激光雪深觀測儀與人工觀測比對試驗(yàn)方法及分析

張東明 方亞芬 王聆勤 王志誠

(1.浙江省大氣探測技術(shù)保障中心,浙江 杭州 310000;2.中國民航華東地區(qū)空中交通管理局浙江分局,浙江 杭州 31207)

0 引 言

近年來,冰雪天氣導(dǎo)致的災(zāi)害已對我國人民生活、交通、電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。2009年11月8—11日暴雪襲擊華北大部分地區(qū),河北石家莊積雪深度達(dá)55 cm;2010年1月15日,連續(xù)暴雪過程致新疆阿勒泰、塔城地區(qū)北部最深積雪超過1.5 m。我國氣象部門觀測積雪深度以人工方式為主,觀測頻次低,時(shí)效性差,人為因素造成的誤差大,不能全面、連續(xù)反映積雪過程的變化情況[1]。為實(shí)現(xiàn)積雪深度自動化觀測,使觀測結(jié)果客觀化、觀測資料連續(xù)化,減少臺站觀測人員的工作量,進(jìn)一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率,為公眾提供更多有價(jià)值的氣象信息和觀測產(chǎn)品,迫切需要實(shí)現(xiàn)積雪深度自動化觀測[2]。

本文對基于激光原理的雪深觀測儀設(shè)計(jì)原理及數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)行介紹,依據(jù)2018年11月—2019年4月開展的比對觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù),對激光雪深觀測儀進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)完整性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等評估分析,旨在更好地開展雪深自動化觀測的業(yè)務(wù)化使用。

1 激光雪深觀測儀設(shè)計(jì)原理

激光雪深觀測儀采用激光作為測量信號,激光束從探頭發(fā)出至積雪面并返回。激光雪深儀由高穩(wěn)定的激光發(fā)射器、接收器、前置控制器組成,采用相位法測距,用無線電波段的頻率,對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調(diào)制光的波長,換算此相位延遲所代表的距離,測定光徑往返測線所需的時(shí)間[3]。激光雪深觀測儀外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光雪深觀測儀外觀結(jié)構(gòu)示意圖

觀測裝置采用模塊化設(shè)計(jì),在核心主控制器的基礎(chǔ)上可連接各類傳感器采集單元(采集單元可選配,按照實(shí)際需求進(jìn)行任意的裁剪搭配),共享主控、電源和通信部分設(shè)備模塊。核心主控制器負(fù)責(zé)處理接收、采集、存儲傳感器、通信、控制等信息,觀測裝置原理如圖2所示。

圖2 觀測裝置原理框圖

觀測設(shè)備安裝好后,首先通過標(biāo)準(zhǔn)墊塊測量計(jì)算得到該套設(shè)備常數(shù)值α。

(1)

其中，α為激光束垂直夾角,L0為激光傳感器至基準(zhǔn)面的距離,L1為激光傳感器至標(biāo)準(zhǔn)墊塊的距離,C為墊塊高度。雪深高度值為h。

h=H0-H1=X0·cosα-X1·cosα

(2)

其中,H0為測雪平臺至傳感器的高度,H1為積雪面至傳感器的高度,X0為測雪平臺至傳感器的距離,X1為積雪面至傳感器的距離[4-5],激光雪深觀測儀測量示意圖如圖3所示。

圖3 激光雪深觀測儀測量示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)評估方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

以人工觀測積雪深度值為對比參考標(biāo)準(zhǔn),選擇符合觀測雪深的日子,每天08時(shí)、11時(shí)、14時(shí)和17時(shí)開展人工對比觀測。測試要求在被試傳感器對應(yīng)測量的測雪板四周進(jìn)行,每次人工觀測須作3次測量,記錄在觀測簿相應(yīng)欄中,3次測量的地點(diǎn)應(yīng)能代表傳感器測量處的雪深情況。在測雪板上將量雪尺垂直地插入雪中到板面為止,依據(jù)雪面所遮掩尺上的刻度線,讀取雪深的毫米整數(shù)。要求臺站觀測人員每天記錄吹雪、降雪、霜等重要天氣過程。

2.2 評估方法

(1)數(shù)據(jù)完整性

以傳感器觀測數(shù)據(jù)缺測率表示數(shù)據(jù)完整性。在整個(gè)試驗(yàn)期間,如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常,而廠家傳感器觀測的分鐘數(shù)據(jù)有缺測或無數(shù)據(jù)現(xiàn)象,則認(rèn)為傳感器觀測的定時(shí)數(shù)據(jù)缺測。

(3)

合格指標(biāo):缺測率≤2%。

(2)運(yùn)行穩(wěn)定性

①儀器安裝后和拆除前的運(yùn)行狀態(tài)

