雙鴨山國(guó)家氣象站DSG5自動(dòng)降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料評(píng)估分析

王榮 呂軍 周子強(qiáng) 逯瑩

摘要 通過(guò)對(duì)雙鴨山國(guó)家氣象站2018年01月—2019年12月自動(dòng)降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料與人工降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者存在差異，并對(duì)造成這種差異的原因進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)DSG5自動(dòng)降水天氣現(xiàn)象儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析，為雙鴨山國(guó)家站DSG5自動(dòng)降水天氣現(xiàn)象儀正式業(yè)務(wù)化使用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 DSG5型降水現(xiàn)象儀;平行觀測(cè)數(shù)據(jù);統(tǒng)計(jì)分析;評(píng)估;建議

中圖分類號(hào)：P457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）01–0029–02

降水是氣象觀測(cè)的常規(guī)項(xiàng)目，它是表征天氣現(xiàn)象的一個(gè)物理量。降水現(xiàn)象是指云中液態(tài)、固態(tài)的或混合的水凝（凍）物從空中下落到地面上的一種天氣現(xiàn)象，是大氣水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，反映了地區(qū)大氣的動(dòng)力、熱力、水汽等多種要素，是對(duì)流層中最為活躍的天氣現(xiàn)象之一。降水信息中包含降水粒子特性、降水量、降水類型等參數(shù)，可以為天氣預(yù)報(bào)、交通道路運(yùn)輸、農(nóng)牧區(qū)干旱監(jiān)測(cè)等氣象服務(wù)提供精細(xì)化基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為人工影響天氣作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。因此，準(zhǔn)確的降水類型及降水量測(cè)量信息對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和氣象防災(zāi)減災(zāi)等有重要作用。自有氣象記錄以來(lái)，降水類天氣現(xiàn)象以人工觀測(cè)為主，臺(tái)站天氣現(xiàn)象觀測(cè)存在主觀性強(qiáng)、簡(jiǎn)單化、定性化等問(wèn)題。因觀測(cè)頻次少，不能連續(xù)、全面反映天氣現(xiàn)象。天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)時(shí)，地面目視和聽(tīng)覺(jué)觀測(cè)定量化、客觀化[1-2]。

1 人工觀測(cè)原理

降水的特征量主要包括降水量、降水強(qiáng)度、降水時(shí)數(shù)及時(shí)空分布等宏觀量和降水粒子大小、形狀、速度、譜分布等微觀量。傳統(tǒng)的地面氣象觀測(cè)主要通過(guò)人工觀測(cè)記錄降水起止時(shí)間，通過(guò)對(duì)降水云狀等基本氣象要素的觀測(cè)確定降水性質(zhì)，缺乏對(duì)降水粒子大小、形狀、速度、譜分布等微觀物理量的觀測(cè)。人工觀測(cè)要求觀測(cè)員隨時(shí)觀測(cè)和記錄出現(xiàn)在測(cè)站的天氣現(xiàn)象。夜間不守班的臺(tái)站對(duì)夜間天氣現(xiàn)象的判斷存在較大的人為誤差，應(yīng)盡量判斷準(zhǔn)確，并嚴(yán)格按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求進(jìn)行記錄[3]。

2 儀器觀測(cè)原理

DSG5型降水現(xiàn)象儀是一種采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)快速的數(shù)字化信號(hào)處理器獲取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)觀測(cè)和識(shí)別包括毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現(xiàn)象。它的工作原理是一個(gè)能夠發(fā)射平行光束的激光傳感器，通過(guò)測(cè)量降水粒徑和粒子下降速度推導(dǎo)出降水滴譜、降水類型、降水動(dòng)能、降水強(qiáng)度、雷達(dá)反射率等參數(shù)。降水類天氣現(xiàn)象要素可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和輸出;試驗(yàn)結(jié)果表明：降水強(qiáng)度大于0.1 mm/h的降水現(xiàn)象類型，識(shí)別準(zhǔn)確率不低于97%;雨、雪、冰雹相對(duì)人工觀測(cè)準(zhǔn)確率高于97%[4]。

