李 艷，李 林，魯 欣

(1.華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；2.北京市氣象探測(cè)中心，北京 100089；3. 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京 100081)

DSC2型稱重式降水傳感器存在的典型問題

李 艷1，李 林2，3，魯 欣1

(1.華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；2.北京市氣象探測(cè)中心，北京 100089；3. 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京 100081)

整理DSC2型稱重式降水傳感器在業(yè)務(wù)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，對(duì)DSC2型稱重式降水傳感器存在的采集器連接、量筒內(nèi)壁粘雪、小雨時(shí)的缺測(cè)等問題進(jìn)行分析。提出提高DSC2型稱重式降水傳感器運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，提升其監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性；提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性的相應(yīng)建議。

稱重式降水傳感器；問題分析；對(duì)策

降水觀測(cè)作為地面氣象觀測(cè)的主要項(xiàng)目之一，為氣象防災(zāi)減災(zāi)、天氣預(yù)報(bào)、氣候分析和科學(xué)研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。稱重式降水傳感器實(shí)現(xiàn)了降水全天候自動(dòng)化觀測(cè)，能夠解決目前氣象臺(tái)站固態(tài)降水觀測(cè)的時(shí)效和頻次等問題[1-3]，有利于提高固態(tài)降水觀測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，并減輕觀測(cè)人員的工作量，為更好開展冰雪天氣過程的氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)工作提供有力支撐，并降低冰雪災(zāi)害對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響。目前已有較多的業(yè)務(wù)人員對(duì)稱重和翻斗觀測(cè)誤差[4-7]等進(jìn)行分析，也有不少科研人員分析了中國(guó)降水測(cè)量的誤差[8-9]，但是對(duì)新應(yīng)用的稱重式降水傳感器故障問題等的研究還欠缺。DSC2型傳感器在安裝和業(yè)務(wù)應(yīng)用過程中常出現(xiàn)一些問題，整理和分析這些問題并提出相應(yīng)的解決方案，對(duì)于固態(tài)降水觀測(cè)站的穩(wěn)定運(yùn)行和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提高具有一定意義。

1 DSC2型傳感器原理

DSC2型稱重式降水傳感器基于載荷測(cè)量技術(shù)原理設(shè)計(jì)，包括稱重傳感器、處理單元、安裝基座和防風(fēng)圈等，其中，稱重傳感器包括帶雨/雪入口的保護(hù)罩、裝雨/雪的集水桶和三個(gè)振弦式稱重傳感器。收集降水的集水桶安裝于懸掛在稱重單元下的托盤上，集水桶內(nèi)的降水由稱重單元進(jìn)行稱重。DSC2型載荷單元測(cè)量技術(shù)采用振弦技術(shù)，稱重單元是利用內(nèi)部的振動(dòng)金屬線被測(cè)量重物(降水)拉緊的程度來稱重，稱得的質(zhì)量由輸出的頻率量來表示。數(shù)據(jù)處理單元測(cè)出稱重單元傳送來的頻率量，根據(jù)質(zhì)量與振動(dòng)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用計(jì)算公式即可計(jì)算得到集水桶內(nèi)的降水量。在連續(xù)測(cè)量時(shí)，用本次測(cè)得的降水量減去前次測(cè)得的降水量即可得到兩次測(cè)量間隔間的實(shí)際降水量。

2 DSC2型傳感器存在問題

2.1 DSC2型傳感器與QML201采集器連接

DSC2型稱重式降水傳感器與芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站連接時(shí)出現(xiàn)了降水?dāng)?shù)據(jù)不能被采集的情況，該自動(dòng)站采用QML201采集器，通過計(jì)數(shù)通道進(jìn)行雨量數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過比較分析發(fā)現(xiàn)，該問題的出現(xiàn)原因?yàn)镈SC2型稱重式降水傳感器輸出的模擬信號(hào)(+5 V方波)與QML201采集器計(jì)數(shù)通道方波周期和電壓幅度等參數(shù)不匹配，導(dǎo)致稱重降水傳感器輸出的降水信號(hào)不能被自動(dòng)站所識(shí)別和采集。通過增加繼電器轉(zhuǎn)換模塊，即通過稱重降水傳感器輸出的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器打開與閉合，形成與現(xiàn)有雙翻斗雨量計(jì)的干簧管一樣的通斷信號(hào)，可成功解決與QML201采集器連接降水?dāng)?shù)據(jù)不能被采集的問題。

在增加繼電器轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，DSC2傳感器均輸出10.0 mm降水量，而QML201采集器僅記錄降水量為9.3～9.7 mm，兩者數(shù)據(jù)不一致。通過增加計(jì)數(shù)器，發(fā)現(xiàn)DSC2型傳感器輸出正常，QML201采集器記錄偏少。通過查看DSC2傳感器分采集器和QML201采集器的程序發(fā)現(xiàn)，DSC2傳感器輸出脈沖的寬度和間隔均為100 ms，QML201采集器最小接收的脈沖寬度也為100 ms，由于繼電器轉(zhuǎn)換模塊存在計(jì)時(shí)誤差，導(dǎo)致計(jì)數(shù)偶然缺失，從而導(dǎo)致QML201采集器記錄的降水量小于DSC2傳感器輸出的降水量。修改DSC2傳感器分采集器程序，將輸出脈沖寬度調(diào)整為300 ms，大于QML201采集器的最小接受脈沖寬度，從而有效的解決了這個(gè)該問題。

