張遠(yuǎn)洪,黃 菁,古書鴻,袁 穎,張強(qiáng)宜,黃美霞

(1.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563002；2.貴州省綏陽縣氣象局，貴州 綏陽 563300；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽 550002)

0 引言

遵義市冬季易出現(xiàn)雨凇、降雪等天氣現(xiàn)象。稱重式降水傳感器的安裝使用極大提高了冬季降水觀測的連續(xù)性和時效性，為冬季氣象服提供及時的觀測資料，同時大大減輕了地面氣象觀測人員的工作量[1-4]。2020年10月遵義市國家級地面氣象觀測站均安裝使用了雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)。本文基于遵義市12個國家級氣象觀測站2020年12月—2021年3月DSC1稱重式降水傳感器和雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)采集的液態(tài)降水量數(shù)據(jù)，對降雨總量、不同量級降雨量、分鐘捕獲有效降雨量的次數(shù)、感應(yīng)時間等進(jìn)行對比分析，考察2種儀器采集液態(tài)降水?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性方面的差異，找出差異產(chǎn)生的原因，提出建議。

1 概述

1.1 DSC1稱重式降水傳感器觀測簡介

DSC1稱重式降水傳感器主要由承水口、外殼、內(nèi)筒、載荷元件及處理單元、底座組件和防風(fēng)圈等部件組成。

工作原理：通過對質(zhì)量變化的快速響應(yīng)測量降水量。載荷元件對重量變化快速響應(yīng)，把降水引起的重量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，信號變換電路將載荷元件測得的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過溫度修正處理得到重量數(shù)據(jù)；稱重單元通過溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波等技術(shù)達(dá)到全量程范圍內(nèi)的降水準(zhǔn)確測量；處理單元對稱重單元的信號進(jìn)行采樣，并對采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，計算出分鐘降水量和累計降水量。其原理如圖1所示[5]。

圖1 稱重式降水傳感器原理Fig.1 Schematic diagram of weighing precipitation sensor

1.2 降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)觀測簡介

在2020年10月遵義市國家級地面氣象觀測站均安裝使用了降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)。降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)包括：3個翻斗式雨量傳感器、降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器、通信接口和外圍設(shè)備等，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2[5]。

圖2 降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of hardware structure of precipitation multi-sensor standard control system

降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器工作原理：降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)由降水標(biāo)準(zhǔn)控制器、3個翻斗雨量傳感器等組成。降水融合控制器采集3個翻斗雨量傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化算法確定實(shí)時降水量值，即雙翻斗式雨量標(biāo)準(zhǔn)值，將實(shí)時降水量值、各傳感器降水量采集值以及設(shè)備工作狀態(tài)通過CAN總線發(fā)送到主采集器[5]。

數(shù)據(jù)采集方式：降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器選取雙翻斗式雨量傳感器I的測量結(jié)果作為業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，雙翻斗式雨量傳感器II和雙翻斗式雨量傳感器III的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源。在整點(diǎn)將3個傳感器的小時累積降水量測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，若超出閾值±0.4mm(≤10mm)或±4%(>10mm)，輸出相應(yīng)狀態(tài)碼，觀測業(yè)務(wù)軟件(ISOS)端可實(shí)現(xiàn)自動報警，并提示需要檢查異常雨量傳感器。若現(xiàn)用雨量數(shù)據(jù)源異?；虺鲩撝?，標(biāo)準(zhǔn)控制器可自動切換至下一個狀態(tài)正常的雨量數(shù)據(jù)源，在整點(diǎn)完成翻斗式雨量傳感器I、II、III依次切換，整點(diǎn)前保持原有雨量傳感器分鐘級數(shù)據(jù)序列，分鐘數(shù)據(jù)和小時數(shù)據(jù)正常傳輸，整點(diǎn)后1min啟用切換后的翻斗式雨量傳感器分鐘和小時數(shù)據(jù)作為傳輸值；若標(biāo)準(zhǔn)值缺測，或3個雨量傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測。業(yè)務(wù)軟件讀取標(biāo)準(zhǔn)控制器傳輸值作為翻斗式雨量上傳數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1 資料來源和可靠性

資料選用遵義市湄潭、桐梓、道真、務(wù)川、鳳岡、正安、仁懷、習(xí)水、余慶、匯川、播州、綏陽等12個國家級地面氣象觀測站2020年12月—2021年3月DSC1稱重式降水傳感器和雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)采集的液態(tài)降水量數(shù)據(jù)。選取樣本的標(biāo)準(zhǔn)為分鐘降雨量≥0.1 mm的分鐘數(shù)據(jù)，剔除因儀器故障導(dǎo)致的降雨量缺測部分。

