孫桂玉,于秀健,王秀娟,孫洪偉,褚春燕*
(1.佳木斯市氣象局,佳木斯 154000; 2.齊齊哈爾市氣象局,齊齊哈爾 161000)
積雪在全球水循環(huán)中扮演著重要角色,同時高精度雪深資料也是氣候研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前黑龍江省承擔(dān)雪深觀測任務(wù)的臺站大部分仍以人工為主,傳統(tǒng)的雪深人工觀測數(shù)據(jù)存在時空密度不足、時效性差、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證的弊端,不能連續(xù)、全面的反映積雪的變化過程。隨著科技的不斷發(fā)展,自動雪深觀測技術(shù)日趨成熟,自動化的觀測不僅節(jié)省人力,還可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性,能夠?yàn)楫?dāng)?shù)貧庀蠓罏?zāi)減災(zāi)服務(wù)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。張東明[1]等對一種激光雪深觀測儀與人工雪深觀測進(jìn)行了對比分析,得出試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的差異原因及該種激光雪深觀測儀存在的問題。肖星星[2]等詳細(xì)介紹了地基GNSS-R雪深測量方法,對不同原理的測量方法進(jìn)行了分析。陳芳霖[3]等利用GNSS-R反演了美國4個GPS站點(diǎn)附近的雪深,結(jié)果GNSS-R反演的雪深結(jié)果精度和準(zhǔn)度都優(yōu)于加拿大研究中心提供的雪深模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品。張鑫鑫[4]等對DSS1型激光雪深傳感器進(jìn)行不同基準(zhǔn)面試驗(yàn),得出自動雪深觀測儀在安裝時應(yīng)加固立柱和基準(zhǔn)面,以減小誤差。自動雪深觀測儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量與自動雪深儀基準(zhǔn)面的安置、測雪板的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)等均有很大關(guān)系[5,6]。潘文中[7]通過分析清水河氣象站自動與人工觀測積雪深度數(shù)據(jù),得出自動雪深觀測儀穩(wěn)定性較差。肖路[8]、楊國輝[9]等人對DSJ1型自動雪深觀測儀的結(jié)構(gòu)、安裝和維修進(jìn)行了分析。陳國強(qiáng)[10]等詳細(xì)分析了DSS1型自動雪深觀測儀的工作原理及故障檢修。
本試驗(yàn)以人工觀測為參考標(biāo)準(zhǔn),對三種不同型號的自動雪深觀測設(shè)備開展為期三個月以上的比對試驗(yàn),評估運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)質(zhì)量,總結(jié)歸納設(shè)備故障的判斷方式及處理方法,從而推動雪深觀測自動化進(jìn)程服務(wù),助力建設(shè)氣象探測強(qiáng)國。
試驗(yàn)于2021年-2022年冬季在佳木斯冰雪試驗(yàn)基地外場進(jìn)行,在積雪形成后,每日08時、14時和20時進(jìn)行人工雪深觀測,測量方法參照《地面氣象觀測規(guī)范》(2003版),每次取3個采樣點(diǎn),計(jì)算平均值,雪深數(shù)據(jù)精確至小數(shù)點(diǎn)后一位。安裝3套自動雪深觀測儀,分別為華云升達(dá)DSJ1型,航天新氣象DSS1型以及杭州賽瑪DSS2型。以人工觀測雪深數(shù)據(jù)為比對對象,分析自動雪深觀測數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、可比性,評估自動雪深設(shè)備的測量性能。
運(yùn)行穩(wěn)定性評估:在試驗(yàn)階段采取日巡視制度,對設(shè)備運(yùn)行情況、故障現(xiàn)象、故障原因、維修手段進(jìn)行詳細(xì)記錄,試驗(yàn)結(jié)束后對儀器運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價,并總結(jié)歸納設(shè)備故障的判斷方式及處理方法,探索設(shè)備日常維護(hù)事項(xiàng)及操作要求。
數(shù)據(jù)質(zhì)量分析:為及時掌握積雪深度變化趨勢,提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提高對比數(shù)據(jù)的頻次,試驗(yàn)階段人工雪深觀測由每日08時調(diào)整為每日08、14、20時三次觀測。針對積雪形成、維持、消融階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析,計(jì)算評估數(shù)據(jù)完整性(缺測率)、準(zhǔn)確性(系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差)和可比性(一致率、積融趨勢)。評估其是否達(dá)到厘米級探測精度的業(yè)務(wù)要求(《地面氣象自動觀測規(guī)范》[11])。
