利用降水現(xiàn)象儀進(jìn)行降水量計(jì)算及準(zhǔn)確性分析

姜 明，史 靜，李宛桐，王金梅，黨 岳

(天津市氣象探測(cè)中心，天津 300074)

0 引言

降水與人類的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，也是氣象防災(zāi)減災(zāi)及現(xiàn)場(chǎng)氣象應(yīng)急服務(wù)保障工作的重點(diǎn)，因此對(duì)降水的研究一直是氣象探測(cè)中的重要部分[1-3]。

雙翻斗式雨量計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)降水的有效觀測(cè)，固態(tài)降水傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)、固態(tài)及混合態(tài)降水的觀測(cè)。兩種觀測(cè)儀器僅能從量值上反映觀測(cè)結(jié)果，但無(wú)法識(shí)別降水種類(毛毛雨、雨、雪、冰雹等)，降水天氣現(xiàn)象仍以人工觀測(cè)為主。隨著地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化程度的不斷提高，2017年，中國(guó)氣象局在全國(guó)布設(shè)降水現(xiàn)象儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種降水類天氣現(xiàn)象的有效識(shí)別，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了地面氣象自動(dòng)化觀測(cè)項(xiàng)目。

目前國(guó)家氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的降水現(xiàn)象儀共有7款定型產(chǎn)品，核心部件為激光雨滴譜儀，均應(yīng)用了激光散射原理，可以直接觀測(cè)降水粒子的速度和尺寸，并由此實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴譜及雨強(qiáng)等相關(guān)參數(shù)的反演。按照《降水現(xiàn)象儀功能規(guī)格需求書(試行版)》要求，目前降水現(xiàn)象儀只能輸出降水粒子的直徑和速度對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)兩類原始信息，不能輸出降水強(qiáng)度、雷達(dá)反射率等數(shù)據(jù)。

為研究降水現(xiàn)象儀降水(液態(tài))觀測(cè)準(zhǔn)確性，文章利用降水現(xiàn)象儀原始輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了降水量反演，并利用雙翻斗式雨量計(jì)作為比較參考分析其反演準(zhǔn)確性。

1 觀測(cè)設(shè)備及資料

1.1 DSG3型降水現(xiàn)象儀

DSG3型降水現(xiàn)象儀由激光降水傳感器、控制機(jī)箱(智能數(shù)據(jù)模塊、供電模塊)和安裝支架等組成。其中核心部件激光降水傳感器為德國(guó)Thies Clima公司生產(chǎn)的LPM激光雨滴譜儀，由激光發(fā)射端、激光接收端和信號(hào)處理器組成。工作時(shí)由激光發(fā)射端產(chǎn)生平行光束區(qū)(紅外光波長(zhǎng)785 nm，光區(qū)228 mm×20 mm)，激光接收端測(cè)量光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)降水粒子通過(guò)光區(qū)落下時(shí)，激光接收端接收的信號(hào)減弱。粒子的直徑可通過(guò)信號(hào)衰減的幅度計(jì)算，粒子的下落速度可由信號(hào)衰減量的持續(xù)時(shí)間確定，結(jié)合降水滴譜特征以及觀測(cè)溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)降水類型的觀測(cè)和輸出。

該設(shè)備可捕捉的最小降水粒徑范圍為0.16 mm，最小降落速度為0.2 m/s，按照粒徑和降落速度，該設(shè)備在觀測(cè)過(guò)程中將降水粒子直徑的0.125～9 mm劃分為22個(gè)等級(jí)，粒子降落速度在0～12 m/s劃分為20個(gè)等級(jí)。輸出數(shù)據(jù)即為對(duì)應(yīng)不同粒子直徑等級(jí)和速度等級(jí)下觀測(cè)得到的粒子數(shù)量信息。

