文強(qiáng)，梁曦，丁明虎，楊志彪，王超然

（1.湖北省十堰市氣象局，湖北十堰442000；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081；4.湖北省氣象局，湖北武漢430074；5.湖北省黃石市氣象局，湖北黃石435000）

1 引言

凍雨是過(guò)冷水滴與溫度低于0℃的物體碰撞后立即凍結(jié)的降水[1]。當(dāng)過(guò)冷雨滴或毛毛雨落到溫度在冰點(diǎn)以下的地面和物體上時(shí)，迅速凍結(jié)形成透明或半透明的冰層，稱為雨凇或霧凇[2]。雨凇和霧凇常常同時(shí)發(fā)生或者交替出現(xiàn)，形成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[3]。

由于受海洋性氣候影響，中國(guó)南極長(zhǎng)城站凍雨頻繁發(fā)生，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其形成的雨凇和霧凇的混合物最大厚度可達(dá)10 cm以上，給野外科考工作帶來(lái)了嚴(yán)重不便，特別是氣象觀測(cè)所使用的平行軸螺旋槳式風(fēng)傳感器經(jīng)常被凍雨凍住，導(dǎo)致長(zhǎng)城站的風(fēng)速風(fēng)向記錄經(jīng)常出現(xiàn)異常甚至缺測(cè)。為了保障數(shù)據(jù)的正常采集，氣象科考隊(duì)員需要冒著風(fēng)雪和凍雨爬上10 m風(fēng)桿進(jìn)行除冰，比較危險(xiǎn)。針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)了一個(gè)技術(shù)方案，通過(guò)在螺旋槳式風(fēng)傳感器風(fēng)速軸組件上安裝防凍雨裝置的方法對(duì)螺旋槳式風(fēng)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使其對(duì)南極凍雨環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)改造后的平行軸螺旋槳式風(fēng)傳感器可有效防止凍雨的影響，提升了長(zhǎng)城站風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的可信度。

2 長(zhǎng)城站凍雨特征

中國(guó)南極長(zhǎng)城站（62°12′S，58°58′W，海拔高度10.0 m）位于南極半島北側(cè)的喬治王島沿岸，東臨大西洋，西鄰太平洋，北臨德雷克海峽，是我國(guó)南極考察的重要基地之一。長(zhǎng)城站處于極地西風(fēng)帶南極輻合帶邊緣，繞極低壓帶（60°～70°S）中，其天氣過(guò)程主要受過(guò)境的氣旋影響，變化非常劇烈[4]。長(zhǎng)城站的冬季以大風(fēng)雪、低溫天氣為主，夏季以雨雪、大霧天氣為主。年平均氣溫-2.2℃，年平均降水量518.6 mm，年平均風(fēng)速7.4 m/s，年大風(fēng)日數(shù)138 d以上[5]。

由于其特殊的氣候條件，長(zhǎng)城站凍雨頻繁發(fā)生，特別是冬季，凍雨形成的結(jié)冰最長(zhǎng)可持續(xù)數(shù)十天。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，自1985年建站到2016年，長(zhǎng)城站共記錄凍雨天氣現(xiàn)象1 004 d，且近年來(lái)有增加趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。其中，在2016年4—11月，共記錄凍雨139 d，持續(xù)最長(zhǎng)的一次記錄達(dá)到52 d。

由氣旋直接或間接導(dǎo)致的大風(fēng)天氣，是影響長(zhǎng)城站的主要天氣現(xiàn)象之一，且主要集中在3—10月，占全年大風(fēng)天氣的80%以上[6-9]。從圖2和圖3可以看出，長(zhǎng)城站凍雨多發(fā)的時(shí)期正好處在風(fēng)速較大的時(shí)段。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)城站凍雨出現(xiàn)時(shí)的平均風(fēng)速為6.9 m/s，低于年平均風(fēng)速0.5 m/s，一旦凍雨將風(fēng)傳感器凍住，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向資料的影響非常嚴(yán)重。因此，防止風(fēng)傳感器被凍雨凍住就顯得尤為重要。

