張鑫鑫，徐澤東，馬亞運

（青海省大氣探測技術(shù)保障中心，青海 西寧 810001）

積雪深度是積雪表面到達地面的垂直深度，是表明降雪量和降雪強度的重要指標，對氣象災(zāi)害預(yù)警和氣象服務(wù)有重要意義。我國氣象部門對積雪深度長期采用人工觀測，然而人工雪深觀測只有在雪深大于5mm 后，早上8 時的觀測記錄[1]，缺乏數(shù)據(jù)連續(xù)性。由于高原海拔較高，降雪強度大，范圍廣，是雪災(zāi)易發(fā)區(qū)，雪災(zāi)的發(fā)生嚴重影響著牧民的生產(chǎn)及生活，而降雪的發(fā)生、發(fā)展、消融過程直接影響雪災(zāi)的等級及受災(zāi)程度。因此建設(shè)雪深自動觀測系統(tǒng)，獲取長時間動態(tài)連續(xù)雪深數(shù)據(jù)是開展積雪研究的重要基礎(chǔ)。近幾年，超聲波型和激光型雪深觀測系統(tǒng)分別在西藏自治區(qū)和青海省相繼投入業(yè)務(wù)使用，但數(shù)據(jù)的準確性和可靠性都因各自設(shè)備原理和構(gòu)造，測量點單一等原因存在一些缺陷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在精度上存在一定的誤差，無法完全滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。青海省氣象局采用的是DSS1 型激光雪深觀測儀，通過激光測距技術(shù)，實現(xiàn)了對雪深的連續(xù)自動觀測，但由于測雪點基準面極易變化，雪深數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在較大誤差。在操作過程中，需要人工多次反復(fù)對傳感器測距標定后，才能保證傳感器采集到的數(shù)據(jù)相對可靠。本文通過實際觀測和實驗分析，對DSS1 雪深觀測系統(tǒng)基準面變化對數(shù)據(jù)的影響和改進方法進行分析和探究，找出一種合適的處理方法，為今后雪深傳感器的建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用中，減少、減小因雪深基準面的變化對測量數(shù)據(jù)的影響，提高雪深傳感器觀測精度，減輕傳感器的維護工作，保證雪深自動觀測業(yè)務(wù)的正常運行提供參考和借鑒意義。

1 激光雪深傳感器測距原理

DSS1 型激光雪深觀測儀采用相位法測距原理，用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，計算此相位延遲所代表的距離[2]，其測量的雪深范圍為0～200cm。

積雪深度H 是激光雪深傳感器探頭到基準面之間的垂直距離H1與探頭到雪面之間的垂直距離H2之差，在傾斜安裝時雪深傳感器測距單元不能直接測得垂直距離H1和H2，所以需要預(yù)先標定求得測量光路與立柱之間的垂直傾角α[3]。激光雪深觀測儀通過相位法分別測量傳感器到基準面的距離L1和傳感器到標準塊的距離L2，通過已知高度為A的標準塊，根據(jù)式（1）即可獲取垂直傾角α 的三角函數(shù)關(guān)系（如圖1 所示）。

圖1 激光測距原理

標定完成后移走標準塊，此時垂直傾角a 已知且固定不變，激光雪深觀測儀通過相位法再次分別測量傳感器到基準面的距離L1和傳感器到雪面的距離L，根據(jù)式（2）即可獲得雪深H。

在本次實驗中以基準面為參考時，可得光程誤差ΔL 和雪深誤差ΔH，即：

式中：

α-測量光路與立柱之間的垂直傾角，單位rad；

H-積雪深度，單位mm；

L1-傳感器到基準面的距離，單位mm；

L-傳感器到被測面之間的距離，單位mm；

ΔL-光程誤差，單位mm；

ΔH-雪深誤差，單位mm。

2 誤差分析和方法研究

2.1 誤差分析

在自然狀態(tài)下經(jīng)過長期觀察分析發(fā)現(xiàn)，因設(shè)備自身變化產(chǎn)生的測量誤差有兩種，一是立柱傾斜，測量點漂移導(dǎo)致測量光路路徑發(fā)生變化，出現(xiàn)雪深誤差。二是基準面發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)雪深誤差。

2.1.1 立柱傾斜產(chǎn)生的雪深誤差

由于立柱傾斜，造成測量點漂移，根據(jù)圖2 所示，當測量點P 接近立柱點B，傳感器到被測面之間的距離變小，由式（3）和(4)可知測量光路路徑誤差ΔL＞0，雪深誤差ΔH＞0，此誤差在實際應(yīng)用中會導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值或偏大。當測量點P 遠離立柱點B，傳感器到被測面之間的距離變大，由式（3）和（4）可知測量光路路徑誤差ΔL＜0，雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實際應(yīng)用中會導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)偏小甚至為負值。

