羅林艷，羅 宇，周建君，王 亞，張思睿

(1.湖南省氣象信息中心，湖南 長沙 410118；2.湖南省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410118;3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長沙 410125)

0 引言

降水觀測是氣象觀測的重要內(nèi)容，主要包括降水強(qiáng)度、降水量和降水類天氣現(xiàn)象(雨、雪和冰雹)等。隨著我國地面氣象觀測業(yè)務(wù)自動(dòng)化的推進(jìn)，根據(jù)中國氣象局《綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃(2014—2020年)》要求，雨滴譜儀(降水類天氣現(xiàn)象儀)廣泛應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)中[1]。雨滴譜儀的安裝和使用對環(huán)境要求相對較低，維護(hù)周期長，可用于高山、海島及其他偏遠(yuǎn)地區(qū)；同時(shí)可24h不間斷對降水滴譜進(jìn)行精細(xì)化觀測。典型代表儀器有德國的OTT Parsivel雨滴譜儀[2]、瑞士的Joss-Waldvogel雨滴譜儀[3]和奧地利的二維視頻雨滴譜儀[4]等。這些儀器在災(zāi)害性天氣短臨預(yù)警、衛(wèi)星及雷達(dá)定量估測降水和水土流失等方面具有較好的應(yīng)用價(jià)值[5-9]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對激光雨滴譜探測降水能力開展了廣泛的研究。濮江平等[10]利用架設(shè)在解放軍理工大學(xué)觀測場的激光雨滴譜對南京的降水進(jìn)行分析。溫龍等[11]利用二維雨滴譜儀對南京地區(qū)的2次降水過程進(jìn)行了研究。祝偉等[12]對比了武漢國家基本氣象站激光雨滴譜儀估測降水量與該站人工定時(shí)觀測降水量，發(fā)現(xiàn)二者總體較為接近。杜波等[13]對布設(shè)在北京市觀象臺、廬山氣象局的3 種類型、每種類型3 套天氣現(xiàn)象儀進(jìn)行對比觀測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，各儀器觀測降水現(xiàn)象的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均大于90%。王俊等[14]分析表明，Thies激光雨滴譜儀觀測資料經(jīng)過質(zhì)控后，短時(shí)強(qiáng)降水的分鐘雨強(qiáng)和過程累積雨量與自動(dòng)站符合較好。劉振等[15]對7個(gè)典型站點(diǎn)進(jìn)行雨滴譜特征分析，發(fā)現(xiàn)基于分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算的小時(shí)雨強(qiáng)與臺站觀測雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)均超過0.92。井高飛等[16]發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的反射率因子同雨滴譜儀獲取的反射率因子具有較好的一致性，訂正后的反射率因子能提高雷達(dá)定量降水估測的精度。馮婉悅等[17]利用雨滴譜儀對“溫比亞”臺風(fēng)降水進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)雨滴譜儀測得的降水強(qiáng)度整體精度較高，但在部分區(qū)域與翻斗雨量計(jì)降水強(qiáng)度存在較明顯差異。

湖南省97個(gè)國家站自2017年開始陸續(xù)安裝了雨滴譜儀，2018年1月1日起進(jìn)行平行觀測。本文對湖南省12個(gè)國家氣象站雨滴譜儀降水?dāng)?shù)據(jù)和自動(dòng)站觀測降水資料進(jìn)行對比分析，研究不同降水強(qiáng)度下雨滴譜儀數(shù)據(jù)的偏差情況，以便其更好地應(yīng)用到氣象業(yè)務(wù)中，為湖南省氣象防災(zāi)減災(zāi)提供更好的支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料選取

湖南省氣象觀測業(yè)務(wù)中使用的雨滴譜儀為DSG1和DSG3 2種類型，即OTT Parsivel2和Thies LPM，對應(yīng)直徑通道分別為32個(gè)和22個(gè)，對應(yīng)速度通道分別為32個(gè)和20個(gè)。本文選取2018年湖南省12個(gè)地面氣象觀測站的雨滴譜儀數(shù)據(jù)和對應(yīng)時(shí)段的自動(dòng)站翻斗雨量計(jì)觀測資料，從儀器測量原理出發(fā)，結(jié)合Atlas-Ulbrich曲線和萊伊特準(zhǔn)則對降水粒子譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判別并消除異常數(shù)據(jù)(粗大誤差)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算雨滴譜降水強(qiáng)度、降水量，與翻斗雨量計(jì)降水強(qiáng)度、降水量等進(jìn)行對比分析，研究雨滴譜儀觀測誤差分布情況。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

