利用降水現象儀進行降水量計算及準確性分析

姜 明，史 靜，李宛桐，王金梅，黨 岳

(天津市氣象探測中心，天津 300074)

0 引言

降水與人類的生產生活密切相關，也是氣象防災減災及現場氣象應急服務保障工作的重點，因此對降水的研究一直是氣象探測中的重要部分[1-3]。

雙翻斗式雨量計可實現對液態降水的有效觀測，固態降水傳感器可實現對液態、固態及混合態降水的觀測。兩種觀測儀器僅能從量值上反映觀測結果，但無法識別降水種類(毛毛雨、雨、雪、冰雹等)，降水天氣現象仍以人工觀測為主。隨著地面氣象觀測自動化程度的不斷提高，2017年，中國氣象局在全國布設降水現象儀，實現了對多種降水類天氣現象的有效識別，進一步補充和完善了地面氣象自動化觀測項目。

目前國家氣象業務應用的降水現象儀共有7款定型產品，核心部件為激光雨滴譜儀，均應用了激光散射原理，可以直接觀測降水粒子的速度和尺寸，并由此實現對雨滴譜及雨強等相關參數的反演。按照《降水現象儀功能規格需求書(試行版)》要求，目前降水現象儀只能輸出降水粒子的直徑和速度對應的粒子數兩類原始信息，不能輸出降水強度、雷達反射率等數據。

為研究降水現象儀降水(液態)觀測準確性，文章利用降水現象儀原始輸出數據進行了降水量反演，并利用雙翻斗式雨量計作為比較參考分析其反演準確性。

1 觀測設備及資料

1.1 DSG3型降水現象儀

DSG3型降水現象儀由激光降水傳感器、控制機箱(智能數據模塊、供電模塊)和安裝支架等組成。其中核心部件激光降水傳感器為德國Thies Clima公司生產的LPM激光雨滴譜儀，由激光發射端、激光接收端和信號處理器組成。工作時由激光發射端產生平行光束區(紅外光波長785 nm，光區228 mm×20 mm)，激光接收端測量光信號轉換為電信號。當降水粒子通過光區落下時，激光接收端接收的信號減弱。粒子的直徑可通過信號衰減的幅度計算，粒子的下落速度可由信號衰減量的持續時間確定，結合降水滴譜特征以及觀測溫度實現對降水類型的觀測和輸出。

該設備可捕捉的最小降水粒徑范圍為0.16 mm，最小降落速度為0.2 m/s，按照粒徑和降落速度，該設備在觀測過程中將降水粒子直徑的0.125～9 mm劃分為22個等級，粒子降落速度在0～12 m/s劃分為20個等級。輸出數據即為對應不同粒子直徑等級和速度等級下觀測得到的粒子數量信息。

1.2 SL3-1型雨量傳感器

SL3-1型雨量傳感器是一種雙翻斗式雨量傳感器，天津市國家級自動氣象站和區域自動氣象站日常業務應用中均使用該設備進行降水觀測。該設備由盛水器(口徑20 cm)、上翻斗、匯集漏斗、記數翻斗、計量翻斗和干簧管等組成。有降雨發生時，盛水器收集的降雨通過漏斗進入上翻斗，當達到一定量值時使上翻斗翻動，雨水隨漏斗翻動進入匯集漏斗，經匯集漏斗向記數翻斗均勻注入，避免雨強不同導致的觀測誤差。在記數翻斗的中部有1個小磁鋼，磁鋼上面裝有干簧管開關，記數翻斗翻動1次(0.1 mm)，則開關閉合1次，由開關發送相應的脈沖信號實現雨量的觀測[4]。

1.3 觀測場地

文章選用天津市城市氣候監測站(54517)觀測場安裝布設的降水現象儀和雨量傳感器作為比較分析對象。天津市城市氣候監測站為國家級地面氣象觀測站，地理位置為39°04′N，117°12′E，海拔高度2.2 m，為20 m×16 m矩形觀測場，用于分析的兩種設備直線距離為5 m。