佳木斯國家綜合氣象觀測專項(xiàng)試驗(yàn)外場作為綜合氣象觀測試驗(yàn)基地,配套設(shè)施齊全、完備,可進(jìn)行各類試驗(yàn)項(xiàng)目的對比觀測;生態(tài)環(huán)境觀測;固態(tài)降水及雪深、雪壓觀測等;可開展各類儀器在極低溫度下的工作狀態(tài)試驗(yàn)及各類冰雪、低溫觀測儀器的試驗(yàn)等。
杭州賽瑪DSS2型激光雪深觀測儀、無錫航天新氣象DSS1型激光雪深觀測儀、北京華云升達(dá)DSJ1型超聲雪深觀測儀均建設(shè)于試驗(yàn)場地內(nèi),布局合理,場地平整,試驗(yàn)環(huán)境良好。
人工觀測數(shù)據(jù):為及時掌握積雪深度變化趨勢,提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提高對比數(shù)據(jù)的頻次,試驗(yàn)階段人工雪深觀測由每日08時的一次觀測調(diào)整為08、14、20時的三次觀測,按照《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定,雪深以厘米(cm)為單位,取整數(shù),每次觀測進(jìn)行3次測量并計(jì)算平均值。
自動雪深數(shù)據(jù):按照《地面氣象自動觀測規(guī)范》規(guī)定,雪深以厘米(cm)為單位,取整數(shù)。
2021年11月8日開始產(chǎn)生積雪,2022年3月22日,積雪完全融化,共產(chǎn)生135個日數(shù)據(jù),405個小時數(shù)據(jù)。與人工數(shù)據(jù)測定時間相對應(yīng)的DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀測量135個日數(shù)據(jù),405個小時數(shù)據(jù)。DSJ1型自動雪深觀測儀由于安裝時間較晚,于2021年12月6日安裝,測量114個日數(shù)據(jù),343個小時數(shù)據(jù)。圖1展示了從2021年11月1日至2022年4月30日三套設(shè)備的小時觀測數(shù)據(jù),從圖中可以看出,DSJ1型的雪深數(shù)據(jù)在12月6日至13日略有異常,應(yīng)該是由于設(shè)備在安裝時已產(chǎn)生積雪,且該設(shè)備應(yīng)用超聲波反射測距原理,對雪的密度有較高要求,需要一定的適應(yīng)過程,因此雪深數(shù)據(jù)在設(shè)備安裝后7天才逐漸恢復(fù)正常。
圖1 三套自動雪深觀測儀小時觀測數(shù)據(jù)
圖2 自動雪深觀測儀與人工雪深差值圖
對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,DSJ1型安裝的前7天數(shù)據(jù)異常,按缺測處理。將3套自動雪深觀測儀與人工雪深進(jìn)行對比,通過表1我們可以看出,全天數(shù)據(jù)DSJ1型自動雪深觀測儀的差值極值差最小,與人工雪深的數(shù)據(jù)最接近,標(biāo)準(zhǔn)偏差最小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好,差值平均值為6。2 mm,略高于人工雪深;DSS1型自動雪深觀測儀數(shù)據(jù)的差值居中,標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差比DSJ1型略大,比DSS2型略小,整體數(shù)據(jù)比人工測量值大;DSS2型自動雪深觀測儀與人工雪深對比差值極值差最大,穩(wěn)定性和離散程度也最大,整體測量數(shù)值偏低。
表1 DSS1型、DSS2型和DSJ1型自動雪深觀測儀與人工雪深的差值分析
對08時、14時和20時雪深對比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,20時3套自動雪深觀測儀與人工觀測的極值差值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差最小,數(shù)據(jù)最穩(wěn)定,3套設(shè)備在14時的標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差最大,說明此時段自動雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的差值波動最大,數(shù)據(jù)也最分散。通過和全天數(shù)據(jù)的對比,08時自動雪深觀測儀數(shù)據(jù)與全天數(shù)據(jù)相比最接近,20時差距最大。
2.3.1 一致率
對DSS1型、DSS2型和DSJ1型自動雪深觀測儀與人工雪深的差值繪制折線圖,從圖中我們可以看出3條曲線的變化規(guī)律基本一致,變化幅度略有不同,在積雪形成階段,DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀的一致率較高,與人工雪深的差值較小,在11月22日之后,即積雪較為穩(wěn)定之后出現(xiàn)差別,DSS1型普遍比人工雪深高約50 mm,DSS2型開始比人工雪深低,DSJ1型與人工雪深最接近,略高一點(diǎn).DSS2型比DSS1型和DSJ1型的變化幅度大。在積雪融化階段,DSJ1型數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好,DSS1型次之,DSS2型表現(xiàn)最差。
2.3.2 積融趨勢
