DSG3降水现象仪与人工观测比对分析

许霞 唐晓东 倪军

摘要：本文介绍了DSG3降水现象仪结构与原理，对肥西国家气象观测站2018年1月～12月的DSG3降水现象仪与人工观测降水现象数據进行统计、比对，对降水过程进行分析，从数据的完整性和一致性进行分析评估，以求获得降水现象仪降水识别能力的个体差异和原因，并提出日常业务工作中常见异常情况及处理方法，阐述降水现象仪的应用可有效提高降水现象观测自动化程度，减轻观测员工作量，填补了夜间降水现象的空白，为气象预报和服务提供更多有价值的气象信息和观测产品。

关键词：降水现象;降水现象仪;人工观测;比对分析

中图分类号： P414.95                               文献标识码：  A                 DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.18.071

1 降水现象仪在气象中的应用意义及现状

天气现象观测是地面气象观测的主要项目之一，降水现象又是天气现象的重要组成部分。目前，由于云量、云高及天气现象等仍然主要依靠人工观测，给台站观测业务带来诸多不便。为此，中国气象局也在加快推进降水现象等自动化设备的研发和考核。安徽省各国家级气象站也在陆续进行降水现象仪的布设，开展降水现象平行观测，推进业务运行。利用雨滴谱测量原理的光学观测设备开展降水现象观测、识别和雨滴图谱观测，能够有效提高降水现象观测自动化程度，减轻观测人员工作量，实现对降水现象的全天候连续观测，提高观测的频次和质量，使观测结果客观化、观测资料连续化，填补夜间降水现象的空白，增强对降水天气现象的监测预警能力，为气象预报和服务提供更多有价值的气象信息和观测产品。

目前，从各台站一年多的平行观测应用反映的实际效果看，还存在不少问题，影响了降水现象仪的业务化应用。同时，目前对降水现象的自动观测与人工观测深入比对分析甚少，本文从仪器组成、工作原理入手，利用肥西国家气象观测站2018年1月～12月的DSG3降水现象仪（天津中环天仪器气象有限公司生产）与人工观测数据进行统计、比对，对降水过程进行分析，从数据的完整性和一致性进行分析评估，以获得降水现象仪降水识别能力的个体差异及原因，并对异常情况进行分析，提出处理方法，确保观测数据准确可靠，为业务人员提供参考借鉴。

2 仪器组成及工作原理

DSG3降水现象仪是一种集采集处理、存储、通讯一体化的专业用于测量降水粒子特性的仪器，可以对毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹等天气现象进行自动观测与识别，并按照预先设定的格式输出;还可以输出雷达反射率用于Z/R关系的拟合修正。

2.1仪器组成

DSG3降水现象仪由激光降水传感器、控制机箱（包括智能数据模块、供电系统）、安装支架组成[1]，如图1所示。

2.2工作原理

DSG3降水现象仪核心部件是激光雨滴谱仪。以平行激光束与光电管阵列组合成测量区域，当有降水粒子通过测量区域时，自动记录降水粒子的尺度和速度，并根据检测到的降水粒子信息进行判断分类，输出相应的降水现象。同时可以输出降水粒子尺度谱、速度谱以及相应的粒子数量。

激光源（激光二极管）产生一束平行光，接收端的光电二极管，将测量的光信号转换为电信号。当降水颗粒下落通过红外光束时（见图2），接收端接收的信号被减弱，振幅的减少确定了颗粒直径，振幅信号减少的持续时间确定了颗粒的下落速度，检测信号变化数目计算出通过采样区的粒子数目。根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类以雨滴谱的形式展现出来，并计算出瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、雷达反射因子，实现天气现象的自动识别[2]。通过与ISOS软件的链接，实现降水现象仪产品应用。

2.3 降水类型区分

不同降水现象的降水粒子，因其物理特性的差异，在直径和下落末速度的分布上有各自对应关系。根据降水粒子对激光信号的衰减影响程度，检测降水粒子的直径和下落末速度，确定降水粒子的图谱分布，输出降水现象类型。对照图3降水粒子区域分布图，不同类型的降水，其速度和直径位于不同的区间[2]。当降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子速度<10m/s时为雨;当降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直径>0.2mm时为雪;当降水粒子的速度>2.8m/s，且粒子直径>0.6mm时，为混合降水;当降水粒子的速度<2.8m/s，且粒子直径<0.6mm时为毛毛雨;当降水粒子的速度>10m/s，且粒子直径>5mm时为冰雹[3]。

