降水現(xiàn)象儀自動(dòng)觀測(cè)冰雹與人工觀測(cè)對(duì)比評(píng)析*

張 敏 劉麗彬 郭慶燕

(1．福建省氣象信息中心，福建 福州 350001；2.福建省氣象局，福建 福州 350001)

1 概述

降水現(xiàn)象觀測(cè)是地面氣象觀測(cè)的基本內(nèi)容之一，長(zhǎng)期以來(lái)，降水現(xiàn)象主要依靠人工觀測(cè)，耗費(fèi)大量的人力，而且記錄起止時(shí)間和夜間現(xiàn)象時(shí)容易產(chǎn)生誤差，影響觀測(cè)的準(zhǔn)確度。近年來(lái)，中國(guó)氣象局向全國(guó)推廣建設(shè)降水天氣現(xiàn)象儀，力求能有效減少人工觀測(cè)工作量，推動(dòng)地面觀測(cè)自動(dòng)化改革順利實(shí)施。冰雹屬于一種固態(tài)降水現(xiàn)象，常與大風(fēng)、暴雨等同時(shí)出現(xiàn)，破壞力巨大，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，準(zhǔn)確觀測(cè)冰雹出現(xiàn)的時(shí)間、強(qiáng)度變化等對(duì)于天氣分析和氣象服務(wù)有重要意義。目前對(duì)于降水現(xiàn)象儀的對(duì)比觀測(cè)評(píng)估一般將液態(tài)和固態(tài)降水集中分析，固態(tài)降水樣本數(shù)量較少，若使用與樣本數(shù)量較多的液態(tài)降水相同的分析方法進(jìn)行評(píng)估，可能無(wú)法體現(xiàn)其特性。本文通過(guò)整合福建省70個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站兩年多的冰雹對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合具體冰雹事件和對(duì)比觀測(cè)指標(biāo)開展冰雹識(shí)別和觀測(cè)準(zhǔn)確性研究。

2 分析原理和方法

降水現(xiàn)象儀可觀測(cè)毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹五種降水現(xiàn)象，采樣周期為1min，時(shí)間精度較高。其工作原理是基于激光消減的特性，接收單元采集采樣區(qū)內(nèi)粒子對(duì)激光帶的遮擋程度、持續(xù)時(shí)間以及粒子直徑、下落速度等數(shù)據(jù)，處理單元將采集到的粒子分布情況與不同降水現(xiàn)象的特征進(jìn)行比對(duì)判斷，形成不同的降水天氣記錄[1]。一般來(lái)說(shuō)，降水現(xiàn)象儀對(duì)冰雹的判別標(biāo)準(zhǔn)是粒子速度不小于7m/s，粒子直徑大于5mm。

對(duì)比觀測(cè)評(píng)估分析方法是以人工觀測(cè)記錄為準(zhǔn)，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與其比對(duì)，從冰雹的捕獲率、錯(cuò)報(bào)率、漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)次數(shù)、誤報(bào)情況等方面，以數(shù)據(jù)指標(biāo)評(píng)析自動(dòng)觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

3 資料選取和冰雹事件分析

3.1 資料選取

福建省有70個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)站安裝了降水現(xiàn)象儀，除了福州站安裝的型號(hào)為DSG5，其余69個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)站安裝型號(hào)均為DSG4。從2017年10月開始對(duì)比觀測(cè)，2017年10月至2018年9月為第一階段，觀測(cè)數(shù)據(jù)以人工觀測(cè)為主，2018年10月至2020年3月為第二階段，觀測(cè)數(shù)據(jù)以自動(dòng)觀測(cè)為主。本次評(píng)估分析研究的樣本范圍為福建省70個(gè)國(guó)家級(jí)地面臺(tái)站在2017年10月至2020年3月期間的降水現(xiàn)象對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，人工觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于降水現(xiàn)象整編文件，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于降水現(xiàn)象儀的分鐘文件。

3.2 冰雹事件分析

表1為各冰雹過(guò)程樣本的人工和自動(dòng)觀測(cè)出現(xiàn)時(shí)間表。在2017年10月至2020年3月，人工觀測(cè)記錄有15站次冰雹，其中夜間發(fā)生的有5站次，白天發(fā)生的有10站次，白天發(fā)生概率大于夜間。降雹時(shí)間主要集中于2～5月，其余月份無(wú)冰雹，雨季出現(xiàn)冰雹的概率較大。

表1 人工觀測(cè)冰雹過(guò)程出現(xiàn)時(shí)間和自動(dòng)觀測(cè)冰雹過(guò)程出現(xiàn)時(shí)間

從表1可見，在對(duì)比觀測(cè)第一階段人工僅觀測(cè)到一次白天的冰雹過(guò)程(樣本1)，其余14次過(guò)程均在對(duì)比觀測(cè)第二階段出現(xiàn)。由于第一階段以人工觀測(cè)為主，第二階段以自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，兩個(gè)階段捕獲到的冰雹過(guò)程數(shù)量差別明顯，可能存在人工觀測(cè)時(shí)對(duì)一些微小冰雹或夜間出現(xiàn)冰雹的漏測(cè)，由此也體現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)的敏銳性。

