摘 要：降水現(xiàn)象儀是地面自動化觀測的重要組成部分，保證其穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的準確性至關(guān)重要。結(jié)合實際對DSG1型降水現(xiàn)象儀業(yè)務(wù)運行常見故障、期間核查進行了分析與總結(jié)，并提出了易操作的故障診斷和數(shù)據(jù)質(zhì)量核查方法，供臺站業(yè)務(wù)人員參考。

關(guān)鍵詞：降水現(xiàn)象儀；故障診斷；期間核查

中圖分類號：P414.9 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

0 引言

降水現(xiàn)象是指從天空降下固態(tài)、液態(tài)、混合態(tài)降水的天氣現(xiàn)象。在氣象觀測業(yè)務(wù)中，對降水類型和時間的觀測一般以降水現(xiàn)象儀自動觀測為主、人工觀測訂正為輔。降水現(xiàn)象儀可實現(xiàn)對毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹5種降水現(xiàn)象的全天候自動觀測與識別，避免了以往人工觀測的主觀性，提升了降水觀測資料的及時性和準確性[1]。在降水現(xiàn)象儀業(yè)務(wù)運行過程中，部分臺站出現(xiàn)了因故障造成數(shù)據(jù)中斷、偏差等現(xiàn)象。以新疆伊犁本地10個氣象臺站布設(shè)的DSG1型降水現(xiàn)象儀為例，結(jié)合實際經(jīng)驗，分析與總結(jié)了對業(yè)務(wù)運行中常見故障的檢修和期間核查方法，供臺站參考。

1 結(jié)構(gòu)與原理

DSG1型降水現(xiàn)象儀由雨滴譜傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電和通信單元組成（圖1）。供電單元負責提供設(shè)備運行12 V直流電源和傳感器24 V加熱電源。雨滴譜傳感器基于激光衰減原理設(shè)計，通過采樣區(qū)測量降水粒子的下落速度和尺寸，獲取雨滴譜信息以識別降水現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測雨滴譜傳感器的工作狀態(tài)，從傳感器獲取雨滴譜數(shù)據(jù)和降水類型，經(jīng)過算法處理后存儲數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷健Ｍㄐ艈卧獙?shù)據(jù)信號進行光電轉(zhuǎn)換，傳輸至串口服務(wù)器對應(yīng)PORT口，與自動氣象站、日照等設(shè)備數(shù)據(jù)匯總傳輸至終端計算機[2]。

2 故障診斷流程

造成降水現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)缺測或偏差等問題的因素有許多，當發(fā)現(xiàn)終端計算機ISOS軟件降水現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)異常時，在出現(xiàn)降水天氣過程時，應(yīng)切換備份站降水現(xiàn)象儀，并進行人工觀測訂正，在無降水天氣過程時檢查、刪除異常數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進行檢修、現(xiàn)場核查。

2.1 降水現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)缺測處理

2.1.1 故障現(xiàn)象及其成因

故障現(xiàn)象為ISOS軟件首頁數(shù)據(jù)采集時間停止更新、查詢分鐘數(shù)據(jù)顯示降水現(xiàn)象類型為缺測。原因可能是設(shè)備故障、供電故障、軟件參數(shù)錯誤或通信線纜斷路、短路等。

2.1.2 檢修步驟

第一，檢查ISOS軟件掛接的其他設(shè)備是否采集正常，若其他設(shè)備同步異常，考慮串口服務(wù)器至室內(nèi)終端機通信故障。使用筆記本電腦在終端機網(wǎng)口、室內(nèi)光纖盒端分別PING串口服務(wù)器IP，同步檢查各通信設(shè)備供電和狀態(tài)燈是否正常，確定故障點。

第二，若其他設(shè)備另有1個采集異常，考慮串口服務(wù)器通信堵塞故障，重啟串口服務(wù)器、觀測設(shè)備或取消掛接某一設(shè)備，觀察數(shù)據(jù)是否恢復。

第三，若ISOS軟件只有降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)缺測，先檢查設(shè)備是否正常掛接，對應(yīng)串口通信參數(shù)是否為9600、8、N、1，COM口是否對應(yīng)串口服務(wù)器NPORT中的PORT口。