圖1 長(zhǎng)城站歷年凍雨日數(shù)

圖2 1985—2016年長(zhǎng)城站月均凍雨日數(shù)（單位：d）和月平均風(fēng)速（單位：m/s）

圖3 凍雨出現(xiàn)時(shí)的風(fēng)速與月份散點(diǎn)圖

3 凍雨對(duì)風(fēng)傳感器的影響機(jī)制

根據(jù)Huffman等[10]的研究，凍雨發(fā)生的機(jī)制有兩種，一種是冰相機(jī)制，即大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)呈上下冷、中間暖的狀態(tài)，自上而下分別為冰晶層、暖層和冷層。固態(tài)冰晶或雪花降落過(guò)程中在暖層內(nèi)融化為液態(tài)，當(dāng)液滴到達(dá)冷層時(shí)冷卻到0℃以下，保持為過(guò)冷卻狀態(tài)，碰到地物或地面即發(fā)生凍結(jié)；另一種是暖雨機(jī)制，即大氣垂直結(jié)構(gòu)沒(méi)有＞0℃的暖層，整層＜0℃，雨滴以過(guò)冷卻水形式降落到地面凍結(jié)；長(zhǎng)城站因所處的特殊地理位置，主要受極地氣旋影響，凍雨出現(xiàn)時(shí)的平均氣溫為-1.1℃，因此屬于暖雨機(jī)制，雨滴直接以過(guò)冷卻水形式降落到地面，此種凍雨影響時(shí)間較長(zhǎng)且穩(wěn)定。

螺旋槳式風(fēng)傳感器是一種強(qiáng)風(fēng)計(jì)，其頭部利用一個(gè)低慣性的四葉螺旋槳做為感應(yīng)元件測(cè)量風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)部分制成與飛機(jī)機(jī)身相似的外形，保持良好的流線形。在風(fēng)壓的作用下，四葉螺旋槳隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)風(fēng)速碼盤(pán)進(jìn)行磁電掃描，通過(guò)霍爾磁敏元件感應(yīng)輸出相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加，風(fēng)速計(jì)的轉(zhuǎn)速與正前方的氣流速度成正比[11]。因螺旋槳旋轉(zhuǎn)的需要，風(fēng)傳感器的風(fēng)速軸組件與機(jī)頭之間留有2 mm左右的縫隙。當(dāng)凍雨出現(xiàn)時(shí)，形成凍雨的過(guò)冷水滴首先在螺旋槳葉片上形成結(jié)冰并不斷增厚，使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)變慢。長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的過(guò)冷水滴在強(qiáng)風(fēng)作用下不斷進(jìn)入風(fēng)傳感器的風(fēng)速軸組件與機(jī)頭之間的縫隙，并迅速凍結(jié)成冰，當(dāng)縫隙被冰填滿后，風(fēng)速軸組件即被凍住，螺旋槳無(wú)法旋轉(zhuǎn)，由此造成風(fēng)速記錄異常甚至缺測(cè)。被凍雨凍住后的風(fēng)傳感器如圖4所示。

圖4 風(fēng)傳感器被凍雨凍住示意圖

4 風(fēng)傳感器防凍雨改進(jìn)技術(shù)

為了防止風(fēng)傳感器的風(fēng)速軸組件被凍雨凍住，首先嘗試加熱法，在風(fēng)傳感器周圍加裝紅外線燈對(duì)其加熱。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)紅外線燈對(duì)風(fēng)傳感器周圍的風(fēng)場(chǎng)破壞非常嚴(yán)重，不但在嚴(yán)重低溫、大風(fēng)時(shí)加熱效果差，而且在0℃左右時(shí)，因加熱使得降雪融化，雪水進(jìn)入風(fēng)速軸組件與機(jī)頭組件之間的縫隙，使風(fēng)速軸組件經(jīng)常被凍住。因此，此方法不可行。

