高清泉 紀(jì)詩(shī)璇 沈芳 李紅星 黃浩杰 李敬海* 鄔少文

（1、廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000 2、大廠回族自治縣氣象局，河北 大廠 065000 3、北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100000）

天氣現(xiàn)象觀測(cè)是地面氣象觀測(cè)的主要項(xiàng)目之一，降水現(xiàn)象是天氣現(xiàn)象的重要組成部分。液態(tài)或固態(tài)的水汽凝結(jié)物或者二者混合物降落到地面，產(chǎn)生降水量成為降水現(xiàn)象，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等[1-2]。利用降水現(xiàn)象光學(xué)觀測(cè)設(shè)備開(kāi)展降水現(xiàn)象觀測(cè)和雨滴圖譜觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)降水現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)，將有效提高觀測(cè)的頻次和質(zhì)量,能夠有效提高降水現(xiàn)象觀測(cè)自動(dòng)化程度，減輕觀測(cè)人員工作量，為氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供更多有價(jià)值的氣象信息[3]。

自2020 年1 月起，廊坊市9 個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站全部完成了DSG4 型降水現(xiàn)象儀的對(duì)比觀測(cè)并實(shí)現(xiàn)正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，均實(shí)現(xiàn)了降水現(xiàn)象的自動(dòng)觀測(cè)。但是在降水現(xiàn)象儀的業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受設(shè)備硬件老化、安裝高度、周圍環(huán)境、光學(xué)透鏡遮擋、劃傷（如蜘蛛網(wǎng)、樹(shù)枝、鳥(niǎo)窩等）以及外界抖動(dòng)干擾等因素的影響。因此，核查校準(zhǔn)是測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟[4]。

為保證全市降水現(xiàn)象儀的穩(wěn)定運(yùn)行以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，廊坊市氣象局氣象探測(cè)中心2020 年底完成了全市DSG4 型降水現(xiàn)象儀的核查工作。本文主要介紹了降水現(xiàn)象儀、PCL32 雨滴譜校準(zhǔn)儀的基本原理及現(xiàn)場(chǎng)核查的主要內(nèi)容，并給出實(shí)際案例進(jìn)行討論，為以后的現(xiàn)場(chǎng)核查工作提供參考。

1 DSG4 型降水現(xiàn)象儀基本信息

1.1 工作原理

DSG4 降水現(xiàn)象儀傳感器為Parsivel2 雨滴譜光學(xué)傳感器，采用現(xiàn)代激光技術(shù)，通過(guò)激光遙測(cè)技術(shù)對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行分析、記錄，依據(jù)粒子下降速度V（m/s）及粒子直徑D（mm）來(lái)判定，可以測(cè)量各種類型的降水，包括毛毛雨、雨、雨夾雪、冰雹、雪和以及各種介于雪花和冰雹之間的混合降水。數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)是通過(guò)一個(gè)快速的數(shù)字化信號(hào)處理器完成的。測(cè)量的基本參數(shù)為粒徑和速度，由此推導(dǎo)出粒徑分布、降水量、能見(jiàn)度、降水動(dòng)能和降水類型等[5]，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 Parsivel2 雨滴譜光學(xué)傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.2 基本結(jié)構(gòu)

降水現(xiàn)象儀主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、供電控制單元、附件等部分組成。見(jiàn)圖1。

圖1 降水現(xiàn)象儀組成結(jié)構(gòu)圖

其中，傳感器包括激光發(fā)射和接收裝置、控制處理裝置、溫控裝置等。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)處理采樣的降水粒子大小、速度、數(shù)量等信息，對(duì)采樣樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，輸出降水現(xiàn)象類型、雨滴圖譜、儀器工作狀態(tài)等信息[6]。

2 PCL32 雨滴譜校準(zhǔn)儀

PCL32 雨滴譜校準(zhǔn)儀由北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司自主研發(fā)，主要由兩部分構(gòu)成：滴譜模擬器、采集控制處理單元。見(jiàn)圖2、3。

圖2 滴譜模擬器

圖3 PCL32 雨滴譜校準(zhǔn)儀安裝示意圖

降水現(xiàn)象模擬過(guò)程主要由滴譜模擬器完成，采用轉(zhuǎn)盤式降水粒子模擬的方式，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使粒子標(biāo)記達(dá)到設(shè)定的運(yùn)行速度（模擬降水粒子下落速度），與降水監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)得的粒子粒徑和下落速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的性能核查[7-9]。校準(zhǔn)流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 校準(zhǔn)流程圖

根據(jù)雨滴譜式降水監(jiān)測(cè)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)選擇校準(zhǔn)點(diǎn)，在出廠測(cè)試時(shí)選擇毛毛雨、雨、冰雹3 種天氣現(xiàn)象的臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的降水粒子直徑的校準(zhǔn)點(diǎn)分別為2.125mm、4mm、6mm。通過(guò)調(diào)速器轉(zhuǎn)速的調(diào)整，校準(zhǔn)軟件計(jì)算得出相應(yīng)的粒徑粒速及粒子個(gè)數(shù)。見(jiàn)表2。