以對(duì)比觀測(cè)期間發(fā)生冰雹的15個(gè)站次為樣本，統(tǒng)計(jì)發(fā)生冰雹時(shí)小時(shí)雨量和小時(shí)極大風(fēng)速，如圖1所示，所有臺(tái)站在發(fā)生冰雹時(shí)均有降水量產(chǎn)生，小時(shí)雨強(qiáng)在2.5～31.8mm之間，其中有11站次大于10mm，小時(shí)極大風(fēng)速在5.0～22.5m/s之間，其中11站次大于10m/s，可見冰雹發(fā)生時(shí)常伴有強(qiáng)降水和大風(fēng)。其中小時(shí)雨量均較小的樣本3、6、4、12，在當(dāng)天觀測(cè)備注信息中均記錄了氣象部門開展防雹作業(yè)，周邊個(gè)別村鎮(zhèn)有冰雹現(xiàn)象，隨后本站自動(dòng)觀測(cè)到冰雹。可見冰雹過(guò)程受人工影響天氣的作用，其對(duì)應(yīng)的降水明顯小于正常過(guò)程數(shù)值。

圖1 冰雹過(guò)程小時(shí)雨量和小時(shí)極大風(fēng)速圖

4 對(duì)比評(píng)估指標(biāo)分析

按照降水現(xiàn)象儀常用的評(píng)估方法，從冰雹的捕獲率、漏報(bào)率、錯(cuò)報(bào)率和空?qǐng)?bào)、誤報(bào)次數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估分析。由于人工觀測(cè)在白天有記錄現(xiàn)象的起止時(shí)間，在夜間只記錄現(xiàn)象不記錄時(shí)間，因此以分鐘為計(jì)算單位的漏報(bào)率和錯(cuò)報(bào)率只能通過(guò)白天的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.1 捕獲率

捕獲率是指儀器準(zhǔn)確識(shí)別冰雹發(fā)生過(guò)程的次數(shù)占人工觀測(cè)到實(shí)際發(fā)生冰雹現(xiàn)象過(guò)程總次數(shù)的百分比，夜間有一致的現(xiàn)象記錄即為捕獲，白天只需要儀器能夠同步識(shí)別至少1分鐘冰雹現(xiàn)象，便視為準(zhǔn)確識(shí)別一次[2]。在對(duì)比觀測(cè)期間，降水天氣現(xiàn)象儀對(duì)夜間的冰雹現(xiàn)象均有捕獲記錄，夜間冰雹的捕獲率為100%；白天發(fā)生10次冰雹，捕獲到9次，白天冰雹的捕獲率為90%。

福州站于2020年3月27日16時(shí)12分至39分發(fā)生的冰雹現(xiàn)象未捕獲，儀器記錄為雨或毛毛雨。本次冰雹的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、密度大，為福州站近30年罕見，降水現(xiàn)象分鐘數(shù)據(jù)從16時(shí)10分到23分有斷續(xù)缺測(cè)情況，缺測(cè)原因不明，可能是儀器受到冰雹外力的影響造成。福州站是福建省唯一使用DSG5型號(hào)的臺(tái)站，在對(duì)比觀測(cè)期間也僅人工觀測(cè)到一次冰雹現(xiàn)象，樣本數(shù)據(jù)均為個(gè)例，對(duì)該型號(hào)儀器的捕獲率評(píng)價(jià)意義不強(qiáng)。

4.2 錯(cuò)報(bào)率

冰雹錯(cuò)報(bào)是指實(shí)際有冰雹發(fā)生，降水現(xiàn)象儀超過(guò)30%時(shí)間記錄為其他降水現(xiàn)象。錯(cuò)報(bào)率按錯(cuò)報(bào)次數(shù)占白天實(shí)際發(fā)生冰雹次數(shù)的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)比白天觀測(cè)數(shù)據(jù)，除了福州站一次未捕獲到的冰雹過(guò)程，其余9次捕獲到的冰雹過(guò)程時(shí)間一致性均在70%以上，因此白天錯(cuò)報(bào)率為10%。

4.3 漏報(bào)率

冰雹漏報(bào)是指實(shí)際有冰雹發(fā)生，儀器超過(guò)30%的時(shí)間未識(shí)別出任何降水現(xiàn)象。漏報(bào)率按漏報(bào)次數(shù)占白天實(shí)際發(fā)生冰雹次數(shù)的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。白天有捕獲到的9次冰雹現(xiàn)象均無(wú)漏報(bào)情況，未捕獲到的福州站冰雹過(guò)程均被儀器識(shí)別為雨或毛毛雨，因此白天漏報(bào)率為0。