相關(guān)概念：①統(tǒng)計時段：2020年12月1日—2021年3月31日;②雨量差值=雙翻斗式雨量標(biāo)準(zhǔn)值-稱重式降水傳感器觀測值。

2.2 總雨量的差異分析

從表1可知，降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器與稱重式觀測總雨量的相對差值除57710站偏少外，其余11站均偏多。其中57722站相對差值(33.7%)和57729站相對差值(35.7%)的嚴(yán)重偏大，其余10個站的在-2.3%～16%之間，平均相對差值為11.0%。

2.3 各站降水量級的差異分析

為了比較不同降水強(qiáng)度情況下的差值分析，將過程降水量劃分為小雨(0.1～9.9mm)、中雨(10.0～24.9mm)、大雨及以上(≥25mm)3種。由于分析時段只有2站出現(xiàn)大雨及以上過程降水。故分別統(tǒng)計12站過程降雨量為小雨量級和中雨量級的降水量總量、降水次數(shù)，求得雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器過程平均雨量和稱重式過程平均雨量，再統(tǒng)計2種儀器平均降雨量的差值，如表2和表3。

表1 遵義市12站降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器與稱重式觀測總雨量對比統(tǒng)計表Tab.1 Comparison between the standard controller of multi-sensor precipitation and the total rainfall observed by weighing method at 12 stations in Zunyi City

從表2可知，12個站小雨過程雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器和稱重式平均差值均在-0.2～1.8 mm。除57722站和57729站偏得較多外，其余10個站平均差值在-0.2～0.4 mm，偏差范圍在業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定性能要求范圍內(nèi)，符合10 mm及以下降水過程測量誤差為±0.4 mm。

從表3可知，12個站中雨過程雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器和稱重式平均差值均在-0.5～8.0 mm，相對差值-2.8%～43.2%。根據(jù)業(yè)務(wù)技術(shù)性能要求，10 mm以上降水過程測量誤差為±4%。12個站中除57710站和57720站小于4%外，其他站均大于4%?？梢娭杏赀^程中有10個站2種儀器的觀測差值不符合業(yè)務(wù)技術(shù)業(yè)務(wù)技術(shù)性能要求。

2.4 分鐘捕獲有效降水量≥0.1mm的次數(shù)對比分析

從表4顯示，稱重式降水傳感器觀測的分鐘降水≥0.1mm次數(shù)與降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器的分鐘降水≥0.1mm的次數(shù)除57710站偏多外，其余11站均偏少。其中57722站和57729站嚴(yán)重偏少，其余10站在-2.1%～13.5%之間，平均偏差為8.7%。

表2 各站小雨過程雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器和稱重式平均降雨量差值統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of average rainfall difference value of double tipping bucket precipitation multi-sensor standard controller and weighing type during light rain process at each station

表3 各站中雨過程雙翻斗降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器和稱重式平均降雨量差值統(tǒng)計表 Tab.3 Statistical table of average rainfall difference of double tipping bucket precipitation with multi-sensor standard controller and weighing type during moderate rain process at each station

2.5 感應(yīng)降水時間的分析

通過對12個站的2種儀器每次過程降水感應(yīng)時間進(jìn)行對比分析，出現(xiàn)液態(tài)降水時存在感應(yīng)時間的滯后性，平均滯后間時為5 min，最長達(dá)10 min左右。以仁懷站3月20—21日為例進(jìn)行對比，平均滯后間時為5 min，最長的達(dá)8 min左右,最短為1 min，感應(yīng)時間一致的僅1次(表略)。

2.6 分析結(jié)果

通過對降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)分鐘降水標(biāo)準(zhǔn)值和DSC1稱重式觀測分鐘降水量的降雨總量、不同量級降雨量、分鐘捕獲有效降雨量的次數(shù)、感應(yīng)時間等對比分析發(fā)現(xiàn)：

①稱重式降水傳感器觀測的總雨量偏少，平均偏差為11%。

②稱重式降水傳感器觀測的小雨過程雨量差值除57722站和57729站偏大外，其余站2種儀器的一致性較好；中雨過程雨量差值除57710站和57720站小于4%外，其余10個站2種儀器的觀測差值不符合業(yè)務(wù)技術(shù)業(yè)務(wù)技術(shù)性能要求。

③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數(shù)要偏少，平均偏差為8.7%。

④稱重式對≥0.1 mm的降水感應(yīng)時間存在滯后性，平均滯后間時為5 min，最長的要達(dá)10 min左右。

表4 降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器與稱重式分鐘捕獲有效降水量分鐘降水≥0.1mm次數(shù)的統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of the number of times of precipitation ≥0.1mm in minutes captured by precipitation multi-sensor standard controller and weighing mode

