激光雪深觀測(cè)儀數(shù)據(jù)與人工測(cè)量雪深值的對(duì)比分析

楊 狄 楊振忠 陳利華

黑龍江省鶴崗市氣象局 黑龍江 鶴崗 154100

1 引言

1.1 研究的目的及意義 我國(guó)是世界上冰雪災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家之一，近年來(lái)，由于冰雪天氣導(dǎo)致的災(zāi)害已對(duì)我國(guó)人民生活、交通、電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害：2008年1-2月南方大部分地區(qū)持續(xù)發(fā)生冰凍雨雪災(zāi)害；2009年11-12月華北及西北地區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)降雪天氣過(guò)程；均造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。2012年11月黑龍江省鶴崗市發(fā)生了有氣象記錄(1955年)以來(lái)最大的特大暴雪天氣，過(guò)程雪量64.5毫米，最大積雪深度達(dá)53.3厘米，造成全市交通中斷，市區(qū)大面積斷電，部分地區(qū)供水、供暖也一度停止，中小學(xué)放假；共有360棟蔬菜大棚受損，25棟大棚壓塌，一些重要的水果、蔬菜批發(fā)市場(chǎng)的倉(cāng)庫(kù)也被壓塌，大量園林樹(shù)木折損。造成了十幾億元的經(jīng)濟(jì)損失，該事件也成為我國(guó)2012年國(guó)內(nèi)十大極端氣候事件之一。

1.2 雪深概念及人工測(cè)量現(xiàn)狀 雪深是從積雪表面到地面的垂直深度，以厘米(cm)為單位，取整數(shù)；早8時(shí)若觀測(cè)地段被雪(包括米雪、霰、冰粒)覆蓋時(shí)，需要觀測(cè)雪深，如果早8時(shí)沒(méi)有達(dá)到觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，之后因降雪達(dá)到觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要在14或20時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。觀測(cè)值存在地點(diǎn)的水平、量雪尺是否垂直，觀測(cè)員視力等主觀誤差。另外，由于每天觀測(cè)一次，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間太長(zhǎng)，容易漏掉雪深最大值，影響資料的代表性。

2 自動(dòng)雪深儀原理

國(guó)內(nèi)目前使用的自動(dòng)雪深儀，多采用超聲波測(cè)距或激光測(cè)距原理，利用發(fā)射的光波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量。自動(dòng)測(cè)量雪深在觀測(cè)速度、采樣密度等方面都優(yōu)于人工觀測(cè)，激光雪深儀因安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、占地面積小和價(jià)格相對(duì)較低等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。

激光雪深儀是利用發(fā)射的波束(光波)遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行距離差測(cè)量。采用相位法測(cè)距，用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線所需的時(shí)間。激光探頭傾斜安裝在支撐桿上，傾斜角(α)10°～30°，距離盲區(qū)約為10cm。

3 資料與方法

2012年在黑龍江省安裝了六個(gè)江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司的WUSH-SD型號(hào)的激光雪深儀。儀器分別安裝在三江平原以及平原向小興安嶺過(guò)渡帶的暴雪易發(fā)區(qū)：鶴崗市、蘿北縣、寶清縣、依蘭縣、佳木斯市、富錦市。由于安裝在依蘭的儀器出故障，沒(méi)有及時(shí)處理而造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；因此本文使用鶴崗市、蘿北縣、寶清縣、佳木斯市、富錦市5個(gè)站點(diǎn)的定時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，起止時(shí)間為2013年11月至2014年3月、2014年11月至2015年3月(該時(shí)段富錦和寶清站的雪深儀器可能因維護(hù)或其它問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，故剔除)，通過(guò)分析雪深自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)值的誤差，得出激光自動(dòng)雪深儀的使用效果。

4 對(duì)比數(shù)據(jù)分析

對(duì)比人工和自動(dòng)雪深儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異，主要是分析兩序列的誤差情況。從對(duì)比觀測(cè)的過(guò)程和結(jié)果來(lái)看，該設(shè)備基本能夠達(dá)到測(cè)量雪深數(shù)據(jù)的要求。由于只進(jìn)行了兩個(gè)冬季的對(duì)比觀測(cè)，并不能代表所有冬季的雪情，因而本文僅對(duì)試驗(yàn)期間的測(cè)量結(jié)果有效。

從圖1和圖2來(lái)看，2013年冬天各站的人工與自動(dòng)雪深值曲線比較一致，差異較小；2014年冬天蘿北和鶴崗站的人工與自動(dòng)雪深值曲線比較一致，差異較?。患涯舅拐镜娜斯づc自動(dòng)雪深值曲線在后春2月下旬到3月相差較大，因?yàn)闅鉁鼗嘏寡┟嫒诨刹缓芫鶆虻谋婊虮┗旌衔铮绊懥朔瓷鋾r(shí)間；若雪面化成水則采集不到數(shù)據(jù)。