第四，如果參數(shù)正常，則在ISOS軟件維護終端發(fā)送TIME或READDATA命令，如果TIME或READDATA

命令有返回值，檢查采集器返回值時間是否與ISOS軟件時間一致，若不一致需采用TIME、DATE命令校正采集器時間。同時，檢查READDATA命令狀態(tài)返回值SA參數(shù)是否為污染（狀態(tài)碼6、7、8分別對應(yīng)輕度、中度、重度污染），若為污染，需要清潔傳感器激光保護鏡片、清理影響光路的障礙物。如果狀態(tài)返回參數(shù)量偏少且無SA等雨滴譜參數(shù)值，考慮雨滴譜傳感器故障或RS485通信線斷路短路。直接跳轉(zhuǎn)至第七步繼續(xù)排查。

第五，若在ISOS軟件維護終端發(fā)送TIME或RE-

ADDATA命令無返回值，考慮故障點在降水現(xiàn)象儀采集器至串口服務(wù)器端。去現(xiàn)場進行供電和通信檢查，使用萬用表測量降水現(xiàn)象儀供電箱內(nèi)交流輸入電壓是否為220 V，開關(guān)電源直流輸出電壓、蓄電池、采集器、降水現(xiàn)象儀供電箱內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊和綜合硬件控制箱內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊供電電壓是否高于12 V，狀態(tài)指示燈是否正常閃爍，如果其中某個組件供電或狀態(tài)燈異常，均會影響數(shù)據(jù)傳輸鏈路，造成數(shù)據(jù)缺測，需要檢查供電線纜或更換備件測試。

第六，如果各組件供電和狀態(tài)正常，則繼續(xù)排查通信線路。檢查采集器RUN指示燈是否正常秒閃，使用筆記本電腦、串口調(diào)試線連接采集器，打開SSCOM串口調(diào)試軟件發(fā)送READDATA命令讀取數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)正常，考慮光電轉(zhuǎn)換模塊或光纖、RS232通信線纜故障，檢查采集器與光電轉(zhuǎn)換模塊的RS232連接線、降水現(xiàn)象儀供電箱至綜合硬件控制箱的光電轉(zhuǎn)換模塊光纖通信線纜連接是否可靠、收發(fā)端是否交叉連接，使用替換法外接備件測試（圖2）。若SSCOM串口調(diào)試軟件采集器無返回值，可以確定是采集器故障，重啟或更換采集器測試。

如果采集器狀態(tài)返回參數(shù)量偏少且無SA等雨滴譜參數(shù)值，考慮是雨滴譜傳感器故障或RS485通信線斷路短路。斷電使用萬用表檢查RS485通信線纜在接線端子、信號防雷器和航空頭端是否存在斷路、短路現(xiàn)象。若線纜連接均正常，上電打開傳感器底部側(cè)面主板機蓋，在雨滴譜傳感器收發(fā)端采樣區(qū)使用螺絲刀上下擺動，模擬降水下落，觀察主板狀態(tài)指示燈運行情況是否正常。

如圖2所示，A為RS485通信指示燈、B為USB通信指示燈、C為傳感器故障指示燈、D為粒子通過采樣光區(qū)指示燈。在正常情況下，A燈在與采集器通信的時刻亮起，其他時刻處于熄滅狀態(tài)；B燈無USB連接為長滅狀態(tài)；C燈為熄滅狀態(tài)；當有粒子通過時，D燈為閃爍狀態(tài)。在異常情況下，A燈為閃爍或長滅，C燈為閃爍狀態(tài)，當有粒子通過時，D燈為熄滅狀態(tài)。使用筆記本電腦、串口調(diào)試線和RS485轉(zhuǎn)RS232模塊連接雨滴譜傳感器進行測試驗證，檢查通信參數(shù)19200、8、N、1能否正常連接傳感器，檢查上電信息是否包括“power test failed ”，模擬數(shù)據(jù)能否正常讀取、有無亂碼現(xiàn)象。若狀態(tài)燈或參數(shù)值異常，需要返廠維修、更換備份站雨滴譜傳感器。

2.2 降水類型錯誤

2.2.1 故障現(xiàn)象及其原因

故障現(xiàn)象為觀測的降水類型與實際人工觀測差異較大、降水起止時間與降水量觀測數(shù)據(jù)矛盾，有錯報/誤報、漏報等情況，不能通過質(zhì)量控制檢驗?？赡茉驗槭苤車h(huán)境因素影響、設(shè)備局限性和算法測量性能下降。

