DSG4 型降水現象儀現場核查方法與應用實例

高清泉 紀詩璇 沈芳 李紅星 黃浩杰 李敬海* 鄔少文

（1、廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000 2、大廠回族自治縣氣象局，河北 大廠 065000 3、北京華創維想科技開發有限責任公司，北京 100000）

天氣現象觀測是地面氣象觀測的主要項目之一，降水現象是天氣現象的重要組成部分。液態或固態的水汽凝結物或者二者混合物降落到地面，產生降水量成為降水現象，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、冰雹等[1-2]。利用降水現象光學觀測設備開展降水現象觀測和雨滴圖譜觀測，實現降水現象自動觀測，將有效提高觀測的頻次和質量,能夠有效提高降水現象觀測自動化程度，減輕觀測人員工作量，為氣象預報和服務提供更多有價值的氣象信息[3]。

自2020 年1 月起，廊坊市9 個國家級地面氣象觀測站全部完成了DSG4 型降水現象儀的對比觀測并實現正式業務運行，均實現了降水現象的自動觀測。但是在降水現象儀的業務運行過程中，觀測數據的準確性受設備硬件老化、安裝高度、周圍環境、光學透鏡遮擋、劃傷（如蜘蛛網、樹枝、鳥窩等）以及外界抖動干擾等因素的影響。因此，核查校準是測量準確性的關鍵步驟[4]。

為保證全市降水現象儀的穩定運行以及觀測數據的準確性，廊坊市氣象局氣象探測中心2020 年底完成了全市DSG4 型降水現象儀的核查工作。本文主要介紹了降水現象儀、PCL32 雨滴譜校準儀的基本原理及現場核查的主要內容，并給出實際案例進行討論，為以后的現場核查工作提供參考。

1 DSG4 型降水現象儀基本信息

1.1 工作原理

DSG4 降水現象儀傳感器為Parsivel2 雨滴譜光學傳感器，采用現代激光技術，通過激光遙測技術對降水過程進行分析、記錄，依據粒子下降速度V（m/s）及粒子直徑D（mm）來判定，可以測量各種類型的降水，包括毛毛雨、雨、雨夾雪、冰雹、雪和以及各種介于雪花和冰雹之間的混合降水。數據獲取和存儲是通過一個快速的數字化信號處理器完成的。測量的基本參數為粒徑和速度，由此推導出粒徑分布、降水量、能見度、降水動能和降水類型等[5]，技術指標見表1。

表1 Parsivel2 雨滴譜光學傳感器技術指標

1.2 基本結構

降水現象儀主要由傳感器、數據采集單元、供電控制單元、附件等部分組成。見圖1。

圖1 降水現象儀組成結構圖

其中，傳感器包括激光發射和接收裝置、控制處理裝置、溫控裝置等。數據采集單元負責處理采樣的降水粒子大小、速度、數量等信息，對采樣樣本進行數據質量控制、數據運算處理，輸出降水現象類型、雨滴圖譜、儀器工作狀態等信息[6]。

2 PCL32 雨滴譜校準儀

PCL32 雨滴譜校準儀由北京華創維想科技開發有限責任公司自主研發，主要由兩部分構成：滴譜模擬器、采集控制處理單元。見圖2、3。

圖2 滴譜模擬器

圖3 PCL32 雨滴譜校準儀安裝示意圖

降水現象模擬過程主要由滴譜模擬器完成，采用轉盤式降水粒子模擬的方式，通過電機帶動轉盤轉動，使粒子標記達到設定的運行速度（模擬降水粒子下落速度），與降水監測設備測得的粒子粒徑和下落速度數據進行比對，從而實現對傳感器的性能核查[7-9]。校準流程圖見圖4。

圖4 校準流程圖

根據雨滴譜式降水監測設備的技術指標選擇校準點，在出廠測試時選擇毛毛雨、雨、冰雹3 種天氣現象的臨界點，對應的降水粒子直徑的校準點分別為2.125mm、4mm、6mm。通過調速器轉速的調整，校準軟件計算得出相應的粒徑粒速及粒子個數。見表2。

表2 降水粒子直徑的校準信息

3 現場核查

3.1 核查環境

氣溫：10℃～30℃；相對濕度：≤80%。

3.2 核查校準點

根據降水現象儀技術指標選擇校準點，一般選擇上限點、中間點、下限點共3 個。根據所處的地理位置、氣象要素極限值選擇相應的校準點。一般在出廠測試時，選擇降水粒子直徑的校準點為2mm、5mm、10mm、15mm，降水粒子速度的校準點為1.0m/s、1.5 m/s、2.0m/s、5.0 m/s。

3.3 核查內容

安裝之前，首先檢查模擬器外觀無損傷，型號及編號清晰可辨，線纜、插件連接可靠。將模擬器裝置安放在收、發光路中間，確認降水現象儀激光束處在降水粒子模擬器透光孔中心處。模擬器正確安裝后，對選取的不同降水粒子直徑進行測試（一般為出廠測試校準點），每個測試點均在同一線速度下進行試驗，讀取降水現象儀檢測的粒子兩次（第一次/本次）直徑通道誤差、離子速度通道誤差以及降水現象輸出偏差判別。對選取的不同降水粒子速度進行測試（一般為出廠測試校準點），每個測試點均采用同一直徑模擬粒子進行試驗，讀取降水現象儀檢測的粒子兩次（第一次/本次）直徑通道誤差、離子速度通道誤差以及降水現象輸出偏差判別。最后根據模擬器的第一次數據與本次測試數據分別進行對比，驗證對比數據的是否具有一致性。

4 應用實例

2020 年12 月，廊坊市氣象探測中心完成了全市9 個國家級氣象觀測站中降水現象儀的核查工作。模擬器正確安裝后，選擇滿足室外校準環境條件：天氣晴朗，能見度≥10 km，風速≤5m/s，相對濕度≤80%RH。記錄核查當前時段的氣溫、濕度以及氣壓。根據模擬器出廠設置選擇直徑4.3mm、9.5mm、21mm 三個測試點，選擇2m/s、7m/s、12m/s 三個離子速度核查點進行核查試驗[3]。核查完成后，生成《業務臺站降水現象儀現場核查記錄表》，對比分析粒子直徑、速度誤差分析以及降水現象輸出偏差判別是否符合。以廊坊市國家氣象觀測站（站號：54515）為例，核查結果見表3。通過核查記錄表可以得知，當離子速度逐漸由2m/s 增速至7m/s、12m/s 時，在粒子直徑不變的情況下，第一次與本次的粒子直徑通道誤差為0；當粒子直徑由4.3mm 增大至9.5mm、21mm 時，在離子速度不變的情況下，第一次與本次的離子速度通道誤差為0；在不同離子速度與粒子直徑測試下，第一次與本次的降水現象輸出偏差判別為符合（一致），核查結果為合格。

表3 業務臺站降水現象儀現場核查記錄表

5 結論

通過本次核查，可以確保業務臺站降水現象儀設備運行的穩定運行，保證了觀測數據的連續性、準確性。本文闡述的現場核查方法已經成功的應用到廊坊市各國家氣象觀測站降水現象儀的核查工作之中。但是核查結果中仍然存在誤差，一方面考慮人為因素，在安裝調試的操作過程中產生誤差，另一方面考慮設備存在精度誤差影響。因此在現場核查工作中，不僅要選擇正確的外部環境，更要嚴格的按照核查流程進行操作，盡可能的減少人為因素的影響。