張 婷, 劉文忠, 劉 宇, 李建明

(河北省氣象技術裝備中心,河北 石家莊 050021)

0 引 言

積雪深度是表征降雪量和積雪特征的主要參數,對于防災減災和公共氣象服務具有重要意義。目前,我國氣象業務上主要通過人工讀取測雪尺刻度的方法獲取雪深數據[1]。人工觀測雖能較準確地反映積雪深度,但主觀性強、時效性差、時空密度不足等缺點,不能全面、連續反映積雪的動態變化過程,已難以適應當今氣象業務的需求[2]。因此,為了獲取更客觀、連續的觀測資料,提高觀測質量和觀測效率,急需研發適合當今氣象業務應用的自動化雪深觀測儀器[3]。

常見的雪深自動化觀測方法有光掃描法、單桿法、雙桿法、紅外測距法、激光測距法、超聲波法。前三種方法是傳統上應用較多的雪深測量方法,但由于受機械活動部件的影響,在實際觀測中故障頻發,需經常維護[4]；紅外測距法制作成本較低、易于研制,但其測量距離短、精度低、方向性差[5]；激光測距法測量精度高,但制作成本高,難度較大,且光學系統需要時刻保持潔凈,否則會對測量質量產生嚴重影響,此外,在降雪時能見度低、降雪后陽光強烈的天氣狀況下,測量精度會嚴重下降,不利于實際測量[6]；超聲波法雖然在空氣中的傳播速度受環境溫度影響較大,但通過溫度補償法能夠提高其測量精準度,此外,該方法制作簡單、成本低廉,沒有機械活動部件,受天氣狀況影響較小[4,7,8],因此日常業務上被較多采用,也是目前較適合氣象業務化應用的自動化雪深觀測方法。國內,針對超聲波傳感器測量已有相當的研究。徐多等人[9]利用12:30加密和08:00常規人工雪深觀測數據對4個站SR-50A雪深觀測數據進行了評估和對比分析。梁延偉等人[10]通過對2010年2月、3月佳木斯國家基準氣候觀測站人工觀測與超聲波雪深傳感器測量獲取數據對比、分析不同天氣條件下(高風速、低風速、低溫度)兩種方法獲得的數據差值的變化情況。肖瑤等人[11]利用2004年5月以來超聲雪深傳感器SR-50在青藏高原唐古拉綜合監測場獲取的實時積雪資料和相關氣象數據,評估了SR-50在青藏高原積雪監測中的性能和作用,并對青藏高原腹地多年凍土區積雪變化特征進行了初步分析。

本文利用2009～2010年中國氣象局綜合觀測司在北京、河北26個氣象臺站開展的對比觀測試驗資料,以同一時刻人工測量的積雪深度作為比對標準,對超聲波傳感器自動測量雪深結果進行評估,并提出了改進方法,旨在為今后的自動化雪深觀測業務運行提供參考和借鑒意義。

1 超聲波雪深測量原理

超聲波雪深傳感器原理是通過超聲波發射器向雪面發射一串超聲波脈沖,同時開始計時,超聲波在空氣中傳播途中碰到雪面就立即返回,超聲波接收器接收到反射回波時立刻停止計時,從而測量出超聲波在空氣中的傳播時間,再根據超聲波在空氣中的傳播速度,即可計算出傳感器與雪面之間的距離,從而得到雪深。雪深計算公式[10]為

D=H-vt/2

(1)

式中D為雪深,H為超聲波傳感器安裝高度,v為超聲波在空氣中的傳播速度,t為超聲波往返時間,考慮到空氣溫度對超聲波傳播速度的影響,通過溫度補償法對傳播速度及雪深予以校正[10]

(2)

從而校正后的雪深為

(3)

式中Tk為環境的開氏溫度,Ds為測得的超聲波傳感器到雪面的距離。

2 超聲波雪深觀測誤差分析

2.1 人工觀測有積雪時超聲波傳感器誤差分析

利用2009年11月～2010年4月河北省22個臺站人工觀測有雪深時次的人工和超聲波傳感器自動測量雪深數據,計算得到雪深平均誤差ε1及雪深誤差絕對值平均ε2

(4)

(5)

由圖1可知,雪深平均誤差多為正值,22個站求平均后為3.32 mm,表明人工略大于超聲波傳感器測得的雪深。對22個站的雪深誤差絕對值平均求平均值后為8.96 mm。各臺站之間的雪深平均誤差及雪深誤差絕對值均存在較大差異,絕對值誤差最大的站是黃驊站達40 mm,其次為蔚縣達23 mm,可見利用超聲波傳感器自動測量雪深不夠穩定。

圖1 超聲波傳感器觀測雪深平均誤差及誤差絕對值平均

為了進一步分析超聲波雪深觀測誤差,利用2010年1月至3月北京4個臺站人工定時觀測雪深與同時間超聲波傳感器觀測的雪深數據,分別計算出雪深的日平均誤差、日正點最大誤差、日正點最小誤差。其中,日平均誤差為當日各正點觀測誤差絕對值的平均值；日正點最大(小)誤差為當日各正點觀測誤差的絕對值的最大(小)值。如圖2所示,北京4個臺站的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數據量的90 %。日平均誤差的平均值為6.36 mm,均方差為6.20 mm。4個臺站超聲波傳感器觀測與人工觀測的日正點最大誤差相對較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,當人工觀測雪深在50 mm以下時,87.5 %的日正點最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時在18～46 mm之間。日正點最小誤差除南郊站在1月4日較大外,其余站點均穩定在0～5 mm之間。