1.2 SL3-1型雨量傳感器

SL3-1型雨量傳感器是一種雙翻斗式雨量傳感器，天津市國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站日常業(yè)務(wù)應(yīng)用中均使用該設(shè)備進(jìn)行降水觀測(cè)。該設(shè)備由盛水器(口徑20 cm)、上翻斗、匯集漏斗、記數(shù)翻斗、計(jì)量翻斗和干簧管等組成。有降雨發(fā)生時(shí)，盛水器收集的降雨通過(guò)漏斗進(jìn)入上翻斗，當(dāng)達(dá)到一定量值時(shí)使上翻斗翻動(dòng)，雨水隨漏斗翻動(dòng)進(jìn)入?yún)R集漏斗，經(jīng)匯集漏斗向記數(shù)翻斗均勻注入，避免雨強(qiáng)不同導(dǎo)致的觀測(cè)誤差。在記數(shù)翻斗的中部有1個(gè)小磁鋼，磁鋼上面裝有干簧管開(kāi)關(guān)，記數(shù)翻斗翻動(dòng)1次(0.1 mm)，則開(kāi)關(guān)閉合1次，由開(kāi)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)雨量的觀測(cè)[4]。

1.3 觀測(cè)場(chǎng)地

文章選用天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站(54517)觀測(cè)場(chǎng)安裝布設(shè)的降水現(xiàn)象儀和雨量傳感器作為比較分析對(duì)象。天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站為國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站，地理位置為39°04′N，117°12′E，海拔高度2.2 m，為20 m×16 m矩形觀測(cè)場(chǎng)，用于分析的兩種設(shè)備直線距離為5 m。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

文章選用2018年汛期(4—9月)天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站(54517)的地面氣象觀測(cè)資料和降水現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。觀測(cè)數(shù)據(jù)均為分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中地面氣象觀測(cè)分鐘雨量資料為本地訂正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，降水現(xiàn)象儀分鐘觀測(cè)資料為降水粒子數(shù)濃度數(shù)據(jù)。

2.1 降水現(xiàn)象儀降雨量計(jì)算

降水現(xiàn)象儀輸出的數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)不同粒子直徑和速度的粒子個(gè)數(shù)矩陣，需要通過(guò)粒子直徑與降落速度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量的反演[5]。

降水強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)降落到地面單位面積上的降水量，對(duì)于球形降水粒子，其下落末速度v(D)的大小取決于粒子直徑的大小。如果降水粒子大小相同，則降水強(qiáng)度取決于單位時(shí)間內(nèi)單位面積上包含的所有降水粒子的空氣塊的體積。設(shè)降水粒子濃度為N，粒子密度為ρ，降水強(qiáng)度可表示為：

(1)

當(dāng)已知采樣面積，且粒徑D和速度v分段選取時(shí)，對(duì)式(1)進(jìn)行積分可獲得單位時(shí)間內(nèi)的降雨量R：

(2)

式中，nij為不同粒徑和速度分段下對(duì)應(yīng)的降水粒子數(shù)量(22個(gè)粒徑間隔和20個(gè)粒速間隔；Di為對(duì)應(yīng)i粒徑等級(jí)的平均降水粒子直徑；Ai為有效采樣面積。

2.2 基本質(zhì)量控制

為實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效比較，文章對(duì)分鐘降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)和降水現(xiàn)象儀分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下基本質(zhì)量控制：

1)缺測(cè)數(shù)據(jù)處理。對(duì)兩種設(shè)備的分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺測(cè)查詢，刪除相應(yīng)缺測(cè)數(shù)據(jù)。

2)閾值篩選。針對(duì)雨量傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)篩選，因其最大觀測(cè)能力為4 mm/min，因此當(dāng)分鐘降水量大于該閾值時(shí)，則對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行缺測(cè)處理；針對(duì)降水現(xiàn)象儀觀測(cè)的亂碼數(shù)據(jù)和不符合觀測(cè)要求的數(shù)據(jù)格式，則進(jìn)行缺測(cè)處理；同時(shí)刪除相同時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)，保證對(duì)比分析時(shí)間一致。

