荀偉唯，李秀英，莊 萌

(1.河北省清河縣氣象局，清河054800；2.沙河市氣象局，沙河 054100)

0 引言

降水現(xiàn)象是地面氣象觀測的基本內(nèi)容之一。降水現(xiàn)象實現(xiàn)自動觀測將有效提高觀測的頻次和質(zhì)量，為預(yù)報服務(wù)提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品，是氣象觀測自動化的重要組成部分。

陳愛蓮[1]等在2015年對WUSH-PW、HY-YT-P1000和DXC1型雨滴譜儀進行了測試，與人工觀測數(shù)據(jù)進行了比對并分析了降水過程，揭示出降水現(xiàn)象儀降水識別能力的個體差異；申高航[2，3]等對DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的對比差異進行了分析。

邢臺市氣象局所轄臺站安裝的天氣現(xiàn)象儀型號均為DSG4型，2017年已完成國家級氣象觀測站降水現(xiàn)象儀的建設(shè)安裝工作，2018-01-01開始開展降水現(xiàn)象平行觀測，平行觀測時間：2018-01-01(北京時間2017-12-31T20：00，下同)—2018-12-31，以人工觀測降水現(xiàn)象為主，自動觀測降水現(xiàn)象為輔；原定于2019-01-01開始以天氣降水現(xiàn)象儀自動觀測降水現(xiàn)象為主，人工觀測降水現(xiàn)象為輔，推遲到2020-01-01。文章利用訂正后的全月整編數(shù)據(jù)對人工降水和自動觀測降水現(xiàn)象觀測數(shù)據(jù)進行對比，將降水?dāng)?shù)據(jù)分為白天和夜間兩個時段分別進行分析，為進一步細化儀器的數(shù)據(jù)算法提供參考。

1 觀測原理說明

《DSG4型降水現(xiàn)象儀技術(shù)手冊》中寫到，DSG4型降水現(xiàn)象儀通過激光遙測技術(shù)對降水過程進行分析、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)降水要素自動觀測數(shù)據(jù)的采樣、存儲和處理，并按照氣象業(yè)務(wù)規(guī)定數(shù)據(jù)格式輸出8種降水類型：雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪和冰雹。但是降水現(xiàn)象儀觀測規(guī)范中規(guī)定，降水現(xiàn)象識別類型為：毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹。所以在地面氣象觀測軟件中目前顯示的為5種降水現(xiàn)象，陣雨、陣雪和陣性雨夾雪分別訂正為雨、雪和雨夾雪。

2 資料的選取和處理方法

2.1 資料選取

文章選取了邢臺地區(qū)4個國家氣象觀測站(清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西)平行觀測期間的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為平行觀測期間人工和自動觀測天氣現(xiàn)象形成的日數(shù)據(jù)文件，此文件為平行觀測軟件下的臺站降水現(xiàn)象觀測數(shù)據(jù)整編文件，每個月形成1份。觀測時間是2018-08-01—2019-07-31，共12個月的人工觀測降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)和DSG4型降水現(xiàn)象儀的自動降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)。平行觀測期間以人工觀測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，自動觀測數(shù)據(jù)不上傳，自動觀測結(jié)果不進行修改，本地存儲。

2.2 數(shù)據(jù)評估方法

平行觀測期間主要以人工觀測到的降水現(xiàn)象過程作為參考標(biāo)準(zhǔn)，檢驗評估過程中，1次人工觀測某降水現(xiàn)象過程時段內(nèi)(白天段或夜間段)，儀器能夠同步識別至少1 min該降水現(xiàn)象，視為準(zhǔn)確識別1次降水過程。結(jié)合伍永學(xué)[4]等在《天氣現(xiàn)象自動化觀測資料可用性分析與應(yīng)用探討》中提到的方法，同時由于人工觀測天氣現(xiàn)象只對白天數(shù)據(jù)進行時間記錄，為了便于質(zhì)控和數(shù)據(jù)對比，文章對此方法進行了修改：1)白天時段人工記錄降水時段與自動觀測記錄有重合為有效數(shù)據(jù)(重合時間≥1 min)，夜間時段只要記錄人工和自動均觀測到降水現(xiàn)象即為有效數(shù)據(jù)；2)人工觀測無降水現(xiàn)象，儀器識別有降水現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)為空報數(shù)據(jù)；3)人工觀測有降水現(xiàn)象，而自動氣象站沒有識別出降水現(xiàn)象，視為漏報數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)正確率(NA)：儀器正確識別降水的有效數(shù)據(jù)次數(shù)(a)占人工觀測到實際發(fā)生該降水現(xiàn)象過程總次數(shù)(A)的百分比。

空報率(FAR)：空報數(shù)據(jù)次數(shù)(b)占儀器自動觀測次數(shù)(B)的百分比。

漏報率(PO)：人工觀測到有某降水現(xiàn)象發(fā)生過程期間，儀器未識別出任何降水現(xiàn)象過程的漏報次數(shù)(c)，占人工觀測到實際發(fā)生降水現(xiàn)象過程總次數(shù)(A)的百分比。

計算公式如下：

NA(%)=a/A×100%

(1)

