激光雪深觀測儀數據與人工測量雪深值的對比分析

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 我國是世界上冰雪災害多發的國家之一，近年來，由于冰雪天氣導致的災害已對我國人民生活、交通、電網造成嚴重危害：2008年1-2月南方大部分地區持續發生冰凍雨雪災害；2009年11-12月華北及西北地區出現的強降雪天氣過程；均造成嚴重的經濟損失。2012年11月黑龍江省鶴崗市發生了有氣象記錄(1955年)以來最大的特大暴雪天氣，過程雪量64.5毫米，最大積雪深度達53.3厘米，造成全市交通中斷，市區大面積斷電，部分地區供水、供暖也一度停止，中小學放假；共有360棟蔬菜大棚受損，25棟大棚壓塌，一些重要的水果、蔬菜批發市場的倉庫也被壓塌，大量園林樹木折損。造成了十幾億元的經濟損失，該事件也成為我國2012年國內十大極端氣候事件之一。

1.2 雪深概念及人工測量現狀 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；早8時若觀測地段被雪(包括米雪、霰、冰粒)覆蓋時，需要觀測雪深，如果早8時沒有達到觀測標準，之后因降雪達到觀測標準時，需要在14或20時進行補測。觀測值存在地點的水平、量雪尺是否垂直，觀測員視力等主觀誤差。另外，由于每天觀測一次，數據間隔時間太長，容易漏掉雪深最大值，影響資料的代表性。

2 自動雪深儀原理

國內目前使用的自動雪深儀，多采用超聲波測距或激光測距原理，利用發射的光波遇到障礙物反射回來的特性進行測量。自動測量雪深在觀測速度、采樣密度等方面都優于人工觀測，激光雪深儀因安裝方便、維護簡單、占地面積小和價格相對較低等特點受到廣泛關注。

激光雪深儀是利用發射的波束(光波)遇到障礙物反射回來的特性進行距離差測量。采用相位法測距，用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經往返測線所需的時間。激光探頭傾斜安裝在支撐桿上，傾斜角(α)10°～30°，距離盲區約為10cm。

3 資料與方法

2012年在黑龍江省安裝了六個江蘇省無線電科學研究所有限公司的WUSH-SD型號的激光雪深儀。儀器分別安裝在三江平原以及平原向小興安嶺過渡帶的暴雪易發區：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，沒有及時處理而造成數據不準確；因此本文使用鶴崗市、蘿北縣、寶清縣、佳木斯市、富錦市5個站點的定時觀測數據，起止時間為2013年11月至2014年3月、2014年11月至2015年3月(該時段富錦和寶清站的雪深儀器可能因維護或其它問題導致數據不準，故剔除)，通過分析雪深自動觀測與人工觀測值的誤差，得出激光自動雪深儀的使用效果。

4 對比數據分析

對比人工和自動雪深儀觀測數據的差異，主要是分析兩序列的誤差情況。從對比觀測的過程和結果來看，該設備基本能夠達到測量雪深數據的要求。由于只進行了兩個冬季的對比觀測，并不能代表所有冬季的雪情，因而本文僅對試驗期間的測量結果有效。

從圖1和圖2來看，2013年冬天各站的人工與自動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雪深值曲線比較一致，差異較小；佳木斯站的人工與自動雪深值曲線在后春2月下旬到3月相差較大，因為氣溫回暖使雪面融化成不很均勻的冰面或冰雪混合物，影響了反射時間；若雪面化成水則采集不到數據。

4.1 誤差

4.1.1 對比差 對比差是雪深自動儀與人工觀測值的差值A-P。參考雪深自動儀定型時要求精度在2CM以內符合標準，確定對比差的平均值X≤2CM之內為正常；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中的趨勢線分析看，除鶴崗外其它四個站的對比差都是從冬到春呈上升趨勢；并且佳木斯、寶清和富錦的誤差都是從負數或零向正數轉變，即在后春時自動觀測雪深值明顯大于人工觀測值。從圖4中的趨勢線來看，佳木斯站的自動觀測值在春季明顯大于人工觀測值，建議可以按自動值缺測處理。

圖1 2013年11月至2014年3月各站的人工與自動雪深值

圖2 2014年11月至2015年3月各站的人工與自動雪深值

圖3 2013年11月至2014年3月各站的人工與自動雪深值對比差

圖4 2014年11月至2015年3月各站的人工與自動雪深值對比差

4.1.2 相對誤差 相對誤差＝|自動值-人工值|/人工值*100%，反映當以人工觀測值為基準時，自動觀測值的偏差情況，參考自動雨量的偏差標準在±4%之間，認為自動雪深的相對誤差在10%以內符合標準，在10-20%之間需要尋找原因，及時進行儀器維護；在20%以外則認為儀器超標。

在研究相對誤差時，選取概率分布更為直觀：把相對誤差按＜4%、5-10%、11-20%、21-30%、31-40%、41-50%、51-60%、61-70%、71-80%、81-90%、91-100%、＞100%進行分級，分別計算各級相對誤差中所含有的數據對占數據總數的百分百。

從圖5可知，鶴崗、蘿北、寶清站的相對誤差在4%的概率均在85%以上；各站的誤差在10%之內的概率均在75%以上，各站的誤差在20%之內的概率均在91%以上，完全能滿足對外服務的需要。從表1可知，誤差在20%之內的概率分別是鶴崗站97.8%、蘿北站82.9%、佳木斯站66.4%；能滿足冬季對外服務的需要，春季的服務因雪量和氣溫的差異，有時需要參考一下人工值。從兩年冬天來看自動雪深儀準確率有所下降，和臺站的儀器維護關系較大。

表1 2014年11月至2015年3月各種相對誤差概率

圖5 2013年11月至2014年3月各站的相對誤差概率

5 研究結論及存在的問題

5.1 研究結論 激光在測距過程中，受溫度影響小，觀測數據波動性小，長期測量穩定性高。具體結論如下：1、雪深自動儀與人工觀測值的對比差均值都屬正常范圍；從各站的對比誤差概率圖上看，基本能滿足對外服務的需要。2、從趨勢線分析看，在春季自動觀測值偏大，而人工觀測值更客觀些。3、自動雪深儀的維護及校準很重要，需要嚴格按照儀器的使用手冊及功能需求書的規定來完成，才能獲得有效的觀測值。

5.2 存在的問題 激光雪深儀只測量傳感器斜下方一個直徑約2mm測量點處的積雪深度，測量結果有一定的局限性。建議采用多傳感器融合的方法，再增加兩個距離10米以上的觀測點，并給出數據融合算法，確定自動輸出雪深值，以增加數據的準確。另據臺站反映，在后春氣溫回暖時，雪深觀測儀有采集不到數據或自動值偏大明顯的情況，還需要廠家進行有針對性的實驗，以提高該儀器對于各種地域及氣候特點的適應性。