陳 征,龍亞星,張 和

(陜西省大氣探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

稱重式降水傳感器觀測數(shù)據(jù)對比分析

陳 征,龍亞星,張 和

(陜西省大氣探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

通過對 2012-08-31—09-02西安一次強(qiáng)降水過程的降水量進(jìn)行自動化連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)采集,采用數(shù)理統(tǒng)計的方法,以雙翻斗降水傳感器為參照,對無錫、華云、天津生產(chǎn)的三種稱重式降水傳感器捕獲到的降水開始時間、結(jié)束時間、分鐘及小時累計降水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析。結(jié)果表明:三種稱重式降水傳感器的最大測量誤差均達(dá)到技術(shù)規(guī)格要求;由于設(shè)備差異,四種降水傳感器在第一次及最后一次捕獲到降水的時間上存在約 10min時間先后差異。指出各傳感器在采集數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性等方面的差異,為稱重式降水傳感器的應(yīng)用與選型提供參考。

稱重;降水傳感器;數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性;標(biāo)準(zhǔn)差

降水觀測是地面氣象觀測的主要項目之一,它為氣象防災(zāi)減災(zāi)、天氣預(yù)報、氣候分析和大氣科學(xué)研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。目前,液態(tài)降水觀測技術(shù)成熟且自動化程度高,而 82%的固態(tài)降水是通過人工觀測測得,觀測自動化程度低[1]。稱重式降水傳感器的研發(fā)與生產(chǎn)為固態(tài)及混合性降水的自動化觀測提供了條件。2012年 4月,陜西省大氣探測技術(shù)保障中心組織將無錫、天津、華云三家公司生產(chǎn)的三種稱重式降水傳感器 (無錫(DSC1,以下簡稱 WX)、天津 (DSC3,以下簡稱T J)、華云 (DSC2,以下簡稱 HY))同常規(guī)雙翻斗雨量傳感器 (以下簡稱 SL3-1)進(jìn)行對比觀測,以為稱重式降水傳感器在省內(nèi)的布局建設(shè)進(jìn)行技術(shù)儲備。

1 工作原理和實驗條件

1.1 工作原理

根據(jù) 《固態(tài)降水傳感器功能規(guī)格需求書》要求,稱重式降水傳感器承水器口高度為 150 cm,承水器口徑為 200 mm;分辨率為 0.1 mm;最大測量誤差± 0.4 mm(≤10 mm),± 4% (＞ 10 mm)。WX、T J、HY在前三個方面均與 SL3-1一致,符合要求,而最大測量誤差有待檢驗。

HY采集單元工作原理:載荷元件基于振弦技術(shù),以弦絲為彈性部件,根據(jù)其拉力與振動頻率的對應(yīng)關(guān)系,通過相應(yīng)的測量電路處理得到質(zhì)量,并經(jīng)過處理單元的算法運(yùn)算處理得到分鐘和累計降水量。

WX與 TJ的采集單元工作原理一致,載荷元件基于電阻應(yīng)變技術(shù),敏感梁在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片變形后其阻值發(fā)生變化,再經(jīng)過相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號處理得到質(zhì)量,最后經(jīng)過處理單元的算法處理得到分鐘降水量和累計降水量。

SL3-1的工作原理[2]:當(dāng)計量翻斗承受的降水量達(dá)到 0.1 mm時,計量翻斗把降水傾倒到計數(shù)翻斗,使計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次,此時與計數(shù)翻斗相關(guān)的磁鋼就對翻斗上的干簧管掃描一次。干簧管因磁化而瞬間閉合一次,就送出去一個開關(guān)信號,采集器因此自動采集到 0.1 mm降水。

1.2 實驗條件

WX、T J、HY均通過 GPRS無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至中心站,中心站與授時服務(wù)器進(jìn)行自動對時,以保證探測數(shù)據(jù)對應(yīng)時間的一致性。SL3-1通過有線方式接入 DYYZII型采集器,采集器時間與中心站時差在 3 s以內(nèi)。數(shù)據(jù)對應(yīng)的觀測時鐘采用北京時(yyyyMMddhhmmss)。氣象資料采用2012-08-31— 09-02時段內(nèi)四種降水傳感器的降水量觀測資料。該時段內(nèi)降水類型為液態(tài)降水,降水強(qiáng)度為大雨到暴雨。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 降水開始 /結(jié)束時間

對降水?dāng)?shù)據(jù)文件進(jìn)行解析,得到各降水傳感器首次捕獲到降水的時間 (分鐘降水量)和最后一次捕獲到降水的時間 (分鐘降水量)(見表 1)。

表 1 各降水傳感器捕獲降水開始、結(jié)束時間和分鐘降水量

可以發(fā)現(xiàn),TJ、WX捕獲到降水的開始時間晚于 SL3-1,T J、WX、 HY捕獲到降水的結(jié)束時間均晚于 SL3-1。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是,T J、WX在首次捕獲到降水質(zhì)量增加后,將結(jié)合溫度、風(fēng)等環(huán)境因素對質(zhì)量增加情況進(jìn)行連續(xù)觀察,以判斷其是否為偶然干擾,這一數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法和過程引起降水量數(shù)據(jù)被寫入數(shù)據(jù)文件的時間比降水實際發(fā)生的時間延遲 (約 10 min)。