3 數(shù)據(jù)處理方法

利用雙鴨山國(guó)家氣象站（以下簡(jiǎn)稱雙鴨山站）2018年1月—2019年12月地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)平行觀測(cè)期間降水現(xiàn)象自動(dòng)與人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。平行觀測(cè)期間雙鴨山站發(fā)生的降水現(xiàn)象主要有毛毛雨、雨、雨夾雪和雪。人工觀測(cè)數(shù)據(jù)采用20：00～08：00夜間觀測(cè)時(shí)段和08：00～20：00白天觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析;天氣現(xiàn)象自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)均通過(guò)ISOS軟件按業(yè)務(wù)要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。人工觀測(cè)到陣雨、陣雪、陣性雨夾雪，在評(píng)估時(shí)分別按雨、雪、雨夾雪處理。評(píng)估統(tǒng)計(jì)以人工觀測(cè)到的降水現(xiàn)象過(guò)程作為參考標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)兩段觀測(cè)數(shù)據(jù)的白天段與夜間段分開(kāi)統(tǒng)計(jì)缺測(cè)率、捕獲率、漏報(bào)率、錯(cuò)報(bào)率和空?qǐng)?bào)次數(shù)。

3.1 缺測(cè)率統(tǒng)計(jì)

以分鐘數(shù)據(jù)為評(píng)估分析單位，剔除停電等非儀器原因與維護(hù)造成的缺測(cè)記錄后，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性作缺測(cè)率評(píng)估。

缺測(cè)率=（觀測(cè)缺測(cè)次數(shù)/應(yīng)觀測(cè)總次數(shù)）×100%。

3.2 捕獲率統(tǒng)計(jì)

捕獲率以夜間捕獲率和白天捕獲率分別統(tǒng)計(jì)。

（1）夜間捕獲率：夜間段儀器準(zhǔn)確識(shí)別該降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程的次數(shù)（a），占人工夜間觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過(guò)程總次數(shù)（A）的百分比。

（2）白天捕獲率：白天段儀器準(zhǔn)確識(shí)別該降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程的次數(shù)（b），占人工白天觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過(guò)程總次數(shù)（B）的百分比。

（3）漏報(bào)率：人工白天段觀測(cè)到有某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程期間，儀器超過(guò)30%的時(shí)間未識(shí)別出任何降水現(xiàn)象過(guò)程的次數(shù)（c），占白天實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過(guò)程總數(shù)（B）的百分比。

（4）錯(cuò)報(bào)率：人工白天段觀測(cè)到某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程期間，儀器超過(guò)30%的時(shí)間錯(cuò)誤識(shí)別為其他降水現(xiàn)象過(guò)程的次數(shù)（d），占白天實(shí)際發(fā)生該降水現(xiàn)象過(guò)程總數(shù)（B）的百分比。

（5）空?qǐng)?bào)次數(shù)：人工白天段觀測(cè)無(wú)降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器識(shí)別有某種降水現(xiàn)象發(fā)生的總次數(shù)（e）。

計(jì)算公式如下：

夜間捕獲率（%）=a/A×100%;

白天捕獲率（%）=b/B×100%;

漏報(bào)率（%）=c/B×100%;

錯(cuò)報(bào)率（%）=d/B×100%;

空?qǐng)?bào)次數(shù)（次）=e。

公式中：

a—儀器夜間準(zhǔn)確識(shí)別某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程次數(shù);

A—人工夜間觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生某降水現(xiàn)象過(guò)程總數(shù);

b—儀器白天準(zhǔn)確識(shí)別某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程次數(shù);

