許 霞 唐曉東

（1、肥西縣氣象局，安徽 合肥231200 2、合肥市氣象局，安徽 合肥230041）

氣溫和降水是氣候中最重要的要素, 自地面氣象觀測實(shí)現(xiàn)自動觀測以來一直使用單一的鉑電阻溫度傳感器測量氣溫和單一的翻斗式雨量傳感器測量降雨，單溫單雨在自動化業(yè)務(wù)中呈現(xiàn)的弊端：首先,觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性得不到保障。當(dāng)氣溫和翻斗式雨量傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，需由臺站人員手動輸入備份站氣溫和雨量數(shù)據(jù)；無備份站的臺站則需使用新傳感器替換故障傳感器進(jìn)行氣溫和降水觀測，整個(gè)替換過程需要花費(fèi)一定的時(shí)間，特別是在降雨過程中嚴(yán)重影響降水觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量；氣溫?cái)?shù)據(jù)在更換前后會出現(xiàn)一定的波動，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。其次，單傳感器使用過程中數(shù)據(jù)漂移很難發(fā)現(xiàn)；不少異常數(shù)據(jù)識別困難；極端天氣時(shí)超極值或變率的關(guān)鍵的、重要的、正確的數(shù)據(jù)被軟件“異常”剔除等，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為解決單溫單雨在自動化業(yè)務(wù)中呈現(xiàn)的弊端，2019 年8 月1 日，按照《全國地面氣象觀測自動化改革方案》以及山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程建設(shè)任務(wù)-多傳感器溫度雨量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)工作安排，肥西國家氣象觀測站(以下簡稱肥西站，DZZ3 型自動站)開展溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用試運(yùn)行工作。本文通過對溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)在肥西站試點(diǎn)運(yùn)行期間應(yīng)用情況及存在問題等方面進(jìn)行探討研究，為軟件和硬件端的優(yōu)化升級及業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1，氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)采用三支相同型號（Pt100）的鉑電阻作為溫度感應(yīng)元件，通過融合算法得到氣溫觀測數(shù)據(jù)。

圖1 氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（圖2）采用三個(gè)SL3-1 型翻斗式雨量傳感器作為雨量感應(yīng)元件，通過嵌入式微控制器對三個(gè)傳感器的輸出值進(jìn)行融合處理，輸出相對可靠的雨量瞬時(shí)值。

圖2 降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 測試檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用效果，2019 年9 月12 日我們進(jìn)行了人工測試：(1) 依次單獨(dú)斷開氣溫傳感器1、2、3一段時(shí)間，再分別同時(shí)斷開兩兩氣溫傳感器，進(jìn)行分別測試。測試結(jié)果表明：三支氣溫傳感器只要不全部同時(shí)故障，氣溫?cái)?shù)據(jù)均能正常切換輸出正常值。(2)雨量測試類似氣溫，分別采取單獨(dú)對三個(gè)翻斗雨量傳感器加水和同時(shí)對任意兩兩雨量傳感器加水的方法。測試結(jié)果表明：雨量除翻斗2 的小時(shí)累計(jì)降水量輸出錯(cuò)誤外（后期已修正），其余降水?dāng)?shù)據(jù)均能正常切換正常輸出。

人工測試檢驗(yàn)結(jié)果表明：溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效的解決單一傳感器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，保障觀測數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性；可以較好的剔除某個(gè)傳感器觀測異常值；通過三個(gè)傳感器同時(shí)觀測，印證極端天氣事件超過極值及變率質(zhì)控規(guī)則提示“疑誤”數(shù)據(jù)的可信度；還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)漂移，保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)融合

溫雨多傳感器系統(tǒng)采用融合處理技術(shù)，同時(shí)兼顧儀器性能檢測，對氣溫和降水量的采集數(shù)據(jù)采用不同的融合處理方法。

3.1 氣溫融合計(jì)算

對三支溫度傳感器所測得的瞬時(shí)值相互比較，根據(jù)兩兩偏差確定瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值的取值，再將三支傳感器的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，確定數(shù)據(jù)源形成氣溫傳輸值?？蓺w納為以下四步：(1)兩兩偏差計(jì)算；(2)定義兩兩偏差允許范圍；(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值；(4)選取數(shù)據(jù)源形成傳輸值。

3.2 降水量融合計(jì)算

降水量的融合計(jì)算可分為六步：(1) 分鐘雨量標(biāo)準(zhǔn)值初步計(jì)算；(2) 計(jì)算三個(gè)傳感器分鐘值與本分鐘融合初始值的差值；(3)計(jì)算三個(gè)傳感器的累積雨量偏差；(4)計(jì)算分鐘雨量標(biāo)準(zhǔn)值修正量；(5)標(biāo)準(zhǔn)值和累積雨量偏差值的修正；(6)確定雨量數(shù)據(jù)源形成傳輸值。