HY捕獲到的降水開始時間早于 SL3-1。SL3-1第一次捕獲到的降水量為 0.2 mm,可能是由于降水開始時,SL3-1的承水器 V型內(nèi)壁吸附有部分水滴,而當(dāng)水滴形成小的水流時,降水匯集在漏斗并瞬間流入上翻斗,導(dǎo)致 1分鐘內(nèi)計數(shù)漏斗連續(xù)翻轉(zhuǎn)兩次,從而記錄下 0.2 mm的分鐘降水量,并造成 SL3-1捕獲到的降水開始時間延遲。

因此,降水實際發(fā)生時間,應(yīng)以 HY捕獲到的時間為準(zhǔn);降水實際結(jié)束時間,則以 SL3-1捕獲到的時間為準(zhǔn)。

2.2 小時降水量

以2012-08-31T00:00:00—09-02T03:00:00為時間范圍,以各正點四種傳感器捕獲到的小時降水量數(shù)據(jù)作為一組,計算這組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差[2]。計算方法為

其中 , RHYi、 RTJi、 RWXi、 RSL3-1i分別表示在 2012-08-31T00:00:00— 09-02T03:00:00時間范圍內(nèi)各傳感器捕獲到的第i組小時降水量,、Si分別為第 i 組數(shù)據(jù)的降水量平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,共51組。各組的小時降水量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Si如圖 1所示。

51組數(shù)據(jù)中,標(biāo)準(zhǔn)差在 0.15 mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)為 42組,占總組數(shù)的 82.4%;標(biāo)準(zhǔn)差在 0.2 mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)為 46組,占總組數(shù)的 90.2%。這一現(xiàn)象表明:四種降水傳感器捕獲的小時降水量有較好的數(shù)據(jù)一致性。

圖 1 四種傳感器小時降水量平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 3、 6、 12小時累計降水量

與 2.2中的時間范圍及數(shù)理統(tǒng)計方法相同,分別對 3小時、6小時及 12小時累計降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,并計算各組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。圖 2顯示了 3小時累計降水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。

圖 2 四種傳感器 3小時累計降水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比

對 3小時、6小時及 12小時累計降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),一般情況下,各組觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差大小與實際降水量大小 (以平均值為準(zhǔn))存在反比關(guān)系,即實際降水量越大時,各傳感器捕獲到的降水量的標(biāo)準(zhǔn)差越大,反之越小。同時,實際降水量越大時,標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值越小,說明實際降水量越大時,各傳感器對于降水采集的準(zhǔn)確性越高。

3 相關(guān)分析

3.1 數(shù)據(jù)的完整性

HY分鐘降水量數(shù)據(jù)不完整,只存儲有 5分鐘降水量數(shù)據(jù),小時降水量數(shù)據(jù)完整。T J分鐘、小時降水量數(shù)據(jù)完整。WX分鐘、小時降水量數(shù)據(jù)完整,并有分鐘、小時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識。SL3-1分鐘、小時數(shù)據(jù)完整性好。

3.2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

四種傳感器在 2012年 8月 31日 20:00的小時降水量最大相差 0.4 mm,21:00最大相差0.5 mm。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是各傳感器在靈敏性、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法等方面存在差異。

在2012-08-31T00:00:00—09-02T03:00:00這一時間范圍內(nèi),各傳感器捕獲的總降水量1)HY為 67.8 mm;2)T J為 65.3mm;3)WX為 71.0 mm;4)SL3-1:66.9 mm。降水量平均值為 67.8 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為 2.1 mm,標(biāo)準(zhǔn)差 /平均值≈3.1%。

三種稱重式降水傳感器測得的過程總降水量均大于 SL3-1,這與預(yù)期一致,原因是:1)稱重式降水傳感器將降水質(zhì)量換算成雨量時沒有剔除雜物 (如降塵、蚊蟲等)的影響;2)稱重式降水傳感器的擋風(fēng)設(shè)施可以減少水平方向上的風(fēng)場對于降水捕獲的影響,提高降水捕獲率。

4 小結(jié)

4.1 四種降水傳感器實測降水量數(shù)據(jù)的一致性與降水強(qiáng)度及連續(xù)性有關(guān),降水強(qiáng)度越大且過程連續(xù)時,數(shù)據(jù)一致性越好,降水強(qiáng)度越小且過程不連續(xù)時,數(shù)據(jù)一致性越差。

4.2 降水量小于 10 mm時,各傳感器捕獲到的降水量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為 0.1 mm,最大為 0.2 mm;降水量大于 10 mm時,各傳感器捕獲到的降水量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值均小于 4%。因此,四種降水傳感器的最大測量誤差均滿足± 0.4 mm(≤ 10 mm),± 4%(＞ 10 mm)的功能規(guī)格需求。

[1]世界氣象組織.各國家自動氣象站中固態(tài)降水測量儀器和方法 (WMO/TDNo.1544)[R].日內(nèi)瓦,2010.

[2]盛驟,謝式千,潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計 [M].北京:高等教育出報社,2001:121-128.

P415.12

B

1006-4354(2013)02-0027-03

2012-09-07

陳征 (1967— ),男,上海市人,漢族,學(xué)士,工程師,主要從事氣象探測技術(shù)保障、計劃財務(wù)及科研開發(fā)管理工作。