2.2.2 檢修步驟

第一，周圍環(huán)境因素的影響。在ISOS軟件維護終端發(fā)送READDATA命令，檢查SA參數(shù)返回值是否為污染，若為污染，則需要清潔雨滴譜傳感器發(fā)射和接收端激光保護鏡片；現(xiàn)場檢查周圍環(huán)境是否有干擾設(shè)備測量光路的污染源，清理影響光路的障礙物。

第二，設(shè)備局限性。檢查鏡頭是否錯位（北發(fā)南收，發(fā)射和接收應(yīng)成一條直線）、防濺護罩是否堵塞（降水粒子在堵塞的防濺護罩上會反彈落入采樣區(qū)，干擾測量計算）。同時，部分情況下，受小雨滴對光強的散射較弱、算法的影響，降水現(xiàn)象儀無法識別隨風舞動的小雨造成漏報（風影響降落速度）；在強對流天氣下，強風導致雨粒子受到外力影響，其下落速度發(fā)生改變，造成采集計算偏差，這些都與人工觀測存在較大的差異。

第三，算法測量性能下降。雨滴譜傳感器對降水粒子的速度、直徑測量出現(xiàn)偏差，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要通過雨滴譜校準儀進行期間核查進行判斷。

3 期間核查

3.1 核查裝置及原理

當前，使用北京華創(chuàng)維想科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PCL32雨滴譜校準儀進行期間核查，該設(shè)備由雨滴譜模擬器、采集控制單元和標校軟件組成。

雨滴譜模擬器透明亞克力轉(zhuǎn)盤上放置了不同直徑大小的粒子標記，電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，使粒子標記具有可設(shè)定的運行速度，使得測試裝置具有模擬降水粒子速度和直徑的功能。模擬器出廠根據(jù)毛毛雨、雨、冰雹3種天氣現(xiàn)象的臨界點，設(shè)置選擇直徑4.3、9.5、

21 mm和速度2、7、12 m/s等3個測試點進行核查實驗，與降水現(xiàn)象儀測得的粒子下落速度和直徑進行對比，從而核查傳感器的性能（圖3）。

3.2 核查流程

3.2.1 標準器溯源

按照觀測司關(guān)于印發(fā)《降水現(xiàn)象計量業(yè)務(wù)管理暫行規(guī)定》的函（氣測函〔2019〕17號），為確保標準器粒子下降速度和粒子標記直徑尺寸的準確度，標準器需要以2年為周期，送至國家氣象計量站降水現(xiàn)象計量檢測實驗室（合肥）進行溯源。臺站投入業(yè)務(wù)運行的降水現(xiàn)象儀在第一次使用45 d后、90 d內(nèi)現(xiàn)場核查1次；之后每年現(xiàn)場核查1次；每次維修儀器之后都應(yīng)做現(xiàn)場核查。

3.2.2 現(xiàn)場操作

對降水現(xiàn)象儀的核查工作應(yīng)選擇在晴朗天氣、能見度大于10 km、氣溫10～30 ℃、風速不超過5 m/s、相對濕度不超過80%的環(huán)境下進行。具體流程如下：

第一，在ISOS軟件填寫維護單，將降水現(xiàn)象儀設(shè)置為維護狀態(tài)。

第二，現(xiàn)場用水平儀測量傳感器是否水平，檢查降水現(xiàn)象儀的外觀，用專用清潔布擦拭傳感器的收發(fā)鏡頭，保證采樣區(qū)光路暢通。

第三，斷開雨滴譜傳感器與采集器的RS485通信線連接，使用筆記本電腦、USB轉(zhuǎn)RS232串口線、RS232轉(zhuǎn)RS485模塊直連傳感器，通過SSCOM串口調(diào)試軟件，設(shè)置通信參數(shù)為19200、8、N、1，勾選發(fā)送新行，發(fā)送CS/C/R/9600命令，將傳感器波特率改為9600，設(shè)置成功后返回“OK”。

第四，斷開雨滴譜傳感器在降水現(xiàn)象儀供電箱內(nèi)的供電線纜，使用核查裝置中的專用線纜連接雨滴譜傳感器，另一端插入雨滴譜校準儀采集控制單元的“便攜DSG4 Parsivel輸入”端口，筆記本電腦的USB轉(zhuǎn)RS232串口線插入采集控制單元的“便攜DSG4 RS232輸出”端口。采集控制單元引入220 V交流供電，上電后，將SSCOM串口調(diào)試軟件波特率改為9600連接傳感器，發(fā)送PARSIVELSET命令，完成雨滴譜傳感器參數(shù)復位，設(shè)置成功后返回3個“OK”、1個“T”。