為了克服加熱法的缺點(diǎn)，根據(jù)螺旋槳式風(fēng)傳感器的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)風(fēng)速軸組件進(jìn)行改造，在風(fēng)速軸組件與機(jī)頭組件之間的縫隙之上安裝防凍雨保護(hù)裝置。如圖5所示，利用風(fēng)速軸組件部分前小后大的特點(diǎn)，在螺旋槳后部的風(fēng)速軸組件上安裝喇叭口狀防護(hù)罩。防護(hù)罩需滿足以下條件：

（1）喇叭口狀防護(hù)罩覆蓋縫隙和部分機(jī)頭組件，開(kāi)口朝向風(fēng)傳感器機(jī)身，用于防止過(guò)冷水滴進(jìn)入旋轉(zhuǎn)縫隙；

（2）防護(hù)罩開(kāi)口部分與機(jī)頭組件之間相距2～3 mm，用于保證風(fēng)速軸組件能夠正常旋轉(zhuǎn)且在旋轉(zhuǎn)時(shí)盡量減小風(fēng)阻；

（3）防護(hù)罩的開(kāi)口部分留有兩個(gè)朝向槳葉旋轉(zhuǎn)方向的尖刺，用于在機(jī)頭組件接口部分若有薄冰形成時(shí)利用槳葉的旋轉(zhuǎn)對(duì)新冰進(jìn)行刮除，防止新冰的形成；

（4）防護(hù)罩由PET塑料制成，硬質(zhì)透明，可以看到內(nèi)部情況，表面光滑，可以減少阻力，抗蠕變性、耐疲勞性、耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性好。

按此設(shè)計(jì)，對(duì)長(zhǎng)城站自動(dòng)氣象站使用的螺旋槳式風(fēng)傳感器進(jìn)行改造，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。圖6a為改造后的風(fēng)傳感器，圖6b為試驗(yàn)效果?？梢?jiàn)，雖然凍雨仍在風(fēng)傳感器上凍結(jié)了厚冰，但是在防凍雨保護(hù)裝置與機(jī)頭組件接口部位無(wú)結(jié)冰形成，風(fēng)速軸組件旋轉(zhuǎn)正常，且不影響風(fēng)傳感器數(shù)據(jù)的正常獲取。

圖5 螺旋槳式風(fēng)傳感器改造三視圖

5 改進(jìn)效果分析

為了檢驗(yàn)風(fēng)傳感器改進(jìn)技術(shù)的效果，在長(zhǎng)城站進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。長(zhǎng)城站自動(dòng)氣象站使用未改造的風(fēng)傳感器采集數(shù)據(jù)（下稱“主用風(fēng)傳感器”），同時(shí)將改進(jìn)后的風(fēng)傳感器安裝在備用自動(dòng)氣象站上開(kāi)展觀測(cè)（下稱“備用風(fēng)傳感器”），兩站同步記錄小時(shí)整點(diǎn)數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析。本次試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次，分別在凍雨較多的冬季和無(wú)凍雨的夏季各挑選一個(gè)月進(jìn)行。2016年8月，開(kāi)展了主、備用風(fēng)傳感器有凍雨天氣對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，其風(fēng)玫瑰圖如圖7所示，風(fēng)速風(fēng)向散點(diǎn)圖如圖8所示；2016年12月，開(kāi)展了主、備用風(fēng)傳感器無(wú)凍雨天氣對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，其風(fēng)玫瑰圖如圖9所示，風(fēng)速風(fēng)向散點(diǎn)圖如圖10所示。