4.1 誤差

4.1.1 對(duì)比差 對(duì)比差是雪深自動(dòng)儀與人工觀測(cè)值的差值A(chǔ)-P。參考雪深自動(dòng)儀定型時(shí)要求精度在2CM以內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)，確定對(duì)比差的平均值X≤2CM之內(nèi)為正常；其中寶清的X＝0，富錦-0.5，蘿北0.4，鶴崗-0.1，佳木斯1.9；均屬正常。從圖3中的趨勢(shì)線分析看，除鶴崗?fù)馄渌膫€(gè)站的對(duì)比差都是從冬到春呈上升趨勢(shì)；并且佳木斯、寶清和富錦的誤差都是從負(fù)數(shù)或零向正數(shù)轉(zhuǎn)變，即在后春時(shí)自動(dòng)觀測(cè)雪深值明顯大于人工觀測(cè)值。從圖4中的趨勢(shì)線來(lái)看，佳木斯站的自動(dòng)觀測(cè)值在春季明顯大于人工觀測(cè)值，建議可以按自動(dòng)值缺測(cè)處理。

圖1 2013年11月至2014年3月各站的人工與自動(dòng)雪深值

圖2 2014年11月至2015年3月各站的人工與自動(dòng)雪深值

圖3 2013年11月至2014年3月各站的人工與自動(dòng)雪深值對(duì)比差

圖4 2014年11月至2015年3月各站的人工與自動(dòng)雪深值對(duì)比差

4.1.2 相對(duì)誤差 相對(duì)誤差＝|自動(dòng)值-人工值|/人工值*100%，反映當(dāng)以人工觀測(cè)值為基準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)觀測(cè)值的偏差情況，參考自動(dòng)雨量的偏差標(biāo)準(zhǔn)在±4%之間，認(rèn)為自動(dòng)雪深的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)，在10-20%之間需要尋找原因，及時(shí)進(jìn)行儀器維護(hù)；在20%以外則認(rèn)為儀器超標(biāo)。

在研究相對(duì)誤差時(shí)，選取概率分布更為直觀：把相對(duì)誤差按＜4%、5-10%、11-20%、21-30%、31-40%、41-50%、51-60%、61-70%、71-80%、81-90%、91-100%、＞100%進(jìn)行分級(jí)，分別計(jì)算各級(jí)相對(duì)誤差中所含有的數(shù)據(jù)對(duì)占數(shù)據(jù)總數(shù)的百分百。

從圖5可知，鶴崗、蘿北、寶清站的相對(duì)誤差在4%的概率均在85%以上；各站的誤差在10%之內(nèi)的概率均在75%以上，各站的誤差在20%之內(nèi)的概率均在91%以上，完全能滿足對(duì)外服務(wù)的需要。從表1可知，誤差在20%之內(nèi)的概率分別是鶴崗站97.8%、蘿北站82.9%、佳木斯站66.4%；能滿足冬季對(duì)外服務(wù)的需要，春季的服務(wù)因雪量和氣溫的差異，有時(shí)需要參考一下人工值。從兩年冬天來(lái)看自動(dòng)雪深儀準(zhǔn)確率有所下降，和臺(tái)站的儀器維護(hù)關(guān)系較大。

表1 2014年11月至2015年3月各種相對(duì)誤差概率

圖5 2013年11月至2014年3月各站的相對(duì)誤差概率

5 研究結(jié)論及存在的問(wèn)題

5.1 研究結(jié)論 激光在測(cè)距過(guò)程中，受溫度影響小，觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)性小，長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性高。具體結(jié)論如下：1、雪深自動(dòng)儀與人工觀測(cè)值的對(duì)比差均值都屬正常范圍；從各站的對(duì)比誤差概率圖上看，基本能滿足對(duì)外服務(wù)的需要。2、從趨勢(shì)線分析看，在春季自動(dòng)觀測(cè)值偏大，而人工觀測(cè)值更客觀些。3、自動(dòng)雪深儀的維護(hù)及校準(zhǔn)很重要，需要嚴(yán)格按照儀器的使用手冊(cè)及功能需求書(shū)的規(guī)定來(lái)完成，才能獲得有效的觀測(cè)值。

5.2 存在的問(wèn)題 激光雪深儀只測(cè)量傳感器斜下方一個(gè)直徑約2mm測(cè)量點(diǎn)處的積雪深度，測(cè)量結(jié)果有一定的局限性。建議采用多傳感器融合的方法，再增加兩個(gè)距離10米以上的觀測(cè)點(diǎn)，并給出數(shù)據(jù)融合算法，確定自動(dòng)輸出雪深值，以增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。另?yè)?jù)臺(tái)站反映，在后春氣溫回暖時(shí)，雪深觀測(cè)儀有采集不到數(shù)據(jù)或自動(dòng)值偏大明顯的情況，還需要廠家進(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，以提高該儀器對(duì)于各種地域及氣候特點(diǎn)的適應(yīng)性。