2 觀測數據及計算方法

文章選用2018年汛期(4—9月)天津市城市氣候監測站(54517)的地面氣象觀測資料和降水現象儀觀測數據進行分析。觀測數據均為分鐘觀測數據，其中地面氣象觀測分鐘雨量資料為本地訂正后的觀測數據，降水現象儀分鐘觀測資料為降水粒子數濃度數據。

2.1 降水現象儀降雨量計算

降水現象儀輸出的數據為對應不同粒子直徑和速度的粒子個數矩陣，需要通過粒子直徑與降落速度的關系實現對雨量的反演[5]。

降水強度是指單位時間內降落到地面單位面積上的降水量，對于球形降水粒子，其下落末速度v(D)的大小取決于粒子直徑的大小。如果降水粒子大小相同，則降水強度取決于單位時間內單位面積上包含的所有降水粒子的空氣塊的體積。設降水粒子濃度為N，粒子密度為ρ，降水強度可表示為：

(1)

當已知采樣面積，且粒徑D和速度v分段選取時，對式(1)進行積分可獲得單位時間內的降雨量R：

(2)

式中，nij為不同粒徑和速度分段下對應的降水粒子數量(22個粒徑間隔和20個粒速間隔；Di為對應i粒徑等級的平均降水粒子直徑；Ai為有效采樣面積。

2.2 基本質量控制

為實現觀測數據的有效比較，文章對分鐘降雨觀測數據和降水現象儀分鐘觀測數據進行如下基本質量控制：

1)缺測數據處理。對兩種設備的分鐘觀測數據進行缺測查詢，刪除相應缺測數據。

2)閾值篩選。針對雨量傳感器的觀測數據篩選，因其最大觀測能力為4 mm/min，因此當分鐘降水量大于該閾值時，則對該數據進行缺測處理；針對降水現象儀觀測的亂碼數據和不符合觀測要求的數據格式，則進行缺測處理；同時刪除相同時間內對應設備的觀測數據，保證對比分析時間一致。

3)降水現象儀采樣有效面積修正。在計算過程中有效采樣面積與降水現象儀激光采樣面積不同，因為當降水粒子經過采樣面積邊緣時會導致粒子直徑被低估，因此不同的粒徑分級其有效面積是不同的。儀器觀測原理需要對降水粒子進行計數，因此必須保證整個降水粒子的直徑包含在采樣區域內且排除邊緣誤測粒子。對于不同粒徑等級的有效面積，文章采用Loffler-Mang等(2000)和Battaglia 等(2010)[6，7]應用的計算方法計算有效面積。

(3)

式中，L為降水現象儀采樣長度；B為采樣寬度。

3 結果分析

3.1 降水量差異

3.1.1 降水總量差異

文章對天津市城市氣候監測站(54517)2018年4—9月總雨量及逐月雨量進行了統計，從統計結果來看，4—9月降水現象儀反演總降水量為694.548 mm，雨量傳感器觀測結果為615.6 mm，以雨量傳感器作為參考標準，降水現象儀觀測結果普遍高于雨量傳感器觀測結果，較雨量傳感器增大78.948 mm，相對誤差12.8%，這一相對偏差與國內外相關研究較為接近[8，9]。從逐月對比分析來看，4月二者相對偏差最大，達到40%，最小相對誤差出現在8月，為7.8%。

根據降水現象儀觀測原理，當雨滴通過采樣區域時可能出現雨滴疊加，使雨滴粒徑估算過高，從而導致儀器對降雨量的高估。

3.1.2 日累計降水量差異

以日為單位分別對雨量傳感器和降水現象儀觀測結果進行累加，獲得逐日降水累計值(mm)。從兩種觀測設備日累計降水值的散點圖可以看出，兩種觀測設備觀測的降雨量日累計值線性一致性較好，Pearson線性相關系數為0.987，且Pearson相關系數在0.01的顯著性(雙側檢驗)上都非常顯著，表明二者具有明顯線性正相關關系。