4.4 空?qǐng)?bào)情況

冰雹空?qǐng)?bào)是指在人工觀測(cè)無(wú)任何降水現(xiàn)象的情況下，降水現(xiàn)象儀出現(xiàn)冰雹記錄的次數(shù)。對(duì)比觀測(cè)期間，有17站次夜間出現(xiàn)冰雹空?qǐng)?bào)，其中對(duì)比觀測(cè)第一階段9次，第二階段8次；22站次在白天出現(xiàn)冰雹空?qǐng)?bào)，其中對(duì)比觀測(cè)第一階段13次，第二階段9次。造成空?qǐng)?bào)的原因主要是環(huán)境干擾，如沙石、樹葉、飛蟲等，因此白天的空?qǐng)?bào)站次高于夜間。對(duì)比觀測(cè)第二階段空?qǐng)?bào)率小于第一階段，應(yīng)該與儀器參數(shù)的不斷完善調(diào)整有關(guān)。結(jié)合上文分析，冰雹發(fā)生時(shí)一般伴隨降水，而空?qǐng)?bào)時(shí)無(wú)降水量產(chǎn)生，建議儀器能結(jié)合實(shí)時(shí)雨量進(jìn)行判識(shí)分析，對(duì)無(wú)降水時(shí)儀器判識(shí)的冰雹現(xiàn)象予以剔除，有效降低空?qǐng)?bào)率。

4.5 誤報(bào)情況

冰雹誤報(bào)是指人工觀測(cè)為非冰雹的降水天氣時(shí)，降水現(xiàn)象儀記錄為冰雹。對(duì)比觀測(cè)期間，出現(xiàn)冰雹誤報(bào)1936站次，其中白天1383站次(計(jì)5074分鐘)，夜間553站次(計(jì)1958分鐘)，白天的冰雹誤報(bào)率明顯大于夜間。冰雹誤報(bào)情況比較普遍，全省各臺(tái)站均不同程度存在誤報(bào)，其中寧化站誤報(bào)次數(shù)最多(為64次)，福州站和平潭站最少，各為3次。

分析不同雨強(qiáng)下冰雹的誤報(bào)率，統(tǒng)計(jì)如圖2，在小時(shí)降水強(qiáng)度小于70mm情況下，隨著降水量級(jí)的增大，冰雹誤報(bào)率也隨之提高，可能是因?yàn)閺?qiáng)降水碰撞破裂和重疊導(dǎo)致出現(xiàn)異常粒子[3]，其形態(tài)和下落速度與冰雹判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)接近。當(dāng)小時(shí)降水量大于70mm時(shí)，誤報(bào)率有所下降，但因?yàn)榻邓畼颖据^少，評(píng)估的代表性不大。

圖2 不同雨強(qiáng)下冰雹的誤報(bào)率

頻繁的冰雹誤報(bào)對(duì)氣象服務(wù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性有很大影響，建議在冰雹判識(shí)算法上進(jìn)行精細(xì)化、差別化設(shè)置，非雨季和夜間進(jìn)行冰雹判識(shí)時(shí)，粒子的速度和大小等判識(shí)參數(shù)能相對(duì)提高一些，并能結(jié)合降水自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同級(jí)別的雨強(qiáng)，逐級(jí)提高判識(shí)參數(shù)，避免將連續(xù)雨滴誤判為冰雹，以減少對(duì)臨界粒子的誤判概率。

5 結(jié)論

福建省大多數(shù)臺(tái)站采用DSG4型號(hào)的降水現(xiàn)象儀，本文的評(píng)估結(jié)論更適合于該型號(hào)的儀器。從觀測(cè)情況對(duì)比來(lái)看，福建省的冰雹主要出現(xiàn)在第二個(gè)對(duì)比觀測(cè)階段，自動(dòng)觀測(cè)的敏銳性要高于人工觀測(cè)。自動(dòng)觀測(cè)冰雹的捕獲率高，錯(cuò)報(bào)率和漏報(bào)率低，空?qǐng)?bào)時(shí)有存在，但是誤報(bào)情況比較突出，夜間的判識(shí)準(zhǔn)確度高于白天。

對(duì)比觀測(cè)期間，冰雹集中出現(xiàn)于2～5月，白天發(fā)生冰雹概率大于夜間，冰雹出現(xiàn)時(shí)常伴有降水和大風(fēng)，在強(qiáng)降水的情況下，誤報(bào)情況更加突出。結(jié)合以上特征，建議根據(jù)不同季節(jié)、不同時(shí)間段設(shè)定降水現(xiàn)象儀的判識(shí)參數(shù)，并結(jié)合風(fēng)和降水等觀測(cè)要素進(jìn)行綜合分析，以減少空?qǐng)?bào)和誤報(bào)。