選取參試傳感器安裝后和拆除前1 d(測雪板上無積雪覆蓋)的完整觀測數(shù)據(jù),分析雪深傳感器觀測到的最大值與最小值之間的差異,檢驗(yàn)傳感器的測量波動性。

合格指標(biāo):觀測數(shù)據(jù)最大值和最小值之間的波動應(yīng)小于10 mm。

②傳感器在整個(gè)冬季的運(yùn)行狀態(tài)

選取各參試傳感器的觀測數(shù)據(jù),分析各傳感器觀測數(shù)據(jù)的波動情況。

合格指標(biāo):觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,在無降雪過程和融化過程時(shí),未出現(xiàn)較大波動。

(3)可靠性

以傳感器出現(xiàn)的故障次數(shù)表示可靠性,約定在整個(gè)試驗(yàn)期間,當(dāng)廠家傳感器工作出現(xiàn)故障、需進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)維修才能恢復(fù)正常觀測時(shí),記錄為1次故障。

合格指標(biāo):故障次數(shù)≤2次。

(4)準(zhǔn)確性

用符合雪深觀測時(shí)次的人工對比觀測數(shù)據(jù)與參試傳感器觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性評估,分別計(jì)算兩者之間的平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和粗差。

(4)

Xi為傳感器測量值,X為人工觀測值,n為對比觀測次數(shù)。

②標(biāo)準(zhǔn)差(σ)

(5)

③粗差(G)

合格指標(biāo):粗差率:≤5%;

標(biāo)準(zhǔn)差≤10 mm。

世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南》規(guī)定的準(zhǔn)確性要求為:標(biāo)準(zhǔn)差≤10 mm(雪深≤200 mm),粗差率≤5%(雪深>200 mm),以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為準(zhǔn)確性評價(jià)指標(biāo)。此準(zhǔn)確性評價(jià)指標(biāo)為業(yè)務(wù)推薦使用的準(zhǔn)確度要求。

3 數(shù)據(jù)比對分析

分析2018年11月—2019年4月人工雪深對比觀測數(shù)據(jù)可知,臺站冬季最低氣溫為-38.9 ℃,最大風(fēng)速為3.7 m/s(2 m風(fēng)桿)。參試設(shè)備的自動觀測數(shù)據(jù)通過光纖上傳到上位機(jī)的分鐘數(shù)據(jù),以每個(gè)時(shí)次3次人工測量參試設(shè)備對應(yīng)測雪板上積雪深度的平均值作為參考標(biāo)準(zhǔn),用于參試設(shè)備的外場性能分析。

經(jīng)分析得知，阿勒泰站51076號參試設(shè)備對應(yīng)的測雪板上人工觀測最大積雪深度為327 mm,共有434對有效樣本;51077號參試設(shè)備對應(yīng)的測雪板上人工觀測最大積雪深度為357 mm,共有501對有效樣本。整個(gè)試驗(yàn)期間未出現(xiàn)采集軟件和硬件故障。

3.1 數(shù)據(jù)完整性

對參試設(shè)備分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性分析,臺站于2019年3月19日05時(shí)08分出現(xiàn)總閘跳變,15時(shí)10分恢復(fù)正常供電,停電期間不列入數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì),故參試設(shè)備數(shù)據(jù)完整性為100%。參試設(shè)備分鐘數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 參試設(shè)備分鐘數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

圖4、圖5分別為2套參試設(shè)備在整個(gè)外場試驗(yàn)期間自動測量值與人工觀測積雪深度對應(yīng)樣本隨時(shí)間的折線圖,整個(gè)觀測試驗(yàn)期間參試設(shè)備測量值與人工觀測值對比結(jié)果一致性較好,能夠反映降雪過程。

圖4 51076號參試設(shè)備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比

圖5 51077號參試設(shè)備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比

由圖4可見，51076號參試設(shè)備在出現(xiàn)降雪過程時(shí),雪深傳感器的積雪深度觀測結(jié)果明顯增加,雪深傳感器在降雪過程中觀測值未出現(xiàn)明顯跳變現(xiàn)象,運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。有2個(gè)時(shí)間段參試設(shè)備與人工觀測的積雪深度差距較大,經(jīng)過與觀測人員核實(shí),在2018年12月1—4日測雪板上出現(xiàn)冰水混合物,人工量雪尺沒有插到測雪板表面,導(dǎo)致人工測量結(jié)果偏低;在2019年3月2—18日,參試設(shè)備激光測雪點(diǎn)被動物踩踏導(dǎo)致凹陷,自動觀測結(jié)果比人工測量偏低。以上兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的測量樣本不計(jì)入準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)分析樣本。

