李 艷，李 林

（1.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；（2.北京市氣象探測中心，北京 100089）

北京市全天候稱重雨量計(jì)組網(wǎng)運(yùn)行效能

李 艷1，李 林2

（1.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；（2.北京市氣象探測中心，北京 100089）

固態(tài)降水自動(dòng)化觀測對(duì)于預(yù)報(bào)服務(wù)，提高冬季降水觀測資料的時(shí)空分辨率、減輕觀測員工作強(qiáng)度等具有重要意義。為滿足首都北京應(yīng)急服務(wù)的迫切需求，北京市氣象局2009年起開始建設(shè)全天候稱重雨量計(jì)觀測網(wǎng)。通過國家級(jí)臺(tái)站的業(yè)務(wù)對(duì)比評(píng)估，較為全面地掌握了全天候稱重雨量計(jì)的降水觀測性能，結(jié)果表明其與現(xiàn)有業(yè)務(wù)觀測設(shè)備相比儀器運(yùn)行穩(wěn)定、觀測數(shù)據(jù)一致性較好。在2012年11月的雨雪相態(tài)復(fù)雜多變的暴雪天氣過程中，全天候稱重雨量計(jì)觀測網(wǎng)為數(shù)值預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)等提供了及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

全天候稱重雨量計(jì);運(yùn)行評(píng)估;應(yīng)急服務(wù);效益分析

1 引言

近年來，隨著全球氣候變暖，我國冰雪災(zāi)害的問題日益突出，其影響頻次和程度明顯增加，發(fā)生范圍不斷擴(kuò)大，給城市安全運(yùn)行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來較大危害，特別是隨著城市化進(jìn)程加快，與降雪有關(guān)的“城市次生災(zāi)害”事件逐漸顯露出來。對(duì)于特大城市北京來說，由于道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)變遷和機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)快速增加，這些非氣象因素成為引發(fā)與降雪有關(guān)“城市次生災(zāi)害”的重要環(huán)境條件，且在中心城區(qū)聚集大量人口，對(duì)氣象服務(wù)的時(shí)效性和精細(xì)化要求較高。一旦出現(xiàn)高影響性天氣，對(duì)于人口密集、現(xiàn)代化程度較高的超大型城市來說，會(huì)產(chǎn)生“多米諾骨牌式”的連鎖反應(yīng)和放大效應(yīng)。2001年12月7日，北京地區(qū)一次突發(fā)的小雪天氣過程造成城區(qū)交通近乎癱瘓，下班高峰期間近百萬市民被困車中達(dá)數(shù)小時(shí)。造成如此巨大社會(huì)影響的這次微弱降雪天氣過程從中午13時(shí)持續(xù)至22時(shí),期間全市平均降雪量僅為1-2 mm。

作為地面氣象觀測的主要項(xiàng)目之一，降水觀測為氣象防災(zāi)減災(zāi)、天氣預(yù)報(bào)、氣候分析和科學(xué)研究等提供了重要基礎(chǔ)資料，高時(shí)空分辨率的降雪量觀測資料是開展冰雪天氣過程的氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)工作、降低冰雪災(zāi)害對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活的影響的必要支撐。

一直以來，冬季降水觀測資料為人工觀測方式，存在觀測間隔長、空間分辨率低的問題，同時(shí)由于對(duì)首都北京特殊服務(wù)的需要，冬季常年需要觀測員每小時(shí)進(jìn)行人工加密觀測，觀測員的工作強(qiáng)度十分大，工作效率低。稱重雨量計(jì)可實(shí)現(xiàn)固、液態(tài)等所有類型降水的全天候自動(dòng)觀測，使以上問題的解決成為可能。

2 組網(wǎng)建設(shè)

面對(duì)迫切需要解決冬季降水觀測資料時(shí)空分辨率低、人工觀測工作強(qiáng)度大的問題，2009年12月，中國氣象局在京津冀地區(qū)開展固態(tài)降水自動(dòng)觀測試點(diǎn)工作，以探索降雪量自動(dòng)觀測的可行性，為全天候稱重雨量計(jì)的全面推廣、鋪開打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。依托試點(diǎn)成果，北京市氣象局考慮優(yōu)先發(fā)展國家級(jí)站點(diǎn)的固態(tài)降水觀測自動(dòng)化，以提高自動(dòng)化水平和減輕觀測人員工作量；加大城近郊區(qū)全天候稱重雨量計(jì)的站網(wǎng)密度，以提高氣象服務(wù)精細(xì)化程度；補(bǔ)充建設(shè)交通干線附近尤其是高速公路的站點(diǎn)，以滿足交通氣象服務(wù)需求。