第五，關(guān)閉串口調(diào)試軟件，拔下插入采集控制單元“便攜DSG4 Parsivel輸入”端口的線纜，插入“Parsivel傳感器輸入”端口，拔下USB轉(zhuǎn)RS232串口線，插入“校準儀RS232輸出”端口。

第六，將雨滴譜模擬器安裝至降水現(xiàn)象儀上，雨滴譜模擬器石英轉(zhuǎn)盤端朝向發(fā)射端（北側(cè)），雨滴譜模擬器轉(zhuǎn)盤電機端對準接收端（南側(cè)）。雨滴譜模擬器數(shù)據(jù)線纜航空頭插入采集控制單元的“滴譜模擬器輸入”端口，用轉(zhuǎn)速表控制顯示器撥至RUN端。

第七，打開PCL校準軟件，點擊“配置”按鈕，“標校信息配置”中波特率設(shè)置為“9600”，模式選擇“標校模式”；在“靜態(tài)信息配置”中輸入當前溫、壓、濕核查環(huán)境和標準器、被核查設(shè)備信息，“保存配置”并返回首頁。

第八，當設(shè)備連接正常，軟件首頁顯示設(shè)備在線時，即可開始核查實驗。點擊首頁“開始”按鈕，雨滴譜模擬器開始按照軟件設(shè)置的直徑和速度組合模擬降水現(xiàn)象，采集控制單元實時讀取雨滴譜傳感器測量的降水模擬數(shù)據(jù)，10 min左右完成核查實驗，并輸出規(guī)范要求的降水現(xiàn)象儀核查報告。

第九，筆記本電腦通過USB轉(zhuǎn)RS232串口線、RS232轉(zhuǎn)RS485模塊直連雨滴譜傳感器，串口調(diào)試軟件波特率設(shè)置為9600，發(fā)送CS/F/1命令，將雨滴譜傳感器恢復至原有模式，設(shè)置成功后返回“OK”?；謴陀甑巫V傳感器至采集器接線，ISOS軟件停止降水現(xiàn)象儀維護狀態(tài)，核查結(jié)束。

3.3 核查結(jié)論

降水粒子直徑穩(wěn)定性測量誤差計算公式為?=’-，其中，?為降水粒子直徑輸出通道穩(wěn)定性誤差；’為被測降水現(xiàn)象儀本次測試輸出的通道號；為被測降水現(xiàn)象儀第一次測試輸出的通道號。若|?|≤2，則判定被核查降水現(xiàn)象儀合格，否則應(yīng)維修或送國家氣象計量站降水現(xiàn)象計量檢測實驗室進行校準。

降水粒子速度穩(wěn)定性測量誤差計算公式為?=’-，其中，?為降水粒子直徑輸出通道穩(wěn)定性誤差；’為被測降水現(xiàn)象儀本次測試輸出的通道號；為被測降水現(xiàn)象儀第一次測試輸出的通道號。若|?|≤2，則判定被核查降水現(xiàn)象儀合格，否則應(yīng)維修或送國家氣象計量站降水現(xiàn)象計量檢測實驗室進行校準。

4 結(jié)束語

隨著氣象觀測由人工向自動化全面推進，儀器運行質(zhì)量控制和故障診斷成為臺站業(yè)務(wù)人員面臨的新挑戰(zhàn)。根據(jù)DSG1型降水現(xiàn)象儀業(yè)務(wù)運行情況和實際維修、核查經(jīng)驗進行總結(jié)分析，旨在創(chuàng)新臺站業(yè)務(wù)人員對自動化氣象觀測設(shè)備故障診斷思維，提高裝備保障業(yè)務(wù)能力，確保觀測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性和準確性。

參考文獻

[1] 中國氣象局.地面氣象自動觀測規(guī)范[M].第一版.北京：氣象出版社，2019.

[2] 高清泉，紀詩璇，沈芳，等.DSG4型降水現(xiàn)象儀現(xiàn)場核查方法與應(yīng)用實例[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2022（1）：53-56.