依據(jù)雨滴直徑與其下落末速度之間存在較好對應(yīng)關(guān)系(Atlas-Ulbrich曲線)，采用萊伊特準(zhǔn)則(3σ準(zhǔn)則)分別對同一直徑通道測得的速度值，即同一直徑通道對應(yīng)的有降水粒子的不同速度級進(jìn)行檢驗(yàn)[18]，判別其是否含有粗大誤差，方法如下：

①將整個(gè)降水過程的樣本按不同的直徑通道累積，得到各直徑通道分別對應(yīng)的測量列，測量列是同一直徑通道所對應(yīng)的不同速度的粒子個(gè)數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為測得的不同速度值。

②對于每一個(gè)直徑通道對應(yīng)的測量列，若各測得的速度值只含有隨機(jī)誤差，則根據(jù)隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律特征，中間是出現(xiàn)概率最多的峰值，再向高、低2個(gè)方向慢慢下降。依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的理論，可求得數(shù)學(xué)期望值和均方差σ，則隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率基本都落在 (-3σ，+3σ) 區(qū)間內(nèi)，其殘余誤差落在±3σ以外的概率約為0.3%。如果在測量列中，發(fā)現(xiàn)有大于3σ的殘余誤差的測得值，則認(rèn)為它含有粗大誤差，予以刪除。再將測量列剩下的測得值重新計(jì)算，依次循環(huán)，直到不再含有粗大誤差。

③依次對雨滴譜所有直徑通道所對應(yīng)的測量列進(jìn)行粗大誤差判別與刪除，無降水粒子或只有極個(gè)別粒子的直徑通道對應(yīng)的測量列不進(jìn)行處理。

1.3 利用雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算降水強(qiáng)度

利用雨滴譜儀可測得降水粒子的尺度譜分布，通過時(shí)間積分和空間積分計(jì)算降水強(qiáng)度，并進(jìn)一步獲得累積降水量[19-20]，降水強(qiáng)度R的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ni表示直徑為第i個(gè)通道的所有粒子數(shù)，Di表示第i個(gè)直徑通道對應(yīng)直徑值，S為采樣面積，T為采樣時(shí)間。本研究利用質(zhì)控后的雨滴譜32個(gè)或20個(gè)直徑通道各通道的粒子數(shù)、粒子直徑數(shù)據(jù)，結(jié)合采樣面積(5400 mm2或4560 mm2)和采樣時(shí)間(60 s)，通過式(1)計(jì)算分鐘降水強(qiáng)度，再累加求和得到小時(shí)降水量和累積降水量。

為評價(jià)雨滴譜儀與常規(guī)降水觀測的差異，選用決定系數(shù)(R2)、平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和平均相對誤差(MRE)作為指標(biāo)，對二者的偏離程度進(jìn)行度量，計(jì)算公式如式(2)～(5)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 總體誤差分析

基于2018年1月1日—12月31日湖南省12個(gè)地面氣象觀測站的雨滴譜儀數(shù)據(jù)，利用公式(1)計(jì)算雨滴譜儀分鐘降水強(qiáng)度，累加得到小時(shí)降水量，并與翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量作對比分析。除株洲站樣本數(shù)為998外，各站點(diǎn)對比樣本數(shù)均大于1100。結(jié)果如表1所示。雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量存在顯著的相關(guān)性，決定系數(shù)平均為0.94，其中南岳站決定系數(shù)最低為0.90，瀏陽站決定系數(shù)最高為0.98。除南岳站外，雨滴譜儀小時(shí)降水較翻斗雨量小時(shí)降水平均偏大0.12 mm，其中婁底站平均偏差最高為0.29 mm，永州站平均偏差最低為0.02 mm。12個(gè)站的小時(shí)降水量絕對偏差均值為0.34 mm，其中桑植站平均絕對偏差最高為0.49 mm，瀏陽站平均絕對偏差最低為0.24 mm。除南岳站小時(shí)降水相對偏差為-46.61%外，其他11個(gè)站相對偏差均為30%左右，其中瀏陽站最低為20.50%，株洲站最高為37.83%。