DSG3降水现象仪自动观测降水类型由颗粒的直径（0.125mm... >8mm，分为22个等级）、下落速度（0.2m/s ... >10 m/s，分为20个等级）来确定的，部分降水类型的判记见表1。另外， 温度也是一个重要的判断依据，降水温度高于9℃自动认为是毛毛雨、雨（除冰雹），低于-4℃作为雪，在-4℃和9℃之间的温度所有的降水类型都有可能。

3 记录比对分析

3.1数据的获取

分析用的数据取自肥西县国家气象观测站ISOS软件2018年1月1日～12月31日全年的天气现象要素每日逐分钟订正数据中降水类天气现象分钟数据及降水现象整编数据文件中每日降水天气现象数据。

3.2数据比对分析

3.2.1统计分析 采用统计分析软件对365d 的525600个自动观测分钟数据及人工观测数据进行统计分析，分为白天（08～20时）和夜间（20～08时）的降水现象记录，白天以分钟为基本单位统计，夜间以日统计，全年未出现冰雹天气现象，得到统计数据，如表2所示。

根据以上的统计结果可知：DSG3降水现象仪自动观测有降水现象记录比人工观测记录多，记录的降水现象类型比人工观测记录多，白天和夜间自动观测降水类型均为5种，而人工观测为4种。自动观测存在缺测和未知天气现象记录，其中缺测率为0.29%，未知天气现象率为0.09%。按照《降水现象仪平行观测评估报告格式和内容要求》，以人工观测记录为参考标准，得到DSG3降水现象仪白天守班时段观测数据评估表，见表3。

3.2.2 过程数据分析 DSG3降水现象仪能捕捉到每个主要的降水过程，包括一些降水弱、出现时间短的现象。人工观测降雨过程116次，仪器正确识别雨104次，其中，开始时间相差15分钟及以内的过程有69次，15分钟以上的35次;结束时间相差15分钟及以内的过程有64次，相差15分钟以上的40次。人工观测降雪过程12次，仪器正确识别雪11次，其中开始时间相差15分钟及以内的过程有10次，15分钟以上的1次;结束时间相差15分钟及以内的过程有9次，相差15分钟以上的2次。总体上对降水现象的识别能力较强，具有较高的降水捕获率，性能较稳定。一般每个降水过程都能较早观测到降水，每个过程总是由弱到强，再由强到弱，开始和结束时往往降水较弱，从数据记录看过程前后毛毛雨较多，降水间隙较多，设备感雨灵敏度较高。

3.2.3人工观测数据对比 从以上统计对比结果可看出，DSG3降水現象仪有降水现象记录比人工观测记录多，记录的降水现象类型比人工观测记录多。夜间仪器自动观测记录各类降水现象的捕获率均高于人工观测（阵雨除外）;白天则相反（毛毛雨及阵雪除外），仪器自动观测记录各类降水现象分钟数均比人工观测记录少，但总的看来，有降水记录无论夜间还是白天，降水现象仪自动观测记录都比人工观测多，具有较高的降水捕获率。与人工观测值相比，雨和雪呈现较高的捕获率，分别为89.7%和91.7%，而对阵雨的捕获率为0.0%，毛毛雨空报率为1.7%。

3.2.4存在差异原因  DSG3降水现象仪每天24小时全天候连续观测，观测记录连续、客观。人工观测白天为人工连续观测，夜间现象则是判断记录，观测片面、主观。人工观测容易漏记一些强度弱、出现时间短的降水现象，特别是夜间明显存在漏记降水现象情况。同时，因为观测员不是每时每刻都身处室外，人工观测降水现象的开始及结束时间记录没有自动观测及时，有延后、简单、连续记录现象，不能客观、真实地反映全部出现的降水现象，因此，自动观测的降水类型、有降水现象出现日数及分钟数均多于人工观测。

DSG3降水现象仪自动观测以降水粒子的直径和下落末速度为标准判断记录，而人工观测则需要结合云、能见度、降水出现时呈现的特点及天空状况等诸多要素综合判定降水的性质，云天要配合，故白天时段人工观测阵性降水记录偏多，全天自动观测毛毛雨记录偏多明显。

虽然仪器本身灵敏度较高、性能较稳定，但外界干扰不可避免，比如，飞鸟、飞虫、灰尘、蜘蛛网等会影响光路畅通，造成错报、空报及未知天气现象;供电故障、接地不良、通讯故障、仪器故障等又会导致记录缺测现象。