圖6 改造后的螺旋槳式風(fēng)傳感器

圖7 有凍雨時(shí)風(fēng)玫瑰圖（紅色為風(fēng)向，藍(lán)色為風(fēng)速）

圖8 有凍雨時(shí)風(fēng)速風(fēng)向散點(diǎn)圖

圖9 無(wú)凍雨時(shí)風(fēng)玫瑰圖（紅色為風(fēng)向，藍(lán)色為風(fēng)速）

圖10 無(wú)凍雨時(shí)風(fēng)速風(fēng)向散點(diǎn)圖

本次對(duì)比試驗(yàn)所用的主、備用風(fēng)傳感器安裝位置相距40 m，受安裝位置和環(huán)境影響，風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)略有差別。根據(jù)長(zhǎng)城站歷年風(fēng)的特征分析，因受氣壓場(chǎng)影響，長(zhǎng)城站風(fēng)向主要集中出現(xiàn)在N-W和S-E兩個(gè)方向區(qū)間，其中最多風(fēng)向?yàn)镋SE，次多風(fēng)向?yàn)閃NW[6,12]。從風(fēng)玫瑰圖和散點(diǎn)圖來(lái)看，因長(zhǎng)城站處在極地西風(fēng)帶南極輻合帶邊緣，繞極低壓帶中，所以NE方向風(fēng)速風(fēng)向出現(xiàn)較少。在有凍雨時(shí)，風(fēng)向頻率基本一致，但備用風(fēng)傳感器（經(jīng)過(guò)改造）所測(cè)風(fēng)速明顯大于主用風(fēng)傳感器（未經(jīng)改造）；在沒(méi)有凍雨時(shí)，主、備用風(fēng)傳感器風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)基本一致。

5.1 數(shù)據(jù)可用率

數(shù)據(jù)可用率的計(jì)算公式為：

根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制（QX/T 118—2010）》[14]和《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地面觀測(cè)規(guī)范第22部分：觀測(cè)記錄質(zhì)量控制（QX/T 66—2007）》[15]中的有關(guān)要求，質(zhì)量檢查主要從資料界限值、時(shí)間一致性、內(nèi)部一致性、空間一致性等方面進(jìn)行檢查。2016年8月的有凍雨試驗(yàn)中，主用風(fēng)傳感器記錄風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)744個(gè)，受凍雨影響，缺測(cè)疑誤數(shù)據(jù)67個(gè)，數(shù)據(jù)可用率91%；備用風(fēng)傳感器記錄風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)744個(gè)，缺測(cè)疑誤數(shù)據(jù)0個(gè)，數(shù)據(jù)可用率100%。2016年12月的無(wú)凍雨試驗(yàn)中，主、備用風(fēng)傳感器的數(shù)據(jù)可用率均為100%。備用風(fēng)傳感器在有凍雨時(shí)的數(shù)據(jù)可用率明顯高于主用風(fēng)傳感器。由于長(zhǎng)城站主、備用風(fēng)傳感器均為當(dāng)年新?lián)Q儀器，受其他故障影響較小，因此，經(jīng)過(guò)改造后的風(fēng)傳感器的數(shù)據(jù)可用率不再受凍雨影響（見(jiàn)表1）。

5.2 風(fēng)向相符率

為了檢驗(yàn)改造后的風(fēng)傳感器在有凍雨和無(wú)凍雨天氣時(shí)對(duì)風(fēng)向數(shù)據(jù)的影響，挑取風(fēng)傳感器未改造時(shí)的相似天氣時(shí)段進(jìn)行主、備用風(fēng)傳感器風(fēng)向相符率的比較，其中未改造無(wú)凍雨天氣挑取夏季2016年1月的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，未改造有凍雨天氣挑取冬季2016年6月的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。風(fēng)向相符率的計(jì)算公式為：

表示主、備用風(fēng)傳感器的風(fēng)向觀測(cè)值相符程度[16]。式中：相符次數(shù)為主用風(fēng)傳感器與備用風(fēng)傳感器的風(fēng)向觀測(cè)值相差不大于22.5°的次數(shù)，有效總次數(shù)指主用風(fēng)傳感器與備用風(fēng)傳感器的風(fēng)速均大于0.2 m/s的次數(shù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，未改造前主、備用風(fēng)傳感器的風(fēng)向相符率在無(wú)凍雨和有凍雨時(shí)分別為91.8%和94.8%，改造后主、備用風(fēng)傳感器的風(fēng)向相符率在無(wú)凍雨和有凍雨時(shí)分別為91.3%和97.9%，說(shuō)明改造后的風(fēng)傳感器對(duì)風(fēng)向觀測(cè)值基本沒(méi)有影響。

