DSC2型稱重式降水傳感器存在的典型問題

2017-04-10 05:22:57李艷，李林，魯欣

陜西氣象 2017年6期

李艷，李林，魯欣

(1.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 100081；2.北京市氣象探測中心，北京 100089；3. 中國氣象局氣象探測工程技術研究中心，北京 100081)

李艷1，李林2，3，魯欣1

(1.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 100081；2.北京市氣象探測中心，北京 100089；3. 中國氣象局氣象探測工程技術研究中心，北京 100081)

整理DSC2型稱重式降水傳感器在業務運行中出現的問題，對DSC2型稱重式降水傳感器存在的采集器連接、量筒內壁粘雪、小雨時的缺測等問題進行分析。提出提高DSC2型稱重式降水傳感器運行穩定性的方法，提升其監測的準確性、時效性；提高觀測數據的可用性的相應建議。

稱重式降水傳感器；問題分析；對策

降水觀測作為地面氣象觀測的主要項目之一，為氣象防災減災、天氣預報、氣候分析和科學研究提供了重要的基礎資料。稱重式降水傳感器實現了降水全天候自動化觀測，能夠解決目前氣象臺站固態降水觀測的時效和頻次等問題[1-3]，有利于提高固態降水觀測的準確性和效率，并減輕觀測人員的工作量，為更好開展冰雪天氣過程的氣象預報和服務工作提供有力支撐，并降低冰雪災害對工農業生產造成的影響。目前已有較多的業務人員對稱重和翻斗觀測誤差[4-7]等進行分析，也有不少科研人員分析了中國降水測量的誤差[8-9]，但是對新應用的稱重式降水傳感器故障問題等的研究還欠缺。DSC2型傳感器在安裝和業務應用過程中常出現一些問題，整理和分析這些問題并提出相應的解決方案，對于固態降水觀測站的穩定運行和觀測數據質量提高具有一定意義。

1 DSC2型傳感器原理

DSC2型稱重式降水傳感器基于載荷測量技術原理設計，包括稱重傳感器、處理單元、安裝基座和防風圈等，其中，稱重傳感器包括帶雨/雪入口的保護罩、裝雨/雪的集水桶和三個振弦式稱重傳感器。收集降水的集水桶安裝于懸掛在稱重單元下的托盤上，集水桶內的降水由稱重單元進行稱重。DSC2型載荷單元測量技術采用振弦技術，稱重單元是利用內部的振動金屬線被測量重物(降水)拉緊的程度來稱重，稱得的質量由輸出的頻率量來表示。數據處理單元測出稱重單元傳送來的頻率量，根據質量與振動頻率的對應關系，使用計算公式即可計算得到集水桶內的降水量。在連續測量時，用本次測得的降水量減去前次測得的降水量即可得到兩次測量間隔間的實際降水量。

2 DSC2型傳感器存在問題

2.1 DSC2型傳感器與QML201采集器連接

DSC2型稱重式降水傳感器與芬蘭維薩拉公司生產的自動氣象站連接時出現了降水數據不能被采集的情況，該自動站采用QML201采集器，通過計數通道進行雨量數據采集。經過比較分析發現，該問題的出現原因為DSC2型稱重式降水傳感器輸出的模擬信號(+5 V方波)與QML201采集器計數通道方波周期和電壓幅度等參數不匹配，導致稱重降水傳感器輸出的降水信號不能被自動站所識別和采集。通過增加繼電器轉換模塊，即通過稱重降水傳感器輸出的模擬信號驅動繼電器打開與閉合，形成與現有雙翻斗雨量計的干簧管一樣的通斷信號，可成功解決與QML201采集器連接降水數據不能被采集的問題。

在增加繼電器轉換模塊測試過程中發現，DSC2傳感器均輸出10.0 mm降水量，而QML201采集器僅記錄降水量為9.3～9.7 mm，兩者數據不一致。通過增加計數器，發現DSC2型傳感器輸出正常，QML201采集器記錄偏少。通過查看DSC2傳感器分采集器和QML201采集器的程序發現，DSC2傳感器輸出脈沖的寬度和間隔均為100 ms，QML201采集器最小接收的脈沖寬度也為100 ms，由于繼電器轉換模塊存在計時誤差，導致計數偶然缺失，從而導致QML201采集器記錄的降水量小于DSC2傳感器輸出的降水量。修改DSC2傳感器分采集器程序，將輸出脈沖寬度調整為300 ms，大于QML201采集器的最小接受脈沖寬度，從而有效的解決了這個該問題。

2.2 雨量筒內壁粘雪

為了保證傳感器穩定工作，DSC2型傳感器采用“凸”字型防護罩，防護罩頂端為內徑200 mm的承水口，承水口至集水桶為約320 mm長的光滑內壁。在特殊天氣條件下，尤其是雨夾雪天氣時，內壁容易粘雪。內壁粘雪后，將導致實時觀測的降水量偏少，而且該部分雪進入集水筒時會導致分鐘降水量忽然增大。如果發生在降水過程中，觀測人員質控時會認為是異常降水；降水結束后超過滯后降水的時效，觀測人員可能會當作誤報處理。

2012年11月3日10:30至4日15：43海淀站為雨夾雪，降水(雪)量較為均勻，但4日05：30和05：31降水量與之前的降水量存在明顯差異，最大分鐘降水量從0.4 mm增為4.2 mm和2.8 mm，出現明顯突增，而后DSC2傳感器輸出的降水量又恢復正常，這與降水(雪)實況明顯不符。通過比較DSC2傳感器與人工觀測累積降水量，可以看到兩者均為70.1 mm，故分析該降水應為傳感器內壁粘雪增加了降水量所致。

在2013年3月19日降水過程中，北京地區15個觀測站中13個站出現了降雪或雨夾雪天氣，此次雨雪過程于20日08:00已經結束，但是09：00—11：00有13個測站均出現降水量，其中降水量最小為0.1 mm，最大為2.8 mm。臺站測報人員觀察發現大部分站傳感器內壁基本都存在粘雪，且當時臺站溫度均升至0 ℃以上。

針對以上問題，考慮通過以下三個途徑來解決。(1)提高工藝增加DSC2傳感器內壁的光滑度，減小摩擦力；(2)縮短承水口至集水桶之間的距離，減少雪的附著空間；(3)在DSC2傳感器的承水口增加加熱系統，根據降雪量實時啟動加熱系統，實現隨降隨化。

2.3 單個振弦故障下的缺測

在2012年11月3—4日降水過程中，石景山站DSC2傳感器觀測與人工觀測的過程總降水量偏差不大，但是在降水過程中值班人員發現，個別時次有明顯降水時DSC2傳感器卻無降水量輸出，而在有降水記錄的時次第一分鐘的降水量均為0.5 mm或0.6 mm。經檢查發現，該站三個振弦傳感器僅有兩個正常工作，根據采集器內部程序對三個振弦的數據質量控制，為了減少誤報，在兩個振弦工作時采集器篩除小時降水量在0.5 mm以下的降水，DSC2傳感器只輸出小時降水量大于0.5 mm降水。針對該問題，建議儀器廠家應優化采集器程序質量控制，并優化相關參數設置，確保觀測數據的準確性。