圖5為51077號參試設(shè)備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比。統(tǒng)計(jì)期間2018年11月24—28日以及12月1—5日,對應(yīng)測雪板上積雪平面被動物踩踏，這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的測量樣本不計(jì)入準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)分析樣本。

由于參試設(shè)備測量與人工測量積雪深度之間的誤差全部分布在-30～+21 mm之間,將參試設(shè)備與人工測量之間的誤差按照-30～+21 mm進(jìn)行均等間隔劃段分析,統(tǒng)計(jì)觀測樣本在每個(gè)誤差區(qū)間出現(xiàn)的概率分布(圖6、圖7)。由分析得知,2套參試設(shè)備觀測誤差主要分布在-10～+5 mm之間。

圖6 51076號參試設(shè)備與人工觀測對比結(jié)果誤差值概率分布

圖7 51077號參試設(shè)備與人工觀測對比結(jié)果誤差值概率分布

由于人工觀測阿勒泰站冬季樣本積雪深度在0～357 mm之間,將積雪深度劃分為0～100 mm、101～200 mm、201～300 mm、301～400 mm,分別計(jì)算參試設(shè)備與人工觀測樣本在各區(qū)間及總區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差,詳細(xì)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 參試設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,2套參試設(shè)備在所有的雪深區(qū)間,最大系統(tǒng)誤差為-7.99 mm,最大標(biāo)準(zhǔn)差為7.67 mm。51076號參試設(shè)備系統(tǒng)誤差為-6.5 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為6.0 mm;51077號參試設(shè)備系統(tǒng)誤差為-5.1 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為6.3 mm。

3.3 設(shè)備穩(wěn)定性

對參試設(shè)備在外場試驗(yàn)開始前和結(jié)束后均開展穩(wěn)定性分析。經(jīng)分析得知,2套參試設(shè)備在安裝后和拆除前(測雪板上無積雪)24 h測量分鐘數(shù)據(jù)的波動值(最大值與最小值之間的差值)均為0。

3.4 設(shè)備可靠性和可維護(hù)性

設(shè)備可靠性用外場試驗(yàn)期間平均無故障間隔時(shí)間(MTBF)來衡量。2套參試設(shè)備運(yùn)行期間均未出現(xiàn)設(shè)備故障。滿足《自動雪深觀測儀功能需求書》(簡稱《需求書》)規(guī)定的平均無故障間隔時(shí)間大于3000 h的要求。

綜上所述，設(shè)備的數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備可靠性均滿足《需求書》要求。

4 結(jié) 語

隨著地面氣象觀測業(yè)務(wù)的自動化,自動雪深觀測儀必將取代人工觀測。本文根據(jù)激光雪深傳感器測量特點(diǎn),分別從完整性、穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性等角度對參試傳感器性能進(jìn)行綜合評價(jià),得出以下結(jié)論。

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,自動觀測與人工觀測氣象要素存在一定差異,但是大部分地區(qū)的差異都在誤差允許范圍之內(nèi)[5],雪深自動化觀測方法可行,雪深傳感器組成結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)基本合理,在低溫、大風(fēng)、暴雪等惡劣環(huán)境下連續(xù)正常工作,未出現(xiàn)運(yùn)行故障。

(2)參試雪深傳感器與人工對比觀測的準(zhǔn)確性較好,可以連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測積雪深度變化,基本可以滿足冬季雪深自動化觀測需求[6]。激光雪深觀測儀可以較好地記錄積雪深度及降雪過程,理論上可以很好地為固態(tài)降雪提供修正[7]。

同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn),儀器測量存在一些問題。

(1)由于吹雪、暴雪、差異融化會導(dǎo)致雪面凹凸造成數(shù)據(jù)差異;雪面融化成冰面,冰水混合物會導(dǎo)致回波減弱造成數(shù)據(jù)缺測的現(xiàn)象,建議多探頭或多點(diǎn)觀測[8-10]。

(2)在積雪融化的過程中,晝夜溫差大的夜間會出現(xiàn)人工觀測明顯小于激光雪深觀測儀的現(xiàn)象。對這類雪深數(shù)據(jù)無法直接做質(zhì)量控制,建議采用改進(jìn)測雪板材質(zhì)與安裝方式的辦法加以完善[11-14]。

(3)為了能夠使雪深傳感器接入現(xiàn)有自動氣象站系統(tǒng),方便氣象觀測臺站使用和維護(hù)雪深傳感器,需改進(jìn)地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件格式和地面測報(bào)軟件。

(4)根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果,建議廠家應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)傳感器采樣算法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,提高傳感器觀測數(shù)據(jù)的可靠性和傳感器運(yùn)行的穩(wěn)定性[15]。