FAR(%)=b/B×100%

(2)

PO(%)=c/A×100%

(3)

3 降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計分析

3.1 數(shù)據(jù)一致性分析

經(jīng)過統(tǒng)計和分析清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西2018年8月—2019年7月人工觀測和自動觀測降水次數(shù)，4個氣象觀測站全年觀測記錄共1460 d，其中人工觀測無降水共 1211 d，自動觀測無降水966 d。白天時段人工觀測降水次數(shù)合計為155次，自動觀測降水?dāng)?shù)據(jù)為361次，其中有效數(shù)據(jù)次數(shù)合計為149次，空報210次，漏報次數(shù)為6次；夜間時段人工觀測降水次數(shù)合計為156次，有效數(shù)據(jù)次數(shù)合計154次，空報103次，漏報次數(shù)為2次。自動觀測降水次數(shù)遠多于人工觀測降水次數(shù)，是人工觀測次數(shù)的2倍多。對全部數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)評估方法進行統(tǒng)計，如表1所示，自動觀測降水正確率均在96%以上，說明自動觀測降水和人工觀測降水現(xiàn)象基本一致，符合《DSG4型降水現(xiàn)象儀功能需求書》要求，基本滿足降水現(xiàn)象實現(xiàn)自動化的需求。但是，該統(tǒng)計是在特定方法下計算的，存在以下問題需要進一步分析說明：一是自動觀測降水現(xiàn)象時間轉(zhuǎn)換頻繁；二是復(fù)雜天氣降水現(xiàn)象頻繁轉(zhuǎn)換；三是自動觀測冰雹現(xiàn)象記錄較多。

表1 2018年8月—2019年7月4個國家氣象觀測站平行觀測期間觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性統(tǒng)計 %

3.2 數(shù)據(jù)空報率分析

如表1所示，4個國家氣象觀測站的白天空報率在10%以上，夜間均低于10%，空報率白天大于夜間?？請舐瘦^多的原因：一是自動觀測降水質(zhì)控參數(shù)設(shè)置比較寬泛，在有效捕獲實際降水的同時也產(chǎn)生了大量的無效降水?dāng)?shù)據(jù)；二是降水現(xiàn)象儀較靈敏，需要定期清潔維護[5]，否則容易將灰塵雜質(zhì)誤報成降水；三是人為觀測習(xí)慣導(dǎo)致微量降水無法觀測，受主觀因素影響忽視某些持續(xù)時間短的降水天氣；四是由于大霧或者濕度較大等天氣現(xiàn)象影響產(chǎn)生一些毛毛雨天氣，人工觀測記錄時會忽略，自動降水現(xiàn)象儀卻會進行記錄。

3.3 人工和自動觀測降水?dāng)?shù)據(jù)對比

平行觀測期間，人工觀測和自動觀測的特點有明顯不同，一是自動觀測降水現(xiàn)象時間頻繁切換，人工觀測時間容易忽略短時間的降水中斷；二是自動觀測降水相態(tài)變化較多，而人工觀測只有雨一種天氣現(xiàn)象；三是自動觀測儀器易受外部環(huán)境影響產(chǎn)生非正常降水，人工沒有觀測到降水現(xiàn)象，可能是對斷斷續(xù)續(xù)微量降水的忽略；四是自動觀測降水容易出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象誤判[6]，冰雹的判別受降水強度、粒徑速度、風(fēng)速等多種氣象要素影響，外部環(huán)境的較大雜質(zhì)也會導(dǎo)致誤判，所以需要對冰雹算法進一步細化。

4 結(jié)束語

文章對清河、廣宗、內(nèi)丘、臨西4個國家氣象觀測站在人工和自動觀測降水平行觀測期間1 a的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，DSG4型降水現(xiàn)象儀自動采集降水現(xiàn)象與人工觀測降水記錄基本一致，符合自動化需求，為降水現(xiàn)象儀單軌運行打下基礎(chǔ)。但是為了進一步提高設(shè)備數(shù)據(jù)可用率，提出以下建議：

1)自動觀測降水現(xiàn)象儀空報次數(shù)較多，出現(xiàn)大量無效數(shù)據(jù)。自2020-04-01全國地面氣象觀測實現(xiàn)自動化以后，無效數(shù)據(jù)均會直接上傳至氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)，再由省局查詢質(zhì)疑到縣局，增加了省局和縣局人員的工作量，需要進一步細化降水現(xiàn)象儀的內(nèi)部算法。

2)降水現(xiàn)象儀在自動觀測降水時易出現(xiàn)時間和相態(tài)的頻繁切換，在業(yè)務(wù)規(guī)定中對降水起止時間在15 min或以內(nèi)，應(yīng)作為1次記載。降水相態(tài)的不斷變化，在夜間盡量以自動觀測為主，白天可以人工進行訂正。

3)降水現(xiàn)象儀自動觀測降水容易出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象誤判，主要是冰雹的判別受降水強度、粒徑速度、風(fēng)速等多種氣象要素影響，外部環(huán)境的較大雜質(zhì)也會導(dǎo)致誤判，所以需要對冰雹算法進一步細化。