3 數(shù)據(jù)差異的原因分析

由于2種儀器的結(jié)構(gòu)和觀測原理不同，觀測數(shù)據(jù)存在差異是正常的。對于DSC1稱重式降水傳感器觀測值小于降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)觀測值、感應(yīng)時間的滯后性等的原因，也有儀器自身差異，也有儀器維護(hù)的差別[6]。

① 2種儀器的觀測原理和性能不同，還有安裝高度不同，雙翻斗雨量傳感器器口高度為70 cm，DSC1稱重式降水傳感器器口高度為150 cm，降水?dāng)?shù)據(jù)可能存在差異。

②臺站人工維護(hù)存在差異。經(jīng)過調(diào)查差異較大的57722站和57729站，是因為未按照文獻(xiàn)[5]開展稱重式降水傳感器維護(hù)，特別是降水過程較大的時段，未進(jìn)行排水，內(nèi)筒的水已滿，后面降水溢出，無法感應(yīng)后面出現(xiàn)的降水量，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)異差異較大。

③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數(shù)偏少，原因大致有2個：相關(guān)線路出現(xiàn)松動導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定；傳感器靈敏度難以對降雨進(jìn)行有效的識別。

④稱重式對≥0.1 mm的降水感應(yīng)時間存在滯后性，是因為未按照文獻(xiàn)[5]對稱重式降水傳感器的現(xiàn)場開展復(fù)核和測試工作，無法了解稱重式降水傳感器設(shè)備的性能是否運(yùn)行良好，準(zhǔn)確性、靈敏度是否發(fā)生變化。

4 做好稱重式降水傳感器的維護(hù)

4.1 做好使用前的維護(hù)調(diào)試工作

在每年12月1日啟用稱重式降水傳感器前，應(yīng)選擇晴好天氣，先斷開稱重式降水傳感器電源，拔下數(shù)據(jù)線，對儀器進(jìn)行清潔維護(hù)，添加相應(yīng)配比的防凍液和抑制蒸發(fā)油，再接上數(shù)據(jù)線和電源線。并使用雨量標(biāo)準(zhǔn)器對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試方法如下：

先將數(shù)據(jù)線拔下，將其與雨量校準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)線相接，并將雨量校準(zhǔn)器清零；用量杯量取10 mm水，緩慢倒入內(nèi)筒，模擬雨強(qiáng)2～4 mm/min。每次現(xiàn)場測試重復(fù)進(jìn)行3次，并分別計算誤差[5]。

4.2 做好使用期間的維護(hù)工作

臺站業(yè)務(wù)值班人員必須定期嚴(yán)格依據(jù)文獻(xiàn)[5]規(guī)定，對場地、設(shè)備、電源供電等進(jìn)行巡視檢查。①每天定時對儀器進(jìn)行清潔工作，及時清除口沿外的各種雜物，如沙塵、樹葉、積雪等。若積雪將盛水口沿完全覆蓋，需把積雪清除掉。②每天對供電狀況和內(nèi)筒內(nèi)液面的高度進(jìn)行檢查。③如果連續(xù)降雨，容易導(dǎo)致降水量過大，進(jìn)而超出稱重式降水傳感器的量程范圍。必須及時進(jìn)行排水處理，降雨過程結(jié)束后要立即做好檢查工作，避免溢出情況發(fā)生。④每個月都要定期對防雷接地情況進(jìn)行檢查。⑤對降水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷分析，若出現(xiàn)疑問，則需要現(xiàn)場進(jìn)行測試。

4.3 做好停用后的維護(hù)

在每年的4月1日停用稱重式降水傳感器，應(yīng)全面進(jìn)行清潔維護(hù)，清空容器內(nèi)液體，將桶口加蓋。

5 結(jié)束語

通過對DSC1稱重式與降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：①稱重式降水傳感器觀測的累計雨量普遍偏少；②稱重式降水傳感器與降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)的小雨過程雨量差值2種儀器一致性較好；中雨過程雨量差值有10個站不符合業(yè)務(wù)技術(shù)業(yè)務(wù)技術(shù)性能要求；③稱重式降水傳感器分鐘捕獲有效降水量≥0.1 mm的次數(shù)偏少；④稱重式對≥0.1 mm的降水感應(yīng)時間存在滯后性。存在這些差異的主要原因是稱重式降水傳感器在使用過程中維護(hù)不到位。為了提高DSC1稱重式降水傳感器觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需按照規(guī)定認(rèn)真開展DSC1稱重式降水傳感器日常維護(hù)及核查工作。同時，建議國家級地面氣象觀測站以降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器為主觀測降雨量，如果溫度低于0 ℃出現(xiàn)雨凇或固態(tài)降水天氣時，應(yīng)及時啟用稱重式降水傳感器觀測降水。