圖2 超聲波傳感器觀測雪深日誤差分布

由圖1和圖2可知,超聲波傳感器測量值的日平均誤差主要分布在毫米(mm)級范圍內,精準度上基本能夠滿足業務需求,但日正點最大誤差存在較大波動,數據穩定性較差,無法滿足氣象部門對雪深觀測儀器穩定性的要求。

2.2 人工觀測無積雪時超聲波傳感器誤差分析

2009年11月～2010年4月觀測期間,當人工觀測無積雪現象時,河北省22個臺站平均有6天出現超聲波傳感器自動測量有雪深數據的情況,且各臺站出現有雪深數據的日數差異較大,其中遵化最多為43d,其次為宣化34d。由此可見,超聲波雪深傳感器的穩定性是目前亟待解決的問題。

圖3 人工觀測無積雪時,超聲波傳感器觀測有積雪的日數

3 超聲波雪深傳感器改進方法

分析可知,超聲波雪深傳感器穩定性較差,主要是儀器測量方法存在缺陷造成的。雪深傳感器是利用超聲波進行測距的,不同環境溫度下超聲波的速度是不一樣的,需要測量雪深傳感器所處位置空氣溫度來修正超聲波的速度。由于臺站開始安裝的溫度傳感器測的是直射溫度,導致雪深數據無規律跳變。針對上述問題,對河北省22個臺站的超聲波傳感器增加了溫度傳感器輻射罩(如圖4),并對增加溫度傳感器輻射罩前后超聲波傳感器自動測量雪深進行了模擬。

圖4 增加溫度傳感器輻射罩后的探頭

圖5為2010年1月17日00:00時～18日23:59時超聲波雪深傳感器增加溫度輻射罩前基準面實測高度分鐘數據,基準高度為1 582 mm。

圖5 未增加溫度輻射罩時基準面實測高度分鐘數據

由圖5可知,實測高度數據無規律跳變,且與基準高度存在較大偏差,差值范圍在-11.4～4.2 mm之間。圖6為2010年12月4日00:00時～5日23:59時增加溫度輻射罩后超聲波雪深傳感器基準面實測高度分鐘數據,基準高度為1 485 mm,由圖6可見,數據跳變大幅度下降,與基準高度偏差范圍在-5.1～4.2 mm之間。

圖6 增加溫度輻射罩后基準面實測高度分鐘數據

圖7為2010年11月24日00:00時～25日23:59時增加溫度輻射罩后,在下墊面放置32 mm厚的木板進行模擬雪深,實測雪深分鐘數據與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對值平均為2.0 mm,標準差為2.5 mm。由此可見,溫度會影響超聲波脈沖的工作性能,也是影響超聲波傳感器測量穩定性的一個主要因素。通過增加溫度傳感器輻射罩的方法對溫度進行校正后,超聲波傳感器測得的雪深數據受溫度的影響大大減少,分鐘數據出現跳變的次數明顯減少。

圖7 增加溫度輻射罩后模擬雪深分鐘數據

4 結 論

利用2009～2010年中國氣象局綜合觀測司在北京、河北26個氣象臺站開展的對比觀測試驗資料,對超聲波傳感器自動測量雪深的準確度和穩定性進行了評估,并提出了改進方法。得到以下結論:

1)人工觀測有積雪現象時,北京4個臺站超聲波傳感器測量值的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數據量的90 %；河北22個臺站雪深平均誤差求平均值為3.32 mm,雪深誤差絕對值平均求平均值后為8.96 mm,均在毫米(mm)級范圍內,精確度基本能夠滿足氣象業務需求。

2)超聲波雪深測量值穩定性較差,人工觀測有積雪時,北京4個臺站超聲波傳感器日正點最大誤差相對較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,人工觀測雪深在50 mm以下時有87.5 %的日正點最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時日正點最大誤差較大,在18～46 mm之間。人工觀測無積雪時,各站平均有6 d出現自動測量有雪深數據的情況,且各臺站出現有雪深數據的日數差異較大。因此,超聲波傳感器無法滿足氣象部門對雪深觀測儀器穩定性的要求。

3)溫度是影響超聲波傳感器測量穩定性的一個主要因素。未增加溫度輻射罩的基準面實測高度分鐘數據無規律跳變,且與基準高度存在較大偏差,差值范圍在-11～5 mm之間。增加溫度輻射罩的基準面實測高度分鐘數據跳變大幅度下降,與基準高度偏差范圍在-5～4 mm之間。且增加溫度輻射罩后,利用32 mm厚的木板模擬雪深,超聲波傳感器的實測雪深分鐘數據與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對值求平均為2.0 mm,標準差為2.5 mm。所以,通過增加溫度傳感器輻射罩的方法對溫度進行校正,大大減少了超聲波傳感器自動測量雪深數據跳變次數,有利于提高超聲波傳感器測量穩定性。