環境檢測站(FM-Q-01型)降水對比觀測分析

張 杰，田孟勤，吳有恒，周處強，雷登林

(貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

1 引言

降水觀測獲取的降水量是氣象觀測資料中最重要的基礎資料之一[1]，目前貴州主要使用DZZ4型自動氣象站作為各級氣象臺站獲取降水觀測資料的主要觀測設備，其具有可靠性高，測量精度高、數據傳輸穩定等優點[2]，但是對于大范圍的降水事件，尤其是在偏遠地區、設備廣泛布設存在困難的地區，其應用就會受到一定限制[3]。2020年貴陽市氣象局為達到業務與科研的深度融合，驗證壓電式降水觀測設備所獲降水量資料的質量和準確性，組織開展壓電式雨量傳感器與DZZ4降水觀測設備降水資料對比分析。在現行研究中，為了解不同降水觀測設備之間的差異，可在對比觀測場地中部署不同的降水觀測設備，對其獲得的降水量資料進行對比分析。如張紅英等[4]對人工觀測雨量器、翻斗式雨量傳感器和稱重式降水傳感器等3種不同設備觀測到的降水量數據之間的差異進行了對比分析，李林等[5]利用降水對比觀測資料分析了DSH1型和SL3型降水傳感器的區別，隨著研究的增多[6,7]，對比觀測試驗已成為研究不同觀測設備間差異的主要方法。

經過一年部署與準備，現已完成壓電式設備降水資料收集，本文利用6 個月的降水資料，102 個降水過程，對壓電式設備降水觀測資料與貴陽DZZ4降水資料進行分析，驗證壓電式設備降水資料質量和準確性，分析其誤差來源，為后期儀器的改進奠定基礎，并對其能否在業務中應用提供參考。

2 對比觀測設計

2.1 觀測場地和時間

為了解不同設備之間的差異，選取貴陽市氣象局內觀測場圍欄外東側自然草地作為對比觀測場，將FM-Q-01型環境檢測站部署在對比觀測場內，即可保證FM-Q-01型環境檢測站(下文中簡稱FM-Q-01)和觀測場內DZZ4型自動氣象站(下文中簡稱DZZ4)的下墊面特征基本一致，符合對比觀測試驗的要求[8]。將DZZ4獲得的降水數據作為基準值，對比觀測時間為2020年1～6月份，共計102 個降水過程。

2.2 傳感器參數

DZZ4：SL3-1型翻斗式雨量傳感器，分辨率為0.1 mm，采用翻斗計數原理對雨量進行測量，當雨滴進入雨量筒后，計量翻斗每翻動一次為0.1 mm降水量。

FM-Q-01：壓電式雨量傳感器，分辨率為0.1 mm，采用沖擊測量原理對單個測量雨滴上的重量分別進行自動測算,進而準確計算平均降雨量。

2.3 分析方法

月缺測率：月內FM-Q-01的缺測次數與FM-Q-01應觀測次數之比的百分比值，所得數據越小，表明對比觀測設備觀測資料數據完整性越高。

絕對誤差：選取北京時20時為日界[9]，將FM-Q-01的降水數據減去對應時次的DZZ4降水數據后去的值定義為絕對誤差，可直觀反映出FM-Q-01型降水數據偏大或偏小的情況。

相對誤差：將FM-Q-01的降水數據減去對應時次的DZZ4降水數據后去的值作為分子，將DZZ4降水數據作為分母，兩者相除后的值再乘以100%即為相對誤差。

降水過程：對觀測到的降水量資料進行分析，將觀測到的第一個降水量視作降水過程的開始，隨后若出現一個小時內無降水量資料時可視作該次降水過程的結束，在整個對比觀測期間共有102個降水過程。

降水量等級：小雨(24 h內0.1～9.9 mm)，中雨(24 h內10～24.9 mm)，大雨(24 h內25.0～49.9 mm)，暴雨(24 h內50.0～99.9 mm)。

3 對比觀測分析

3.1 小時降水量

FM-Q-01采用即時通訊方式實時傳輸觀測資料，將時間間隔設置為1 h，即每小時采集一次降水數據，為上一小時累計降水。選取北京時20時為日界，從2020年1月1日21時至2020年6月30日20時共傳回4368組數據，無缺測，月缺測率為0%，說明FM-Q-01運行穩定，數據傳輸及時可靠。將FM-Q-01小時降水量數據進行差值計算，結果見表1：2020年1～6月份FM-Q-01降水量數據與DZZ4降水量數據相同的占比為90.6%，偏大占比2.5%，偏小占比6.1%，差值總體以偏小為主；1～3月份FM-Q-01降水偏小數據明顯比偏大數據多，4～6月FM-Q-01偏大數據與偏小數據之間的差距在減小，但依然以偏小為主。

表1 2020年1～6月小時降水量(FM-Q-01)數據分析

除了儀器本身存在的系統性誤差外，因FM-Q-01計算原理的原因，如果雨滴重量過小沖擊力很弱時，就會存在無法測算單個雨滴重量的情況，從而導致降水量偏小或者出現無雨量的情況。貴陽1～4月降水過程多以日降水量1 mm以內的小雨(毛毛雨)過程為主，故1～4月FM-Q-01常出現無降水而DZZ4有降水的情況，所以1～4月FM-Q-01降水小時數據偏小較多。