以雨量傳感器作為參考標準，分析降水現象儀雨量觀測值的差異，降水現象儀降雨平均日累計值為3.80 mm，雨量傳感器觀測降雨平均日累計值為3.36 mm。表1給出了不同雨強條件下，兩種觀測設備觀測值的平均偏差，可以看出除中雨外，其余結果均表現為降水現象儀觀測結果高于雨量傳感器觀測結果，且隨著雨量的增大平均偏差相對增加。但在中雨條件下，主要表現為降水現象儀觀測結果低于雨量傳感器觀測結果。

表1 不同雨強條件下兩種觀測設備平均偏差計算結果

3.1.3 分鐘降水量分析

為了進一步分析降水現象儀降雨觀測結果與雨量傳感器觀測結果的差異，分別計算兩種觀測設備降雨觀測結果的分鐘雨量，并繪制散點圖。由此可以看出，當分鐘雨強較小時(<1 mm)，兩種觀測設備降雨觀測結果較為均勻地分布在1∶1線附近，隨著雨強增大(1～1.5 mm)，以降水現象儀觀測結果高于雨量傳感器觀測結果為主，當雨強繼續增大，降水現象儀較雨量傳感器的偏差繼續增大。通過非線性擬合結果查看，降水現象儀與雨量傳感器分鐘觀測值呈指數變化規律。統計分析降水現象儀計算雨量與雨量傳感器觀測雨量的差值隨雨量傳感器觀測值的變化情況可以得出，當雨量傳感器觀測分鐘雨量低于0.75 mm時，二者偏差集中；當分鐘雨量大于0.75 mm時，正偏差分布增大；當分鐘雨量大于1.5 mm時，體現為只有正向偏差，即降水現象儀雨量計算結果高于雨量傳感器觀測值。

3.2 降水過程分析

圖1給出了2018-07-23夜間至2018-07-24白天天津市1次降水過程的累計雨量對比。此次降水過程受臺風“安比”減弱的熱帶低壓影響，天津市城市氣候站雙翻斗雨量傳感器自23日夜間23：40出現降水，截至24日上午12：23，雙翻斗雨量傳感器觀測累計降水量為199.8 mm；降水現象儀自23日22：54出現降水，至24日12：41結束，累計雨量202.798 mm，比雙翻斗雨量傳感器降水觀測結果多2.998 mm(1.5%)。

圖1 2018-07-23—2018-07-24兩種觀測設備降水觀測結果

從圖1降水現象儀降水觀測結果來看，23日18：56—20：06降水現象儀在18個分鐘數據中出現雨量數據(最小為0.001 mm，最大為0.016 mm)，累計雨量0.095 mm，由于該過程內降水量不足0.1 mm，未達到雨量傳感器翻斗下限，同時由于雨量過小、雙翻斗雨量傳感器觀測原理誤差(潤濕內壁、雨量蒸發)等原因[10]，無法實現有效觀測，而利用降水現象儀解析降水數據恰好彌補了雨量傳感器這一不足。降水現象儀自23日夜間22：54出現微量降水(0.001 mm)，至雙翻斗雨量傳感器觀測出現首次降水記錄(23：40)，提前46 min，且22：54—23：40已經觀測累計雨量0.2 mm，這一結果表明因雨量傳感器內壁浸潤、雨量蒸發，可能造成降水前期0.1 mm左右降水被低估。