3)降水現(xiàn)象儀采樣有效面積修正。在計(jì)算過(guò)程中有效采樣面積與降水現(xiàn)象儀激光采樣面積不同，因?yàn)楫?dāng)降水粒子經(jīng)過(guò)采樣面積邊緣時(shí)會(huì)導(dǎo)致粒子直徑被低估，因此不同的粒徑分級(jí)其有效面積是不同的。儀器觀測(cè)原理需要對(duì)降水粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此必須保證整個(gè)降水粒子的直徑包含在采樣區(qū)域內(nèi)且排除邊緣誤測(cè)粒子。對(duì)于不同粒徑等級(jí)的有效面積，文章采用Loffler-Mang等(2000)和Battaglia 等(2010)[6，7]應(yīng)用的計(jì)算方法計(jì)算有效面積。

(3)

式中，L為降水現(xiàn)象儀采樣長(zhǎng)度；B為采樣寬度。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量差異

3.1.1 降水總量差異

文章對(duì)天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站(54517)2018年4—9月總雨量及逐月雨量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，4—9月降水現(xiàn)象儀反演總降水量為694.548 mm，雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果為615.6 mm，以雨量傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn)，降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果普遍高于雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果，較雨量傳感器增大78.948 mm，相對(duì)誤差12.8%，這一相對(duì)偏差與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較為接近[8，9]。從逐月對(duì)比分析來(lái)看，4月二者相對(duì)偏差最大，達(dá)到40%，最小相對(duì)誤差出現(xiàn)在8月，為7.8%。

根據(jù)降水現(xiàn)象儀觀測(cè)原理，當(dāng)雨滴通過(guò)采樣區(qū)域時(shí)可能出現(xiàn)雨滴疊加，使雨滴粒徑估算過(guò)高，從而導(dǎo)致儀器對(duì)降雨量的高估。

3.1.2 日累計(jì)降水量差異

以日為單位分別對(duì)雨量傳感器和降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行累加，獲得逐日降水累計(jì)值(mm)。從兩種觀測(cè)設(shè)備日累計(jì)降水值的散點(diǎn)圖可以看出，兩種觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)的降雨量日累計(jì)值線性一致性較好，Pearson線性相關(guān)系數(shù)為0.987，且Pearson相關(guān)系數(shù)在0.01的顯著性(雙側(cè)檢驗(yàn))上都非常顯著，表明二者具有明顯線性正相關(guān)關(guān)系。

以雨量傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn)，分析降水現(xiàn)象儀雨量觀測(cè)值的差異，降水現(xiàn)象儀降雨平均日累計(jì)值為3.80 mm，雨量傳感器觀測(cè)降雨平均日累計(jì)值為3.36 mm。表1給出了不同雨強(qiáng)條件下，兩種觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)值的平均偏差，可以看出除中雨外，其余結(jié)果均表現(xiàn)為降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果高于雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果，且隨著雨量的增大平均偏差相對(duì)增加。但在中雨條件下，主要表現(xiàn)為降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果低于雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果。

表1 不同雨強(qiáng)條件下兩種觀測(cè)設(shè)備平均偏差計(jì)算結(jié)果

3.1.3 分鐘降水量分析

為了進(jìn)一步分析降水現(xiàn)象儀降雨觀測(cè)結(jié)果與雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果的差異，分別計(jì)算兩種觀測(cè)設(shè)備降雨觀測(cè)結(jié)果的分鐘雨量，并繪制散點(diǎn)圖。由此可以看出，當(dāng)分鐘雨強(qiáng)較小時(shí)(<1 mm)，兩種觀測(cè)設(shè)備降雨觀測(cè)結(jié)果較為均勻地分布在1∶1線附近，隨著雨強(qiáng)增大(1～1.5 mm)，以降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果高于雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果為主，當(dāng)雨強(qiáng)繼續(xù)增大，降水現(xiàn)象儀較雨量傳感器的偏差繼續(xù)增大。通過(guò)非線性擬合結(jié)果查看，降水現(xiàn)象儀與雨量傳感器分鐘觀測(cè)值呈指數(shù)變化規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析降水現(xiàn)象儀計(jì)算雨量與雨量傳感器觀測(cè)雨量的差值隨雨量傳感器觀測(cè)值的變化情況可以得出，當(dāng)雨量傳感器觀測(cè)分鐘雨量低于0.75 mm時(shí)，二者偏差集中；當(dāng)分鐘雨量大于0.75 mm時(shí)，正偏差分布增大；當(dāng)分鐘雨量大于1.5 mm時(shí)，體現(xiàn)為只有正向偏差，即降水現(xiàn)象儀雨量計(jì)算結(jié)果高于雨量傳感器觀測(cè)值。