自2011年開始，北京市氣象局多方籌集資金，依托北京市極端天氣條件下保持道路交通暢通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程、北京市人工影響天氣工程建設(shè)項(xiàng)目(一期)工程、中國氣象局氣象災(zāi)害與監(jiān)測預(yù)警工程、北京市大興區(qū)政府自行投資，分批次建設(shè)全天候稱重雨量計(jì)，截至2013年11月已建成88個(gè)站點(diǎn)全天候稱重雨量計(jì)組成的北京市冬季降水自動(dòng)觀測網(wǎng)。其中，20個(gè)國家級(jí)氣象觀測站已全部安裝使用全天候稱重雨量計(jì)。由于全天候稱重雨量計(jì)建設(shè)時(shí)間跨度較長且項(xiàng)目為多方資金來源，88套全天候稱重雨量計(jì)共涉及四種觀測設(shè)備，包括為VRG101型10個(gè)、WUSH-WP(DSC1)型 1 個(gè)、HYA-APG(DSC2)型 73個(gè)、DSH1(DSC3)型 4 個(gè)。

通過上述工程項(xiàng)目的實(shí)施，全天候稱重雨量計(jì)在北京市城區(qū)的平均站間距約為7 km，在郊區(qū)縣則約為18 km（在大興區(qū)約為9 km），其中在五環(huán)路以內(nèi)多要素站全部采用全天候稱重雨量計(jì)。

3 業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估

3.1 運(yùn)行評(píng)估方法

根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)行實(shí)際需要，并借鑒2010-2011年冬季固態(tài)降水自動(dòng)化觀測試驗(yàn)考核相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文分別從靜態(tài)準(zhǔn)確性、運(yùn)行穩(wěn)定性、感應(yīng)一致性、降水誤報(bào)率、降水捕獲率等五個(gè)方面對(duì)儀器性能進(jìn)行評(píng)估。

固態(tài)降水對(duì)比觀測數(shù)據(jù)選取20個(gè)國家級(jí)站點(diǎn)在2012年11月1日-2013年3月31日期間的稱重降水觀測數(shù)據(jù)、人工降水觀測數(shù)據(jù)，液態(tài)降水對(duì)比觀測數(shù)據(jù)則選取16個(gè)站點(diǎn)2013年4月1日-7月2日期間的稱重降水觀測數(shù)據(jù)、人工降水觀測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)用自動(dòng)站雙翻斗雨量計(jì)觀測數(shù)據(jù)。

3.2 靜態(tài)準(zhǔn)確性

靜態(tài)準(zhǔn)確性：采用20 cm口徑雨量計(jì)測試專用的10 mm雨量量杯和JJS2型雨量校準(zhǔn)器，分別對(duì)各站點(diǎn)的全天候稱重雨量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)測試，按照1 mm/min、4 mm/min降水強(qiáng)度分別測試三次，并計(jì)算平均降水量輸出結(jié)果。

在2012年10月設(shè)備啟用前及2013年6-7月，對(duì)各站點(diǎn)全天候稱重雨量計(jì)共進(jìn)行兩次測試，其輸出值均在9.8-10.0 mm之間，靜態(tài)準(zhǔn)確性較好，同時(shí)表明，在經(jīng)歷整個(gè)冬天使用后，其靜態(tài)準(zhǔn)確性也未出現(xiàn)偏差，有效地改善了雙翻斗雨量計(jì)長期使用準(zhǔn)確性較差的問題。

3.3 運(yùn)行穩(wěn)定性

運(yùn)行穩(wěn)定性：在整個(gè)對(duì)比評(píng)估期間，如果稱重式降水傳感器工作出現(xiàn)故障，需進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)維修，則記錄為1次故障。

在全天候稱重雨量計(jì)運(yùn)行期間，系統(tǒng)整體穩(wěn)定，2012年冬季投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的58個(gè)站中，僅有1個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備發(fā)生過兩次分采集器故障，導(dǎo)致個(gè)別降水過程缺測，該站點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整性為99.4%，其余臺(tái)站對(duì)比期間的數(shù)據(jù)完整性為100%。