3.2 日降水量

為了進一步分析FM-Q-01數據可靠性，對FM-Q-01日降水量進行分析：首先將DZZ4觀測到的日降水量資料在圖1中用實線標示出來，然后將FM-Q-01觀測到的日降水量資料用虛線進行標示，可以看出兩者的重合程度較好，再對兩者的擬合程度進行Pearson相關系數計算，計算結果達98.41%，說明FM-Q-01日降水量雨量大小和時間分布情況與DZZ4日降水量資料保持一致。

圖1 DZZ4與FM-Q-01日降水量擬合

在6個月的對比時間內，DZZ4觀測到102個降水過程，FM-Q-01觀測到84個降水過程，共發生18次DZZ4有降水而FM-Q-01無降水的情況，對這18次降水過程進行分析：這18次DZZ4降水量在0.1～0.7 mm之間，均小于1 mm，其中1月發生5次、2月發生5次，3月發生3次，4月發生3次，5月1次，6月1次，表明當降水過程中雨滴質量較小時，FM-Q-01會出現計算降水量情況，且這種現象在1～4月份比較明顯，這也與之前對小時數據的分析相吻合。

3.3 過程降雨量

2020年1～6月對DZZ4共觀測到的102次降水過程進行分析，如表2所示：小雨過程共有81次，DZZ4小雨過程均值為1.98 mm，FM-Q-01均值為1.82 mm，絕對誤差為-0.16 mm，說明FM-Q-01的小雨過程均值比DZZ4每次偏小0.16 mm，相對誤差為-8.79%，誤差較大；中雨過程共有15次，DZZ4中雨過程均值為16.54 mm，FM-Q-01均值為16.26 mm，絕對誤差為-0.28 mm，說明FM-Q-01的中雨過程均值比DZZ4每次偏小0.28 mm，相對誤差為-1.72%，誤差很小；大雨過程共有5次，DZZ4大雨過程均值為30.12 mm，FM-Q-01均值為28.38 mm，絕對誤差為-1.74 mm，說明FM-Q-01的大雨過程均值比DZZ4每次偏小1.74mm，相對誤差為-6.13%，誤差較大；暴雨過程1次，DZZ4暴雨過程均值為60.9 mm，FM-Q-01均值為59.1 mm，絕對誤差為-1.8 mm，說明FM-Q-01的暴雨過程均值比DZZ4每次偏小1.8 mm，相對誤差為-3.05%，誤差較小。

表2 DZZ4與FM-Q-01過程降水量對比分析

對不同降水過程的相對誤差進行分析可以發現，中雨的相對誤差最小，其次是暴雨，再次是大雨，而小雨的相對誤差最大，這是因為小雨過程中常出現DZZ4小時降水量為0.1 mm時，FM-Q-01無降水量的情況，這也與之前對小時數據的分析相吻合。

3.4 降雨個例擬合分析

為了解FM-Q-01和DZZ4在降雨過程中的差異，對DZZ4的降水量資料進行篩選，從其102個降水過程中選出降水量最大的4個降水過程，分別為1個暴雨過程(6月5日60.9 mm)和3個大雨過程(5月15日34.2 mm，5月20日31.1 mm和5月29日30.6 mm)，進行FM-Q-01和DZZ4的降水曲線的擬合，結果見圖2：這4個降水過程中，FM-Q-01和DZZ4的降水曲線重合程度較好，再對FM-Q-01和DZZ4的降水曲線擬合程度進行Pearson相關系數計算，結果都在99%以上。

圖2 DZZ4與FM-Q-01降雨個例擬合

進一步對4個降水過程單獨分析：6月5日DZZ4降雨量為60.9 mm，而FM-Q-01降水量為59.1 mm，與DZZ4相差-1.8 mm，最大小時降水量相差-1.2 mm；5月15日DZZ4降雨量為34.2 mm，而FM-Q-01降水31.7 mm，與DZZ4相差-2.5 mm，最大小時降水量相差-2.8 mm；5月20日DZZ4降雨31.1 mm，而FM-Q-01降水30.3 mm，與DZZ4相差-0.8 mm，最大小時降水量相差-1.1 mm；5月29日DZZ4降雨30.6 mm，而FM-Q-01降水31.7 mm，與DZZ4相差1.1 mm，最大小時降水量相差0.1 mm。可見FM-Q-01觀測到的降水量數據常偏小，這種數據差異可能與FM-Q-01儀器的性能有關，或是因為FM-Q-01和DZZ4的觀測原理的不同，具體原因有待進一步分析研究。

4 結論與討論

選取貴陽市氣象局內觀測場圍欄外東側自然草地作為對比觀測場，將FM-Q-01型環境檢測站部署在對比觀測場內與DZZ4型自動氣象站進行降水觀測對比試驗，通過2020年1月-6月共計102個降水過程的對比分析，可以得出以下結論：

(1)FM-Q-01小時數據月缺測率為0%，說明其運行穩定，數據傳輸及時可靠，小時數據以偏小為主，降水量的日分布情況幾乎與DZZ4保持一致。

(2)不同過程降水量中，中雨的相對誤差最小，其次是暴雨，再次是大雨，而小雨的相對誤差最大。

(3)4個降水過程分析中，FM-Q-01與DZZ4降水曲線重合程度較好，雨量分布和降水時間上基本一致，總降水量誤差在2.5 mm以內。

(4)因FM-Q-01雨量測量原理的原因，常導致DZZ4出現日降水量1 mm以內的小雨時FM-Q-01無雨量的情況，1～4月份該情況較為明顯。