表1 湖南省12站雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量總體誤差

圖1為各站雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量散點(diǎn)圖。由圖可知存在個(gè)別時(shí)次雨滴譜儀有降水而翻斗雨量計(jì)無降水，或翻斗雨量計(jì)有降水雨滴譜儀無降水。造成這種誤差的原因可能有以下幾個(gè)：一是雨滴譜儀的靈敏度較高，而翻斗雨量計(jì)以0.1 mm為基礎(chǔ)測量，觀測存在滯后性；二是雨滴經(jīng)過翻斗雨量計(jì)的承水器、多個(gè)翻斗和漏斗，殘留在儀器壁內(nèi)的降水量也會造成二者降水量的誤差；三是由于2種設(shè)備取樣面積均較小，遇到強(qiáng)對流降水時(shí)雨滴分布不均，會造成一個(gè)設(shè)備有降水量而另一個(gè)設(shè)備沒有降水量或降水量較小的情況。相較于其他站雨滴譜儀小時(shí)降水量總體偏大，由于南岳站2018年有200多個(gè)時(shí)次翻斗雨量計(jì)有降水量而雨滴譜儀無降水量，使得該站雨滴譜儀小時(shí)降水量明顯偏小。

圖1 湖南省12站雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量散點(diǎn)圖

2.2 不同降水量級下誤差分析

以自動(dòng)氣象站降水量為參考，將小時(shí)降水量劃分為小雨(0.1～0.9 mm;1.0～2.5 mm)、中雨(2.6～4.9 mm;5.0～7.9 mm)、大雨(8.0～15.9 mm)和暴雨及以上(≥16 mm)等不同量級[6]，其中小雨和中雨又各分為2個(gè)等級，對比分析不同降水量級下雨滴譜儀與翻斗雨量計(jì)降水量差值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同降水量級下雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量對比

由表2可知，當(dāng)Rh<1.0 mm時(shí)，各站雨滴譜儀降水量較翻斗雨量計(jì)降水量平均偏大0.05 mm，且平均差值絕對值均在0.2 mm以下，除南岳站雨滴譜儀降水量明顯偏小外，其他各站均大于或與翻斗雨量計(jì)降水量相當(dāng)。當(dāng)1.0 mm≤Rh<2.6 mm時(shí)，汨羅和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計(jì)降水量明顯偏小，分別偏小0.162 mm和0.364 mm，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計(jì)降水量相當(dāng)，其中婁底、株洲和安化站偏大0.2 mm以上，分別為0.207 mm、0.246 mm和0.262 mm。當(dāng)2.6 mm≤Rh<5.0 mm時(shí)，株洲和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計(jì)降水量明顯偏小，分別偏小0.365 mm和0.686 mm，武岡和婁底站雨滴譜儀降水量則明顯偏大，其中婁底站偏大0.661 mm。當(dāng)5.0 mm≤Rh<8.0 mm時(shí)，漢壽、安仁和婁底站雨滴譜儀降水量明顯高于翻斗雨量計(jì)降水量，分別偏大0.438 mm、0.628 mm和1.442 mm，而株洲和南岳站雨滴譜儀降水則分別偏小1.268 mm和1.530 mm。當(dāng)Rh達(dá)到大雨量級時(shí)，除株洲和南岳站雨滴譜儀降水量分別偏小1.594 mm和2.078 mm外，其他各站雨滴譜儀降水量均較翻斗雨量計(jì)降水量偏大，其中通道、漢壽和婁底分別偏大1.200 mm、1.564 mm和3.076 mm。當(dāng)Rh達(dá)到暴雨量級時(shí)，雨滴譜儀降水量偏差明顯變大，平均偏差絕對值達(dá)到3.570 mm，其中株洲和安化平均偏小4.968 mm和5.752 mm，瀏陽、婁底平均偏大4.007 mm、11.751 mm。