圖2 立柱傾斜導(dǎo)致測量點漂移

2.1.2 基準面變化產(chǎn)生的雪深誤差

雪深測量基準面采用的是規(guī)格為60cm×60cm的格柵型測雪板，安裝后與基準面保持水平，測雪區(qū)域與周圍環(huán)境接近，可以保證測雪區(qū)域與周圍環(huán)境融雪速度相對一致。中間由圓形的聚四氟乙烯材料作為測雪點，具有很好的穿透性能，可以有效抵消激光在穿透雪層后被基準面反射導(dǎo)致光路在雪層中復(fù)雜的反射和折射導(dǎo)致的誤差[3-4]，提高測量的準確度，滿足標定時的基準面和初雪的準確測量。然而測雪板容易受下墊面影響，土質(zhì)疏松，翻動等原因容易使測雪板抬升或下降，導(dǎo)致基準面發(fā)生變化，產(chǎn)生測量誤差。基準面上升會使測量光路L 變短，導(dǎo)致雪深誤差ΔH＞0。此誤差在實際應(yīng)用中會導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值或者偏大?；鶞拭嫦陆禃箿y量光路L 變長，導(dǎo)致雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實際應(yīng)用中會導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)偏小甚至是負值。

2.2 方法研究

本次研究分別采用兩種方法進行改造實驗。一是對基準面測雪板自然下墊面人工改造成混凝土，將混凝土置于測雪板下層，減小由于混凝土與自然地面比熱容不同對雪層融化的影響。二是在自然下墊面上增大測雪板的面積，使用市面可購置的規(guī)格為80cm×80cm 的玻璃鋼格柵型測雪板代替原測雪板。實驗時分別對自然下墊面，混凝土下墊面，增大測雪板三種觀測狀態(tài)，在同一觀測環(huán)境下進行數(shù)據(jù)對比。每種狀態(tài)觀測周期為60d，提取每日出現(xiàn)的最大雪深誤差，其中前30d 取標定前數(shù)據(jù)，后30d 取標定后數(shù)據(jù)，分析誤差變化趨勢，得出合理結(jié)論。

2.2.1 未進行標定前觀測30d 數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3（a）可知：

圖3 標定前、后30d 內(nèi)自然下墊面、混凝土下墊面、增大測雪板誤差對比

（1）自然下墊面在第2 天即出現(xiàn)雪深誤差，誤差大小多次反復(fù)變化，并隨時間的增長逐漸變大，30d 內(nèi)最大誤差達8mm。

（2）增大測雪板產(chǎn)生的雪深誤差在第5 天出現(xiàn)，對比自然觀測相對較小且穩(wěn)定，但仍然隨時間的增長而變大，在誤差較大時有反復(fù)變化情況，30d 內(nèi)最大誤差達6mm。

（3）混凝土下墊面雪深誤差在第11 天出現(xiàn)，隨實驗時間的增長誤差逐漸變大，但變化相對穩(wěn)定且較小，30d 內(nèi)最大誤差為3mm。

2.2.2 進行標定后觀測30d 數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3（b）可知：

（1）自然下墊面產(chǎn)生的日最大雪深誤差在第4天開始出現(xiàn)，隨時間逐漸變大且反復(fù)變化，30d 內(nèi)產(chǎn)生的最大雪深誤差為6mm，基準面受自然下墊面變化的影響較大。

（2）增大測雪板面積產(chǎn)生的日最大雪深誤差相對自然下墊面較小，前期相對穩(wěn)定，第11 天出現(xiàn)較大降水過程，測雪板受到較大影響，隨后基準面的變化逐漸變大，導(dǎo)致雪深誤差開始變大且不穩(wěn)定，30 日內(nèi)產(chǎn)生的最大日雪深誤差達4mm。

（3）混凝土下墊面在標定后雪深誤差長期保持為0mm，變化相對穩(wěn)定，日最大雪深誤差在第15 天開始出現(xiàn)，30d 內(nèi)產(chǎn)生的最大日雪深誤差為2mm。

3 主要結(jié)論

（1）激光雪深傳感器由于測量精度高，對設(shè)備安裝要求較高，立柱基礎(chǔ)和基準面都需要穩(wěn)固。觀測地段自然場地由于土質(zhì)不穩(wěn)定容易發(fā)生變化，尤其是在降水、降雪、霜凍等天氣過程發(fā)生后，立柱基礎(chǔ)和基準面變化較明顯，如果不及時進行人工標定，長期使用必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

（2）增大測雪板面積由于受環(huán)境影響較大依然會產(chǎn)生較大誤差，沒有明顯的穩(wěn)固效果，且玻璃鋼格柵型測雪板不易獲取和制作，在安裝和建設(shè)中較困難，不建議使用。

（3）混凝土下墊面具有較好的穩(wěn)定性，受天氣和地形等影響較小，并且位于測雪板下層，對雪層融化影響相對較小，在安裝時容易獲取和制作等優(yōu)點，可在今后DSS1 型激光雪深觀測儀的安裝和長期觀測中參考此法。