3.4 感應(yīng)一致性

降水感應(yīng)一致性：當(dāng)人工定時(shí)觀測有降水時(shí)，若臺(tái)站業(yè)務(wù)用人工雨量計(jì)觀測到的過程降水量≥0.1 mm，同時(shí)全天候稱重雨量計(jì)觀測到的過程降水量≥0.1 mm，則認(rèn)為降水感應(yīng)一致。

在2012年11月1日至2013年3月31日，20個(gè)站點(diǎn)組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，人工觀測到0.1 mm以上降水過程總計(jì)301站次，最少站點(diǎn)觀測到12次降水，最多站點(diǎn)觀測到18次降水；全天候稱重雨量計(jì)觀測到降水過程為296站次，最少站點(diǎn)觀測到11次降水，最多站點(diǎn)觀測到17次降水。有7次降水過程觀測存在差別，其中1次為全天候稱重雨量計(jì)觀測有降水，6次為人工觀測有降水，降水量均為0.1 mm。

在2013年4月1日-7月2日，16個(gè)站點(diǎn)組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，自動(dòng)站（雙翻斗雨量計(jì)）觀測到0.1 mm以上降水過程總計(jì)282站次，最少站點(diǎn)觀測到14次降水，最多站點(diǎn)觀測到23次降水；全天候稱重雨量計(jì)觀測到降水過程為290站次，最少站點(diǎn)觀測到15次降水，最多站點(diǎn)觀測到23次降水。有22次降水過程觀測存在差別，其中15次為全天候稱重雨量計(jì)有降水，最大降水量為0.2 mm，7次為雙翻斗雨量計(jì)觀測有降水，最大降水量為0.4 mm。全天候稱重雨量計(jì)缺測的情況均出現(xiàn)在采用DSC3型設(shè)備的站點(diǎn)，可能是由于DSC3型設(shè)備增加了降水發(fā)生探測器（OPD）誤判所致。

全天候稱重雨量計(jì)與人工觀測及雙翻斗雨量計(jì)降水感應(yīng)一致性較好，僅在微量降水的情況下，兩者對(duì)降水發(fā)生與否的觀測存在差異。而且在液態(tài)降水觀測期間，由于全天候稱重雨量計(jì)承水結(jié)構(gòu)較為簡單，減少了集水器和儲(chǔ)水瓶等帶來的沾濕誤差，對(duì)于微量降水的觀測更加靈敏。

3.5 降水誤報(bào)率

降水誤報(bào)：當(dāng)人工定時(shí)觀測天氣現(xiàn)象無降水時(shí)，而稱重雨量計(jì)在此時(shí)段觀測到的降水量≥0.1 mm，則認(rèn)為降水誤報(bào)。

固態(tài)降水期間，對(duì)比臺(tái)站提供的J文件和R文件，共有143個(gè)時(shí)次存在無降雪現(xiàn)象而有降水量的情況，經(jīng)過對(duì)照臺(tái)站的A文件，其中69個(gè)時(shí)次為誤報(bào)，40個(gè)時(shí)次應(yīng)為滯后降水，33個(gè)時(shí)次需要進(jìn)一步分析確定，有1個(gè)時(shí)次應(yīng)為降水但稍早于人工記錄的降雪時(shí)間。12個(gè)臺(tái)站未出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，5個(gè)臺(tái)站的降水誤報(bào)率小于1次/月，3個(gè)臺(tái)站誤報(bào)現(xiàn)象較多 (表1)，誤報(bào)主要原因?yàn)槿旌蚍Q重雨量計(jì)三根振弦中一根的溫度敏感性較差，在冬季受溫度影響較大從而出現(xiàn)誤報(bào)，經(jīng)過更換振弦后上述三個(gè)臺(tái)站未再出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象。

表1 誤報(bào)出現(xiàn)情況

在液態(tài)降水期間，16個(gè)站點(diǎn)的全天候稱重雨量計(jì)均未發(fā)現(xiàn)有誤報(bào)現(xiàn)象。

3.6 降水捕獲率

降水捕獲率：以稱重降水量除以人工降水量獲得百分?jǐn)?shù)。

在WMO組織的國際儀器比對(duì)中，推薦使用雙柵式比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)(DFIR)或者坑式雨量器。在業(yè)務(wù)運(yùn)行中，臺(tái)站并未安裝DFIR或坑式雨量計(jì)，而且全天候稱重雨量計(jì)與業(yè)務(wù)人工雨量筒在觀測高度、防風(fēng)圈等方面均存在差異。全天候稱重雨量計(jì)與業(yè)務(wù)人工雨量計(jì)和雙翻斗雨量計(jì)測量降水量差異來源不僅來自于傳感器自身，還受到遮擋、風(fēng)、溫度等環(huán)境因素的影響，因此對(duì)比評(píng)估不對(duì)全天候稱重雨量計(jì)準(zhǔn)確性計(jì)算，僅做降水捕獲率分析。