表1 數(shù)據(jù)缺測統(tǒng)計(jì)表

表2 氣溫差值統(tǒng)計(jì)表

圖3 雨量統(tǒng)計(jì)及離散對比圖

圖4 2020 年2 月16 日AWS_M_Z 文件部分截圖

圖5 2020 年3 月18 日AWS_M_Z 文件部分截圖

4 運(yùn)行評估

溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)所用氣溫和雨量傳感器的型號與臺站業(yè)務(wù)主站使用的傳感器型號相同，評估時(shí)段為：2020 年1 月1日至2020 年7 月16 日（即2019 年12 月31 日20 時(shí)01 分至2020 年7 月16 日20 時(shí)00 分）。

4.1 設(shè)備可靠性

肥西站溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)從2020 年1 月1 日至2020 年7 月16 日，運(yùn)行總時(shí)間4752 小時(shí)。標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)故障，穩(wěn)定可靠。

4.2 數(shù)據(jù)完整性

以分鐘觀測數(shù)據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)按月缺測率和總?cè)睖y率統(tǒng)計(jì)，見表1。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間2019 年12月31 日20 時(shí)01 分至2020 年7月16 日20 時(shí)00 分，共285120條數(shù)據(jù)。缺測記錄中包括試驗(yàn)、重啟采集器等情況，共計(jì)101 條，缺測率0.04%，數(shù)據(jù)完整性較好。

4.3 數(shù)據(jù)可比較性

可比較性用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的測量值與臺站業(yè)務(wù)主站的相應(yīng)傳感器測量值差值的系統(tǒng)偏差表示，氣溫采用分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，降水量采用日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較。

4.3.1 氣溫對比

從統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果看，氣溫誤差相對較小，與主站業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)一致性較高，系統(tǒng)偏差在±0.2℃之間的數(shù)據(jù)達(dá)98.5%以上，見表2。

4.3.2 降水量對比

如圖3，三個(gè)翻斗雨量傳感器之間降水總量的差值不大，從離散度分析結(jié)果看，傳感器之間的觀測值越接近，離散度越小，隨著降水總量的增加，離散度逐漸減小，考慮到觀測儀器性能的允許誤差和降水觀測的特殊性，可以認(rèn)為三個(gè)翻斗雨量傳感器的觀測值一致性較好，互相對比進(jìn)行數(shù)據(jù)融合是可行的。

71 個(gè)有效樣本中，系統(tǒng)傳輸值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較：日雨量≤10mm 時(shí)，傳輸值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差除一個(gè)記錄外均在±0.4mm 范圍內(nèi)；日雨量＞10mm 時(shí)，傳輸值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對偏差均在±3%范圍內(nèi)。系統(tǒng)傳輸值與主站值相比較：日雨量≤10mm 時(shí)，傳輸值與主站值的偏差均在±0.7mm 范圍內(nèi)；日雨量＞10mm 時(shí)，傳輸值與主站值的相對偏差均在±9%范圍內(nèi)，在儀器性能允許誤差范圍內(nèi)與臺站業(yè)務(wù)主站觀測數(shù)據(jù)的一致率為77.5%，總體效果良好。

5 問題與不足

評估時(shí)段內(nèi)，有44 條記錄因環(huán)境急速升溫，傳感器反應(yīng)速度不一致，導(dǎo)致三支溫度傳感器兩兩相差≥0.3℃，氣溫瞬時(shí)傳輸值和標(biāo)準(zhǔn)值缺測，導(dǎo)致部分記錄缺失。如圖4 和圖5，2020 年2 月16 日09:30-09:47 和2020 年3 月18 日07:50-07:56 氣溫的標(biāo)準(zhǔn)值和傳輸值缺測。采集器端進(jìn)行優(yōu)化升級之后，尚未出現(xiàn)此類因環(huán)境溫度急劇變化導(dǎo)致三支溫度傳感器兩兩相差過大（≥0.3℃）的情況，故優(yōu)化升級的效果尚未得到實(shí)地驗(yàn)證。

降水量融合算法不足之處：雨量傳輸值的數(shù)據(jù)源僅在整點(diǎn)進(jìn)行對比選擇，若兩正點(diǎn)間數(shù)據(jù)源傳感器故障，會導(dǎo)致下一正點(diǎn)前故障期間的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)作為傳輸值輸出，影響準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，融合輸出結(jié)果與業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)一致性較高；解決單溫單雨在自動化業(yè)務(wù)中的弊端，增加對傳感器數(shù)據(jù)漂移的檢查，保障觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性；較好剔除觀測異常值，印證極端天氣事件超過極值及變率質(zhì)控規(guī)則提示“疑誤”數(shù)據(jù)的可信度；減少人工數(shù)據(jù)處理及維護(hù)的工作量，提高自動化程度。目前，溫雨多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)已正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，降水量融合算法不足之處有待完善，也期待后面有更多的要素實(shí)現(xiàn)多傳感器觀測融合，讓業(yè)務(wù)人員真正從自動化中解放出來。