因而，仪器采样区域的局限性导致漏报。

4 异常情况及处理

4.1平行观测中遇到的异常情况

4.1.1有降水现象而无降水量 原因可能在于：飞鸟、飞虫、灰尘、蜘蛛网等影响光路畅通，遮挡传感器激光束造成虚假记录;小时内降水量微量，不足0.1mm，无降水量输出;降水传感器故障。翻斗雨量传感器堵塞、电缆接头松动、干簧管坏等;称重降水传感器供电故障、盛水桶已满降水溢出、传感器故障、通讯连接故障等原因，需逐项排查。

4.1.2 无降水现象而有降水量 可能是降水量滞后、湿度特别大或诸多非降水因素导致的降水量多跳。

4.1.3 降水现象仪工作异常 更换微机后降水现象仪连接状态不通，需检查是否挂接、通讯参数是否设置正确，如串口号、波特率、工作方式等。降水现象仪不工作，需检查供电是否正常、电缆接头有无松动、接地是否良好、串口是否正常、传感器是否正常、采集模块是否故障、数据是否堵塞等。如果是全部要素不正常，则要检查交换机或计算机的网线插头是否松动、通讯光纤是否正常、集成控制器是否正常、光电转化模块是否正常等。出现错报或误报，则要对传感器周围环境进行检测，检查激光光路是否受阻或存在干扰源，及时清除异物，若无需联系厂家。采样区域局限性、雨滴粒子过大，下降速度快也会出现错报或误报。若漏报也可能是激光器故障，应查看发射和接收是否处于一条直线，检查前要断开设备电源，防止激光模块破损。采样区域的局限性也会漏报。

4.2 异常记录处理

有降水现象无降水量。若判定降水现象自动观测记录异常，在定时观测时次删除降水现象，否则维持原记录，按微量降水量处理。

无降水现象有降水量。若判定降水现象自动观测记录异常，在定时观测时次对降水现象进行人工订正;若为滞后降水，按滞后降水的技术规定处理;若为非降水因素导致的降水量记录，按无降水现象处理，删除降水量。

降雹时，应人工测定最大冰雹的最大直径，当最大冰雹的最大直径大于10mm时，应同时测量冰雹的最大平均重量[4]。

在业务运行中，应做好日常巡视、维护工作。发现数据错误或异常应及时处理，查明原因，开展维护或维修工作[5]。

5 结语

通过统计分析肥西国家站2018年全年的DSG3降水现象仪自动观测数据，与人工观测数据作比较，认为该设备总体上对降水现象的识别能力较强，能捕捉到每个主要的降水过程，在降水过程刚开始和结束前以及毛毛雨等降水强度相对较弱时，具有较高的灵敏度和降水捕获率，且性能较稳定，符合观测业务要求。与人工观测记录相比，对降水现象的识别能力存在差异，毛毛雨记录繁多，还受周围环境影响有错报误报现象，需要厂家进一步优化算法，提高抗干扰能力。DSG3降水现象仪的使用，实现了对降水现象的全天候连续观测，灵敏度高、操作简单，它的应用使得观测数据更真实、精确，更能比较真实地反映实际天气现象。但业务运行中，存在缺测和未知天气现象及错报误报现象，这就要求台站业务人员熟悉仪器性能，做好日常维护，掌握简单的维护维修方法，尽量减少外界干扰，确保仪器正常运行;熟练掌握异常记录的处理方法，使观测资料准确可靠，满足气象业务、气象服务和科学研究的需求，进一步增强对降水天气现象的监测预警能力，增强气象防灾减灾能力和为农服务水平。

参考文献

[1]中环天仪（天津）气象仪器有限公司.DSG3 降水现象仪使用手册.天津.

[2]杜波，马舒庆，刘达新，等.雨滴谱降水现象仪综合测试系统设计[J].气象科技，2018，46（01）：56-63.

[3]陈应河，李冬梅.浅析DSG1降水现象仪的管理与维护[J].环境科学，2017（10）：110.

[4]中国气象局.降水现象平行观测业务技术规定.北京.

[5]李继辉.浅谈降水现象仪在气象中的应用[J].石河子科技，2017（06）：35-36.

作者简介：许霞，本科学历，高级工程师，研究方向：大气探测;唐晓东，本科学历，工程师，研究方向：大气探测;倪军，大专学历，助理工程师，研究方向：大气探测。