根據(jù)前人研究以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié),將雪深觀測分為3個階段,積雪形成階段、積雪穩(wěn)定階段和積雪融化階段,當(dāng)有積雪開始產(chǎn)生,日平均氣溫高于-3 ℃或小時草溫/雪溫高于0 ℃時,為積雪形成階段;在積雪形成之后,當(dāng)日平均氣溫低于-3 ℃且小時草溫/雪溫低于0 ℃時,為積雪穩(wěn)定階段;在積雪穩(wěn)定之后,積雪完全融化之前,當(dāng)日平均氣溫高于-3 ℃或小時草溫/雪溫高于0 ℃時,為積雪消融階段。
從圖3、圖4中可以看出,12月6日之后,氣溫開始穩(wěn)定小于-3 ℃,12月12日以后,小時草溫/雪溫穩(wěn)定小于0 ℃,因此積雪形成階段為2021年11月8日至12月12日;3月2日以后,日平均氣溫開始大于-3 ℃,3月1日以后,小時草溫/雪溫開始大于0 ℃,因此積雪融化階段為2022年3月1日至2022年3月22日;那么積雪穩(wěn)定階段為202年12月13日至2022年2月28日。
圖3 2021年11月1日~2022年3月31日日平均氣溫
圖4 2021年11月1日—2022年3月31日小時草溫/雪溫
分別在積雪形成階段、積雪穩(wěn)定階段和積雪消融階段對自動雪深觀測儀與人工雪深的差值進(jìn)行分析,從圖5(a)可以看出11月8日~11月21日,DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀變化趨勢基本一致,數(shù)據(jù)也相近,從22日開始,數(shù)據(jù)開始兩級分化,DSS1型測量雪深數(shù)據(jù)偏大,DSS2型測量雪深數(shù)據(jù)偏小,但是兩個設(shè)備的變化趨勢完全一致;圖5(b)表示積雪形成階段,從12月13日至1月12日,三套設(shè)備的數(shù)據(jù)變化規(guī)律及幅度基本一致,DSJ1與人工差值最小,DSS1次之,1月12日,DSS2型曲線有一個較大的下降,與人工雪深差值開始變大,說明儀器的運(yùn)行較不穩(wěn)定;圖5(c)表示了積雪消融階段的差值走向,此階段DSS1型和DSJ1型差值逐漸減小,DSS2型也在下降后逐漸升高,說明隨著氣溫的上升,設(shè)備的誤差逐漸減少,穩(wěn)定性增強(qiáng)。
圖5 不同積雪階段自動雪深觀測儀的誤差
通過將3套自動雪深觀測儀與人工雪深的差值數(shù)據(jù)以及地面氣象要素氣溫、草溫/雪溫、相對濕度、小時降水量、10 min風(fēng)速和雪深進(jìn)行相關(guān)性分析,得到以下數(shù)據(jù)如表2。氣溫與DSS1型誤差值在試驗(yàn)期均呈極顯著相關(guān)關(guān)系,其中在積雪形成和穩(wěn)定期是正相關(guān),在消融期是負(fù)相關(guān),DSJ1型在穩(wěn)定期和消融期是極顯著負(fù)相關(guān),DSS2型只在積雪穩(wěn)定期有極顯著正相關(guān)關(guān)系;草溫/雪溫與DSS1和DSJ1均呈極顯著負(fù)相關(guān),與DSS2只在積雪穩(wěn)定期有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;相對濕度對設(shè)備的誤差值影響較小,只有DSS1型在積雪穩(wěn)定期時有正相關(guān)關(guān)系;小時降水量對設(shè)備誤差值沒有影響;風(fēng)速在積雪穩(wěn)定期和消融期對設(shè)備的誤差值有相關(guān)性,其中對DSS1是負(fù)相關(guān),對DSJ1的相關(guān)性有正有負(fù);雪深對DSS1、DSS2和DSJ1分別在積雪形成期、穩(wěn)定期和消融期有極顯著相關(guān)關(guān)系。
表2 自動雪深觀測儀與地面要素的相關(guān)性
不同的積雪狀態(tài)對自動雪深觀測的影響不同。蒲旭凡[12]在研究積雪時空變化時,將積雪分為穩(wěn)定積雪期(1~2月)、積雪積累消融交替期(3~4)月、積雪消融期(5~6月);古力米熱·哈那提[13]等研究天山山區(qū)流域積雪消融的日平均值臨界值為-7 ℃。本研究將積雪分為形成階段、穩(wěn)定階段和消融階段,在不同階段分析自動雪深觀測儀與人工觀測的差異,更加精準(zhǔn)的定位誤差來源。周鵬[14]等研究人工觀測與超聲波傳感器測量的雪深變化趨勢一致,人工觀測平均值略大于自動雪深觀測儀。梁延偉[15]等研究表明,超聲波雪深傳感器與人工測量的誤差受溫度和風(fēng)速兩個因素影響并提出了相應(yīng)的改善建議。姚君[16]等人分析了人工雪深與自動雪深觀測數(shù)據(jù)差異的原因,與觀測場地、測量點(diǎn)和觀測環(huán)境等有關(guān)。
本文通過3種不同自動雪深觀測儀與人工雪深觀測的對比分析,得出以下結(jié)論:
1)DSJ1型、DSS1型和DSS2型自動雪深觀測儀在日常、低溫、大風(fēng)、冰雪狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸正常,無數(shù)據(jù)缺測情況出現(xiàn),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng),但極個別極端天氣容易產(chǎn)生較大誤差。
2)3種型號自動雪深觀測儀相比,DSJ1型的數(shù)據(jù)誤差的極值差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差均最小,DSS2型的數(shù)據(jù)誤差平均值最大,方差也最大;在3個積雪階段中,積雪消融階段自動雪深觀測儀誤差最小。
3)自動雪深觀測儀誤差與地面氣象要素中的氣溫、雪溫和小時降水量有顯著相關(guān)關(guān)系,其中雪溫越低,誤差越大,氣溫溫差較大時易引起誤差變大。