雙翻斗雨量傳感器出現降水后，兩種設備均持續性輸出降水觀測值，從圖1(b)也能看出二者觀測的連續性和一致性較好。圖1(a)表明，在降水過程中，降水現象儀觀測降水累計值始終高于雙翻斗雨量傳感器觀測值。但通過進一步分析發現，這一差值呈現出先增大后減小的變化趨勢。從二者差異變化來看，這一差異曲線與整個降水過程分鐘雨量變化存在一定相關，在整個降水過程中，其差異會隨著雙翻斗雨量傳感器觀測值的不斷增大而增大，當雙翻斗雨量傳感器觀測值減小時，該差值也相應出現拐點；在此次降水過程前期，雨強明顯大于后期降水強度，表明隨著雨量的增大降水現象儀觀測降水量結果增高，綜合降水現象儀觀測原理，當雨強較大時，在觀測區域單位時間內通過的雨滴數量增多，導致雨滴重疊，降水現象儀可能將多個小雨滴識別為大雨滴進行記錄，導致雨量被高估。

此次降水過程雙翻斗雨量傳感器最后1次雨量輸出時間為24日12：23，而在此之后降水現象儀觀測雨量仍持續了18 min，累計觀測雨量為0.061 mm，與上述分析一致，當雨量低于雙翻斗雨量傳感器記錄啟動值(0.1 mm)時，雙翻斗雨量傳感器無法實現有效觀測，從而導致降水結束時間提前。

3.3 風對觀測結果影響的分析

風速的大小會改變降雨過程中雨滴的落速及通過粒子降水現象儀觀測平面的粒徑，因此在利用降水現象儀觀測過程中，風速的變化可能對觀測結果造成一定影響。文章通過對54517站逐分鐘的“2 min平均風速”要素進行提取，并將風速按1 m/s的等級進行劃定，同時計算不同風速等級條件下降水現象儀與雙翻斗雨量計觀測結果的平均絕對偏差，以此進一步分析風速對二者觀測誤差的影響。由此得出，兩種設備的絕對偏差隨風速的增大而出現指數性的增大趨勢，當風速低于3 m/s時，二者分鐘觀測結果統計的絕對偏差在0.1 mm以下，而風速大于3 m/s時，該絕對偏差大于0.1 mm，當風速高于6 m/s時，二者絕對偏差達到了0.603 mm。

根據世界氣象組織報告[11]，出現上述變化的原因是翻斗式雨量計常會有降水觀測量被低估的情況，造成誤差的主要來源有7項，其中水平風速影響占全部誤差來源的2%～10%。同樣當風速不同導致不同粒徑的雨滴下落速度以及通過降水現象儀觀測橫截面的粒徑發生改變時，也會造成雨滴之間的重疊、碰撞等物理條件發生變化，從而引起降水現象儀的觀測誤差。

分析2018年4—9月降水過程，在2018-04-04—2018-04-05的降水過程中降水現象儀觀測結果(17.04 mm)與雙翻斗雨量傳感器觀測結果(6.01 mm)之間誤差顯著，二者相對誤差為182%。綜合天津市整體降水過程以及其他站點降水量情況，該觀測結果應為降水現象儀的異常記錄。圖2給出了此次降水過程中的累計降水和2 min風速、風向隨時間的變化情況。從圖2中可以看出，降水現象儀觀測雨量快速增加的時段恰好對應風向由南風轉為北風的變化階段，而在此階段風速變化不明顯。風向的變化，造成降水現象儀觀測雨量結果的持續增大，可能與當時觀測站點所處環境位置以及風向變化造成的粒子碰撞和受攜帶的其他非降水粒子影響有關，具體原因需要進一步查明。

圖2 2018-04-04—2018-04-05降水過程觀測結果

4 結束語

文章利用天津市城市氣候監測站(54517)業務用降水現象儀觀測數據進行了降水數值的反演，并選擇2018年4—9月該站雙翻斗式雨量傳感器降水觀測數據與反演結果進行了比較分析。

分析結果表明，降水現象儀反演雨量總量大于翻斗式雨量結果，二者偏差隨雨強增大而不斷增大，當分鐘雨量大于0.75mm時，二者偏差呈指數增大。