B—人工白天觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生某降水現(xiàn)象過(guò)程總數(shù);

c—人工白天段觀測(cè)到有某降水現(xiàn)象發(fā)生，儀器超過(guò)30%時(shí)間未識(shí)別出任何降水現(xiàn)象過(guò)程的次數(shù);

d—人工白天段觀測(cè)到某降水現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程期間，儀器超過(guò)30%時(shí)間錯(cuò)誤識(shí)別為其他降水現(xiàn)象過(guò)程的次數(shù);

e—儀器觀測(cè)某降水現(xiàn)象對(duì)應(yīng)人工無(wú)降水現(xiàn)象的總次數(shù)[5]。

4 數(shù)據(jù)分析評(píng)估

4.1 數(shù)據(jù)完整性評(píng)估

以分鐘數(shù)據(jù)為評(píng)估分析單位，剔除停電等非儀器原因與維護(hù)造成的缺測(cè)記錄后，對(duì)各廠家評(píng)估期間的儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性作缺測(cè)率評(píng)估。

缺測(cè)率=（觀測(cè)缺測(cè)次數(shù)/應(yīng)觀測(cè)總次數(shù)）×100%。

通過(guò)對(duì)2018年1月—2019年12月降水現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)分鐘數(shù)據(jù)文件、降水現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)整編文件、逐月A文件進(jìn)行對(duì)比分析，雙鴨山站平行觀測(cè)兩年缺測(cè)率為0.1%，數(shù)據(jù)完整可用。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評(píng)估

檢驗(yàn)評(píng)估期間，1次人工觀測(cè)某降水現(xiàn)象過(guò)程時(shí)段內(nèi)（白天段或夜間段），儀器能夠同步識(shí)別至少1 min該降水現(xiàn)象，視為準(zhǔn)確識(shí)別1次降水過(guò)程。各降水現(xiàn)象夜間段只統(tǒng)計(jì)捕獲率，白天段統(tǒng)計(jì)捕獲率、漏報(bào)率、錯(cuò)報(bào)率和空?qǐng)?bào)次數(shù)。

雙鴨山站毛毛雨夜間捕獲率0%，白天捕獲率100%。這是因?yàn)镈SG5型降水現(xiàn)象儀反應(yīng)靈敏，連續(xù)降水期間的小雨強(qiáng)的降水粒子容易被識(shí)別為毛毛雨，夜間不守班人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為0，因此夜間捕獲率為0;鑒于人工觀測(cè)的局限性，雨夾雪觀測(cè)時(shí)間人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的差別較大，白天的捕獲率低是因?yàn)槭匕嗥陂g人工質(zhì)控的原因造成的;冰雹只出現(xiàn)一次，軟件未識(shí)別（表1～5）。

綜上所述，在不考慮降水態(tài)相和降水性質(zhì)的情況下，DSG5型降水現(xiàn)象儀捕獲率比較高，較人工觀測(cè)準(zhǔn)確率、可

信度更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬舒慶，吳可軍，陳冬冬，等.天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].氣象，2011，37（9）： 1166-1172.

[2] 杜波，馬舒慶，梁明珠，等.雨滴譜降水現(xiàn)象儀對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用分析[J].氣象科技，2017，45（6）：995-1001.

[3] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[4] 黃曉云，黃飛龍，翁靜嫻，等.廣州降水現(xiàn)象與人工觀測(cè)對(duì)比分析[J].廣東氣象，2019，41（2）：70-72.

[5] 降水現(xiàn)象儀觀測(cè)規(guī)范（試行）[M].北京：氣象出版社，2019.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Assessment and Analysis of Observation Data of DSG5

Automatic Precipitation

Phenomenon Instrument in Shuangyashan Observing

Station

WANG Rong et al （Shuangyashan Met-

eorological Bureau， Shuangyashan， Heilongjiang

155100）

Abstract Compares the observation data of automatic precipitation phenomenon instrument with the observation data of artificial observing precipitation phenomenon in Shuangyashan Observing Station from January 2018 to December 2019， finds and explains the reasons for the difference.The observing precipitation data DSG5 automatic phenomena instrument assesses the analysis， to provide scientific basis for official use of automatic precipitation phenomena instrument in Shuangyashan Observing Station.

Key words DSG5 Automatic precipitation phenomenon instrument; Parallel observation data; Statistical analysis; Assessment; Proposal