3.2 降水過(guò)程分析

圖1給出了2018-07-23夜間至2018-07-24白天天津市1次降水過(guò)程的累計(jì)雨量對(duì)比。此次降水過(guò)程受臺(tái)風(fēng)“安比”減弱的熱帶低壓影響，天津市城市氣候站雙翻斗雨量傳感器自23日夜間23：40出現(xiàn)降水，截至24日上午12：23，雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)累計(jì)降水量為199.8 mm；降水現(xiàn)象儀自23日22：54出現(xiàn)降水，至24日12：41結(jié)束，累計(jì)雨量202.798 mm，比雙翻斗雨量傳感器降水觀測(cè)結(jié)果多2.998 mm(1.5%)。

圖1 2018-07-23—2018-07-24兩種觀測(cè)設(shè)備降水觀測(cè)結(jié)果

從圖1降水現(xiàn)象儀降水觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，23日18：56—20：06降水現(xiàn)象儀在18個(gè)分鐘數(shù)據(jù)中出現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)(最小為0.001 mm，最大為0.016 mm)，累計(jì)雨量0.095 mm，由于該過(guò)程內(nèi)降水量不足0.1 mm，未達(dá)到雨量傳感器翻斗下限，同時(shí)由于雨量過(guò)小、雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)原理誤差(潤(rùn)濕內(nèi)壁、雨量蒸發(fā))等原因[10]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)，而利用降水現(xiàn)象儀解析降水?dāng)?shù)據(jù)恰好彌補(bǔ)了雨量傳感器這一不足。降水現(xiàn)象儀自23日夜間22：54出現(xiàn)微量降水(0.001 mm)，至雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)出現(xiàn)首次降水記錄(23：40)，提前46 min，且22：54—23：40已經(jīng)觀測(cè)累計(jì)雨量0.2 mm，這一結(jié)果表明因雨量傳感器內(nèi)壁浸潤(rùn)、雨量蒸發(fā)，可能造成降水前期0.1 mm左右降水被低估。

雙翻斗雨量傳感器出現(xiàn)降水后，兩種設(shè)備均持續(xù)性輸出降水觀測(cè)值，從圖1(b)也能看出二者觀測(cè)的連續(xù)性和一致性較好。圖1(a)表明，在降水過(guò)程中，降水現(xiàn)象儀觀測(cè)降水累計(jì)值始終高于雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)值。但通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這一差值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。從二者差異變化來(lái)看，這一差異曲線與整個(gè)降水過(guò)程分鐘雨量變化存在一定相關(guān)，在整個(gè)降水過(guò)程中，其差異會(huì)隨著雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)值的不斷增大而增大，當(dāng)雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)值減小時(shí)，該差值也相應(yīng)出現(xiàn)拐點(diǎn)；在此次降水過(guò)程前期，雨強(qiáng)明顯大于后期降水強(qiáng)度，表明隨著雨量的增大降水現(xiàn)象儀觀測(cè)降水量結(jié)果增高，綜合降水現(xiàn)象儀觀測(cè)原理，當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí)，在觀測(cè)區(qū)域單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的雨滴數(shù)量增多，導(dǎo)致雨滴重疊，降水現(xiàn)象儀可能將多個(gè)小雨滴識(shí)別為大雨滴進(jìn)行記錄，導(dǎo)致雨量被高估。

此次降水過(guò)程雙翻斗雨量傳感器最后1次雨量輸出時(shí)間為24日12：23，而在此之后降水現(xiàn)象儀觀測(cè)雨量仍持續(xù)了18 min，累計(jì)觀測(cè)雨量為0.061 mm，與上述分析一致，當(dāng)雨量低于雙翻斗雨量傳感器記錄啟動(dòng)值(0.1 mm)時(shí)，雙翻斗雨量傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)，從而導(dǎo)致降水結(jié)束時(shí)間提前。