2.2 雨量筒內(nèi)壁粘雪

為了保證傳感器穩(wěn)定工作，DSC2型傳感器采用“凸”字型防護(hù)罩，防護(hù)罩頂端為內(nèi)徑200 mm的承水口，承水口至集水桶為約320 mm長(zhǎng)的光滑內(nèi)壁。在特殊天氣條件下，尤其是雨夾雪天氣時(shí)，內(nèi)壁容易粘雪。內(nèi)壁粘雪后，將導(dǎo)致實(shí)時(shí)觀測(cè)的降水量偏少，而且該部分雪進(jìn)入集水筒時(shí)會(huì)導(dǎo)致分鐘降水量忽然增大。如果發(fā)生在降水過程中，觀測(cè)人員質(zhì)控時(shí)會(huì)認(rèn)為是異常降水；降水結(jié)束后超過滯后降水的時(shí)效，觀測(cè)人員可能會(huì)當(dāng)作誤報(bào)處理。

2012年11月3日10:30至4日15：43海淀站為雨夾雪，降水(雪)量較為均勻，但4日05：30和05：31降水量與之前的降水量存在明顯差異，最大分鐘降水量從0.4 mm增為4.2 mm和2.8 mm，出現(xiàn)明顯突增，而后DSC2傳感器輸出的降水量又恢復(fù)正常，這與降水(雪)實(shí)況明顯不符。通過比較DSC2傳感器與人工觀測(cè)累積降水量，可以看到兩者均為70.1 mm，故分析該降水應(yīng)為傳感器內(nèi)壁粘雪增加了降水量所致。

在2013年3月19日降水過程中，北京地區(qū)15個(gè)觀測(cè)站中13個(gè)站出現(xiàn)了降雪或雨夾雪天氣，此次雨雪過程于20日08:00已經(jīng)結(jié)束，但是09：00—11：00有13個(gè)測(cè)站均出現(xiàn)降水量，其中降水量最小為0.1 mm，最大為2.8 mm。臺(tái)站測(cè)報(bào)人員觀察發(fā)現(xiàn)大部分站傳感器內(nèi)壁基本都存在粘雪，且當(dāng)時(shí)臺(tái)站溫度均升至0 ℃以上。

針對(duì)以上問題，考慮通過以下三個(gè)途徑來解決。(1)提高工藝增加DSC2傳感器內(nèi)壁的光滑度，減小摩擦力；(2)縮短承水口至集水桶之間的距離，減少雪的附著空間；(3)在DSC2傳感器的承水口增加加熱系統(tǒng)，根據(jù)降雪量實(shí)時(shí)啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨降隨化。

2.3 單個(gè)振弦故障下的缺測(cè)

在2012年11月3—4日降水過程中，石景山站DSC2傳感器觀測(cè)與人工觀測(cè)的過程總降水量偏差不大，但是在降水過程中值班人員發(fā)現(xiàn)，個(gè)別時(shí)次有明顯降水時(shí)DSC2傳感器卻無降水量輸出，而在有降水記錄的時(shí)次第一分鐘的降水量均為0.5 mm或0.6 mm。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該站三個(gè)振弦傳感器僅有兩個(gè)正常工作，根據(jù)采集器內(nèi)部程序?qū)θ齻€(gè)振弦的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，為了減少誤報(bào)，在兩個(gè)振弦工作時(shí)采集器篩除小時(shí)降水量在0.5 mm以下的降水，DSC2傳感器只輸出小時(shí)降水量大于0.5 mm降水。針對(duì)該問題，建議儀器廠家應(yīng)優(yōu)化采集器程序質(zhì)量控制，并優(yōu)化相關(guān)參數(shù)設(shè)置，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 小結(jié)

DSC2型稱重式降水傳感器已經(jīng)在全國(guó)廣泛使用，對(duì)DSC2傳感器在運(yùn)行中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行分析，并對(duì)提出相應(yīng)的解決方法或建議，有助于減少業(yè)務(wù)人員質(zhì)控誤判的可能性，有利于提高業(yè)務(wù)人員處理故障的能力，同時(shí)也對(duì)廠家改進(jìn)產(chǎn)品給出了建議。

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1006-4354(2017)06-0039-03

2017-06-01

李艷(1963—)，女，內(nèi)蒙古人，專科，工程師，主要從事氣象設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用研究。

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ110205)；中國(guó)氣象局氣象探測(cè)工程技術(shù)研究中心開放基金