為使對(duì)比評(píng)估稱重式降水傳感器觀測數(shù)據(jù)和人工雨量桶觀測數(shù)據(jù)具有可比性，對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)根據(jù)天氣現(xiàn)象按“降水過程”進(jìn)行劃分（連續(xù)6小時(shí)無降水，則認(rèn)為前次降水過程結(jié)束），剔除各傳感器觀測數(shù)據(jù)中的故障時(shí)段數(shù)據(jù)及疑誤數(shù)據(jù)并給予標(biāo)注和統(tǒng)計(jì)，對(duì)比相同時(shí)段的觀測資料差異。

在固態(tài)對(duì)比期間，20個(gè)臺(tái)站中有四個(gè)臺(tái)站人工較稱重偏大，總降水量的捕獲率最低為93.5%，最高為107.4%。總體來說，全天候稱重雨量計(jì)與業(yè)務(wù)人工觀測值有較好的一致性。

在液態(tài)對(duì)比期間，16個(gè)臺(tái)站中有兩個(gè)站稱重較人工偏大，分別為104.4%、100.8%，其余站點(diǎn)稱重均比人工總降水量偏小，最小為84.2%。在液態(tài)降水?dāng)?shù)據(jù)中，人工觀測的降水總量總體處于稱重降水量和翻斗降水量之間。

20個(gè)站點(diǎn)的固態(tài)降水平均捕獲率為102.0%，16個(gè)站點(diǎn)液態(tài)降水平均捕獲率96.8%（四個(gè)站點(diǎn)未參與對(duì)比）。從捕獲率數(shù)據(jù)明顯看出，固態(tài)降水時(shí)稱重的降水量明顯較人工偏大，而液態(tài)降水時(shí)人工和翻斗較稱重偏大。16個(gè)站固態(tài)的捕獲率均大于液態(tài)的捕獲率，固態(tài)和液態(tài)捕獲率最大差值為14.1%，最小為2%。

4 設(shè)備改進(jìn)建議

DSC2型采用三根振弦傳感器，但部分振弦會(huì)受溫度影響導(dǎo)致誤報(bào)，在設(shè)備生產(chǎn)中，廠家應(yīng)做好振弦式稱重傳感器的溫度系數(shù)測定，選用不易受溫度影響的振弦傳感器。同時(shí)可以考慮在稱重降水傳感器的分采集器中加入溫度系數(shù)因子，以便于更準(zhǔn)確的計(jì)算降水量，或者通過增加感雨探測的方式來確定是否計(jì)算降水。

DSC3型由于增加了降水發(fā)生探測器 （OPD），一定程度上減少了誤報(bào)的可能性，但同時(shí)降低了其對(duì)微量降水的測量能力，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)安裝DSC3型設(shè)備的站點(diǎn)降水捕獲率明顯低于其它臺(tái)站。

為保證傳感器穩(wěn)定工作，三種類型全天候稱重雨量計(jì)均采用“凸”字型的防護(hù)罩，防護(hù)罩頂端為內(nèi)徑200 mm的承水口，承水口至集水桶約為320 mm長的光滑內(nèi)壁。在特殊天氣條件下，尤其是雨夾雪時(shí)內(nèi)壁容易附著雪或凍雨。內(nèi)壁附著的降水，會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)觀測的降水量偏少，而該部分雪掉入集水筒時(shí)會(huì)導(dǎo)致分鐘降水量突增。如果發(fā)生在降水過程中，觀測人員質(zhì)控時(shí)會(huì)誤認(rèn)為是異常降水；降水結(jié)束后超過滯后降水的觀測時(shí)效，工作人員可能會(huì)當(dāng)作誤報(bào)處理。

針對(duì)該問題，建議采取如下三個(gè)解決方式：（1）提高工藝水平，增加內(nèi)壁的平整度和光滑度來減小附著；（2）降低承水口至集水桶之間的高度，減少附著空間；（3）增加口沿加熱系統(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，并采用溫控使加熱造成的蒸發(fā)損耗降到最低。

1002－252X(2017)03－0040－03

2017－6－1

李 艷(1963-),女，遼寧省鐵嶺市人，北京氣象學(xué)院，專科生，工程師.