3.3 風(fēng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響的分析

風(fēng)速的大小會(huì)改變降雨過(guò)程中雨滴的落速及通過(guò)粒子降水現(xiàn)象儀觀測(cè)平面的粒徑，因此在利用降水現(xiàn)象儀觀測(cè)過(guò)程中，風(fēng)速的變化可能對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成一定影響。文章通過(guò)對(duì)54517站逐分鐘的“2 min平均風(fēng)速”要素進(jìn)行提取，并將風(fēng)速按1 m/s的等級(jí)進(jìn)行劃定，同時(shí)計(jì)算不同風(fēng)速等級(jí)條件下降水現(xiàn)象儀與雙翻斗雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的平均絕對(duì)偏差，以此進(jìn)一步分析風(fēng)速對(duì)二者觀測(cè)誤差的影響。由此得出，兩種設(shè)備的絕對(duì)偏差隨風(fēng)速的增大而出現(xiàn)指數(shù)性的增大趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速低于3 m/s時(shí)，二者分鐘觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的絕對(duì)偏差在0.1 mm以下，而風(fēng)速大于3 m/s時(shí)，該絕對(duì)偏差大于0.1 mm，當(dāng)風(fēng)速高于6 m/s時(shí)，二者絕對(duì)偏差達(dá)到了0.603 mm。

根據(jù)世界氣象組織報(bào)告[11]，出現(xiàn)上述變化的原因是翻斗式雨量計(jì)常會(huì)有降水觀測(cè)量被低估的情況，造成誤差的主要來(lái)源有7項(xiàng)，其中水平風(fēng)速影響占全部誤差來(lái)源的2%～10%。同樣當(dāng)風(fēng)速不同導(dǎo)致不同粒徑的雨滴下落速度以及通過(guò)降水現(xiàn)象儀觀測(cè)橫截面的粒徑發(fā)生改變時(shí)，也會(huì)造成雨滴之間的重疊、碰撞等物理?xiàng)l件發(fā)生變化，從而引起降水現(xiàn)象儀的觀測(cè)誤差。

分析2018年4—9月降水過(guò)程，在2018-04-04—2018-04-05的降水過(guò)程中降水現(xiàn)象儀觀測(cè)結(jié)果(17.04 mm)與雙翻斗雨量傳感器觀測(cè)結(jié)果(6.01 mm)之間誤差顯著，二者相對(duì)誤差為182%。綜合天津市整體降水過(guò)程以及其他站點(diǎn)降水量情況，該觀測(cè)結(jié)果應(yīng)為降水現(xiàn)象儀的異常記錄。圖2給出了此次降水過(guò)程中的累計(jì)降水和2 min風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間的變化情況。從圖2中可以看出，降水現(xiàn)象儀觀測(cè)雨量快速增加的時(shí)段恰好對(duì)應(yīng)風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)的變化階段，而在此階段風(fēng)速變化不明顯。風(fēng)向的變化，造成降水現(xiàn)象儀觀測(cè)雨量結(jié)果的持續(xù)增大，可能與當(dāng)時(shí)觀測(cè)站點(diǎn)所處環(huán)境位置以及風(fēng)向變化造成的粒子碰撞和受攜帶的其他非降水粒子影響有關(guān)，具體原因需要進(jìn)一步查明。

圖2 2018-04-04—2018-04-05降水過(guò)程觀測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站(54517)業(yè)務(wù)用降水現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了降水?dāng)?shù)值的反演，并選擇2018年4—9月該站雙翻斗式雨量傳感器降水觀測(cè)數(shù)據(jù)與反演結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

分析結(jié)果表明，降水現(xiàn)象儀反演雨量總量大于翻斗式雨量結(jié)果，二者偏差隨雨強(qiáng)增大而不斷增大，當(dāng)分鐘雨量大于0.75mm時(shí)，二者偏差呈指數(shù)增大。