表2 降水粒子直徑的校準(zhǔn)信息

3 現(xiàn)場(chǎng)核查

3.1 核查環(huán)境

氣溫：10℃～30℃；相對(duì)濕度：≤80%。

3.2 核查校準(zhǔn)點(diǎn)

根據(jù)降水現(xiàn)象儀技術(shù)指標(biāo)選擇校準(zhǔn)點(diǎn)，一般選擇上限點(diǎn)、中間點(diǎn)、下限點(diǎn)共3 個(gè)。根據(jù)所處的地理位置、氣象要素極限值選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)。一般在出廠測(cè)試時(shí)，選擇降水粒子直徑的校準(zhǔn)點(diǎn)為2mm、5mm、10mm、15mm，降水粒子速度的校準(zhǔn)點(diǎn)為1.0m/s、1.5 m/s、2.0m/s、5.0 m/s。

3.3 核查內(nèi)容

安裝之前，首先檢查模擬器外觀無(wú)損傷，型號(hào)及編號(hào)清晰可辨，線纜、插件連接可靠。將模擬器裝置安放在收、發(fā)光路中間，確認(rèn)降水現(xiàn)象儀激光束處在降水粒子模擬器透光孔中心處。模擬器正確安裝后，對(duì)選取的不同降水粒子直徑進(jìn)行測(cè)試（一般為出廠測(cè)試校準(zhǔn)點(diǎn)），每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均在同一線速度下進(jìn)行試驗(yàn)，讀取降水現(xiàn)象儀檢測(cè)的粒子兩次（第一次/本次）直徑通道誤差、離子速度通道誤差以及降水現(xiàn)象輸出偏差判別。對(duì)選取的不同降水粒子速度進(jìn)行測(cè)試（一般為出廠測(cè)試校準(zhǔn)點(diǎn)），每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均采用同一直徑模擬粒子進(jìn)行試驗(yàn)，讀取降水現(xiàn)象儀檢測(cè)的粒子兩次（第一次/本次）直徑通道誤差、離子速度通道誤差以及降水現(xiàn)象輸出偏差判別。最后根據(jù)模擬器的第一次數(shù)據(jù)與本次測(cè)試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證對(duì)比數(shù)據(jù)的是否具有一致性。

4 應(yīng)用實(shí)例

2020 年12 月，廊坊市氣象探測(cè)中心完成了全市9 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站中降水現(xiàn)象儀的核查工作。模擬器正確安裝后，選擇滿足室外校準(zhǔn)環(huán)境條件：天氣晴朗，能見(jiàn)度≥10 km，風(fēng)速≤5m/s，相對(duì)濕度≤80%RH。記錄核查當(dāng)前時(shí)段的氣溫、濕度以及氣壓。根據(jù)模擬器出廠設(shè)置選擇直徑4.3mm、9.5mm、21mm 三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，選擇2m/s、7m/s、12m/s 三個(gè)離子速度核查點(diǎn)進(jìn)行核查試驗(yàn)[3]。核查完成后，生成《業(yè)務(wù)臺(tái)站降水現(xiàn)象儀現(xiàn)場(chǎng)核查記錄表》，對(duì)比分析粒子直徑、速度誤差分析以及降水現(xiàn)象輸出偏差判別是否符合。以廊坊市國(guó)家氣象觀測(cè)站（站號(hào)：54515）為例，核查結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)核查記錄表可以得知，當(dāng)離子速度逐漸由2m/s 增速至7m/s、12m/s 時(shí)，在粒子直徑不變的情況下，第一次與本次的粒子直徑通道誤差為0；當(dāng)粒子直徑由4.3mm 增大至9.5mm、21mm 時(shí)，在離子速度不變的情況下，第一次與本次的離子速度通道誤差為0；在不同離子速度與粒子直徑測(cè)試下，第一次與本次的降水現(xiàn)象輸出偏差判別為符合（一致），核查結(jié)果為合格。

表3 業(yè)務(wù)臺(tái)站降水現(xiàn)象儀現(xiàn)場(chǎng)核查記錄表

5 結(jié)論

通過(guò)本次核查，可以確保業(yè)務(wù)臺(tái)站降水現(xiàn)象儀設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定運(yùn)行，保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性。本文闡述的現(xiàn)場(chǎng)核查方法已經(jīng)成功的應(yīng)用到廊坊市各國(guó)家氣象觀測(cè)站降水現(xiàn)象儀的核查工作之中。但是核查結(jié)果中仍然存在誤差，一方面考慮人為因素，在安裝調(diào)試的操作過(guò)程中產(chǎn)生誤差，另一方面考慮設(shè)備存在精度誤差影響。因此在現(xiàn)場(chǎng)核查工作中，不僅要選擇正確的外部環(huán)境，更要嚴(yán)格的按照核查流程進(jìn)行操作，盡可能的減少人為因素的影響。