2.3 累積降水量誤差分析

為了解雨滴譜儀與翻斗雨量計(jì)降水量整體變化趨勢和差異，將湖南省12個(gè)地面氣象觀測站降水量逐時(shí)累加作對比分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，湖南省12個(gè)地面站的雨滴譜儀累計(jì)降水量和翻斗雨量計(jì)累計(jì)降水量變化趨勢基本一致，除汨羅和南岳站外，雨滴譜儀累計(jì)降水量常表現(xiàn)為偏多。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，小雨時(shí)，雨滴譜儀和翻斗雨量計(jì)兩者降水量不斷累加，曲線呈緩慢上升趨勢；大雨或暴雨發(fā)生時(shí)，二者差值呈轉(zhuǎn)折性變化，并逐步累積增大。

圖2 湖南省12站雨滴譜儀累計(jì)降水和翻斗累計(jì)降水對比

3 結(jié)論

本文從雨滴譜儀觀測原理出發(fā)，結(jié)合Atlas-Ulbrich曲線和萊伊特準(zhǔn)則對雨滴譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識別消除粗大誤差。在此基礎(chǔ)上計(jì)算雨滴譜降水量，與翻斗雨量計(jì)降水量等進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：

①依據(jù)雨滴直徑與其下落末速度之間存在較好對應(yīng)關(guān)系，采用萊伊特準(zhǔn)則識別并消除雨滴譜數(shù)據(jù)粗大誤差，對雨滴譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。利用質(zhì)控后的雨滴譜儀數(shù)據(jù)計(jì)算得到各站的小時(shí)降水量與翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量存在較好對應(yīng)關(guān)系，可知該質(zhì)控算法能較好處理雨滴譜儀數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)。

②利用2018年湖南省12個(gè)地面氣象觀測站的雨滴譜儀數(shù)據(jù)計(jì)算小時(shí)降水量，并與翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量作對比。結(jié)果表明：雨滴譜儀小時(shí)降水量和翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量存在顯著的相關(guān)性，決定系數(shù)平均為0.94，其中南岳站決定系數(shù)最低為0.90，瀏陽站決定系數(shù)最高為0.98；除南岳站外，翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水較雨滴譜儀小時(shí)雨量平均偏小0.12 mm；12個(gè)站的小時(shí)降水量絕對偏差均值為0.34 mm。

③以自動(dòng)氣象站降水量為參考，對比不同降水量級下雨滴譜儀小時(shí)降水量與翻斗雨量計(jì)小時(shí)降水量的差異，結(jié)果顯示當(dāng)Rh<1.0 mm時(shí)，各站雨滴譜儀降水量較翻斗雨量計(jì)降水量平均偏大0.05 mm，且平均差值絕對值均在0.2 mm以下；當(dāng)1.0 mm≤Rh<2.6 mm時(shí)，除汨羅和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計(jì)降水量明顯偏小外，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計(jì)降水量相當(dāng)；當(dāng)2.6 mm≤Rh<5.0 mm時(shí)，株洲和南岳站雨滴譜降水量較翻斗雨量計(jì)降水量明顯偏小，武岡和婁底站雨滴譜儀降水量則明顯偏大，其中婁底站偏大0.661 mm；當(dāng)5.0 mm≤Rh<8.0 mm時(shí)，除株洲和南岳站外，其它各站雨滴譜降水量均大于或與翻斗雨量計(jì)降水量相當(dāng)；當(dāng)Rh達(dá)到大雨量級時(shí)，除株洲和南岳站雨滴譜儀降水量分別偏小1.594 mm和2.078 mm外，其他各站雨滴譜儀降水量均較翻斗雨量計(jì)降水量偏大；當(dāng)Rh達(dá)到暴雨量級時(shí)，雨滴譜儀降水量偏差明顯變大，平均偏差絕對值達(dá)到3.570 mm。

④對比湖南省12個(gè)地面氣象觀測站累積降水量，結(jié)果表明雨滴譜儀累計(jì)降水量和翻斗雨量計(jì)累計(jì)降水量變化趨勢基本一致，除汨羅和南岳站外，雨滴譜儀累計(jì)降水量常表現(xiàn)為偏多。小雨時(shí)，雨滴譜儀和翻斗雨量計(jì)兩者降水量不斷累加，曲線呈緩慢上升趨勢，大雨或暴雨發(fā)生時(shí)，二者差值呈轉(zhuǎn)折性變化，并逐步累積增大。