0.1mm in minutes captured by precipitation multi-sensor standard controller and weighing mode

3 數據差異的原因分析

由于2種儀器的結構和觀測原理不同，觀測數據存在差異是正常的。對于DSC1稱重式降水傳感器觀測值小于降水多傳感器標準控制系統觀測值、感應時間的滯后性等的原因，也有儀器自身差異，也有儀器維護的差別[6]。

① 2種儀器的觀測原理和性能不同，還有安裝高度不同，雙翻斗雨量傳感器器口高度為70 cm，DSC1稱重式降水傳感器器口高度為150 cm，降水數據可能存在差異。

②臺站人工維護存在差異。經過調查差異較大的57722站和57729站，是因為未按照文獻[5]開展稱重式降水傳感器維護，特別是降水過程較大的時段，未進行排水，內筒的水已滿，后面降水溢出，無法感應后面出現的降水量，導致觀測數據異差異較大。

③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數偏少，原因大致有2個：相關線路出現松動導致設備運行不穩定；傳感器靈敏度難以對降雨進行有效的識別。

④稱重式對≥0.1 mm的降水感應時間存在滯后性，是因為未按照文獻[5]對稱重式降水傳感器的現場開展復核和測試工作，無法了解稱重式降水傳感器設備的性能是否運行良好，準確性、靈敏度是否發生變化。

4 做好稱重式降水傳感器的維護

4.1 做好使用前的維護調試工作

在每年12月1日啟用稱重式降水傳感器前，應選擇晴好天氣，先斷開稱重式降水傳感器電源，拔下數據線，對儀器進行清潔維護，添加相應配比的防凍液和抑制蒸發油，再接上數據線和電源線。并使用雨量標準器對傳感器進行現場測試。測試方法如下：

先將數據線拔下，將其與雨量校準器的數據線相接，并將雨量校準器清零；用量杯量取10 mm水，緩慢倒入內筒，模擬雨強2～4 mm/min。每次現場測試重復進行3次，并分別計算誤差[5]。

4.2 做好使用期間的維護工作

臺站業務值班人員必須定期嚴格依據文獻[5]規定，對場地、設備、電源供電等進行巡視檢查。①每天定時對儀器進行清潔工作，及時清除口沿外的各種雜物，如沙塵、樹葉、積雪等。若積雪將盛水口沿完全覆蓋，需把積雪清除掉。②每天對供電狀況和內筒內液面的高度進行檢查。③如果連續降雨，容易導致降水量過大，進而超出稱重式降水傳感器的量程范圍。必須及時進行排水處理，降雨過程結束后要立即做好檢查工作，避免溢出情況發生。④每個月都要定期對防雷接地情況進行檢查。⑤對降水量數據的準確性進行判斷分析，若出現疑問，則需要現場進行測試。

4.3 做好停用后的維護

在每年的4月1日停用稱重式降水傳感器，應全面進行清潔維護，清空容器內液體，將桶口加蓋。

5 結束語

通過對DSC1稱重式與降水多傳感器標準控制系統觀測數據對比分析發現：①稱重式降水傳感器觀測的累計雨量普遍偏少；②稱重式降水傳感器與降水多傳感器標準控制系統的小雨過程雨量差值2種儀器一致性較好；中雨過程雨量差值有10個站不符合業務技術業務技術性能要求；③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數偏少；④稱重式對≥0.1 mm的降水感應時間存在滯后性。存在這些差異的主要原因是稱重式降水傳感器在使用過程中維護不到位。為了提高DSC1稱重式降水傳感器觀測數據的準確性，需按照規定認真開展DSC1稱重式降水傳感器日常維護及核查工作。同時，建議國家級地面氣象觀測站以降水多傳感器標準控制器為主觀測降雨量，如果溫度低于0 ℃出現雨凇或固態降水天氣時，應及時啟用稱重式降水傳感器觀測降水。