表1 風(fēng)傳感器數(shù)據(jù)可用率

表2 風(fēng)傳感器風(fēng)向相符率

圖11 主、備用風(fēng)傳感器風(fēng)速相關(guān)圖

5.3 風(fēng)速影響分析

用粗差率來(lái)表示主、備用風(fēng)傳感器異常差值的多寡：

當(dāng)|Xi-|＞3σ時(shí)視為粗差，式中：Xi為主用風(fēng)傳感器風(fēng)速與備用風(fēng)傳感器風(fēng)速之差，為主用風(fēng)傳感器風(fēng)速與備用風(fēng)傳感器風(fēng)速之差的平均值[17]。經(jīng)過(guò)計(jì)算，無(wú)凍雨時(shí)主、備用風(fēng)傳感器的粗差率為1.7%，有凍雨時(shí)主、備用風(fēng)傳感器的粗差率為4.7%。在用相關(guān)系數(shù)來(lái)表示主、備用風(fēng)傳感器在同一時(shí)間對(duì)風(fēng)速同時(shí)響應(yīng)的程度時(shí)，無(wú)凍雨時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.989，離散點(diǎn)比較集中（見(jiàn)圖11b），有凍雨時(shí)的相關(guān)系數(shù)為0.880，離散點(diǎn)比較分散（見(jiàn)圖11a）。說(shuō)明在沒(méi)有凍雨時(shí)，改造前后的風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速基本一致；在凍雨出現(xiàn)時(shí)改造前后的風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速差異較大，且改造過(guò)的風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速大于未改造的風(fēng)傳感器。

從主、備用風(fēng)傳感器風(fēng)速頻率分布圖[18]中可以看出（見(jiàn)圖12），無(wú)凍雨時(shí)主、備用風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速頻率分布基本一致；有凍雨時(shí)未改造的主用風(fēng)傳感器在低風(fēng)速時(shí)的頻率高于改造過(guò)的備用風(fēng)傳感器，而在高風(fēng)速時(shí)卻正好相反，說(shuō)明未改造的主用風(fēng)傳感器受凍雨影響所測(cè)風(fēng)速偏低，改造后的備用風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速較高。

圖12 主、備用風(fēng)傳感器風(fēng)速頻率分布圖

6 小結(jié)

中國(guó)南極長(zhǎng)城站所在地區(qū)凍雨頻繁，特別是風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)資料深受其害，且近年來(lái)有增加趨勢(shì)。利用本技術(shù)對(duì)自動(dòng)氣象站使用的螺旋槳式風(fēng)傳感器進(jìn)行改進(jìn)后，在出現(xiàn)凍雨時(shí)，數(shù)據(jù)可用率從91%提高到100%，所測(cè)風(fēng)速更加接近實(shí)際值，且對(duì)風(fēng)向觀測(cè)值基本沒(méi)有影響。不但使得自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)完整率得到了很大的提升，還有效解決了長(zhǎng)期困擾越冬氣象科考隊(duì)員關(guān)于風(fēng)傳感器防凍雨的難題。

本技術(shù)是一種實(shí)用性技術(shù)，沒(méi)有從根本上解決凍雨對(duì)風(fēng)傳感器的影響，而且額外增加了風(fēng)傳感器部件，風(fēng)傳感器的平衡和流場(chǎng)必然受到影響，螺旋槳因凍雨增重后對(duì)啟動(dòng)風(fēng)速和風(fēng)速數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性也會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此，在實(shí)際使用過(guò)程中，需要對(duì)該風(fēng)速傳感器進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以保證其精度。因受南極條件的限制，風(fēng)傳感器改進(jìn)比較粗糙，如果在生產(chǎn)工藝上利用此技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，效果會(huì)更好。