陕西降水现象仪与人工观测资料对比评估

曾 英，张红娟，邓芳莲，妙娟利

(陕西省气象信息中心，西安 710014)

降水现象观测是地面气象观测的主要项目之一，主要依靠人工观测。近年来，我国大力发展地面气象观测自动化业务，在中国气象局的统一部署下，2017年7月，陕西省99个地面气象观测站降水现象仪全部建设到位，经过4个多月的试运行，2017年12月1日(实际为北京时间2017年11月30日20时)起正式开展降水现象平行观测工作。2017年12月—2018年11月为平行观测第一年，以人工观测记录为正式观测记录，人工观测及记录方法按现行《地面气象观测规范》[1]和业务规定执行；2018年12月至今为平行观测第二年，以自动观测记录为正式观测记录，按相关业务规定执行。

国内有关专家和学者对自动与人工观测的气温、气压、降水、雾、霾[2-5]等差异的相关分析较多，但对降水现象仪与人工观测资料的对比分析较少。为了评估两者的差异，利用平行观测第一阶段的自动和人工观测资料进行相关对比分析。

1 陕西降水现象仪设备情况

降水现象仪的工作原理为通过发射器发射一束激光，接收器接收到水平激光信号，将其转换为电压信号，如果有降水粒子通过激光束检测区域，接受器的电压信号会发生变化，根据电压信号的变化检测出粒子的等效直径、下降速度，以此识别降水现象[6]。

陕西使用了三种型号的降水现象仪器设备，其中有35站(宝鸡市11站、渭南12站、榆林12站)使用江苏省无线电科学研究所有限公司生产的DSG1型仪器，29站(杨凌、商洛7站、汉中11站、安康10站)使用DSG4型仪器，另有35站(延安13站、铜川3站、咸阳12站、西安7站)使用中国华云升达(北京)气象科技有限责任公司生产的DSG5型仪器。三种降水现象仪的测量性能均遵循《降水现象仪功能规格需求书(试行版)》[7]的要求，对毛毛雨、雨、阵雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、冰雹等降水类型进行自动观测与识别。

2 资料和方法

选取2018年1月至12月99站的自动记录和人工记录的平行资料进行对比评估。相关项目分白天段和夜间段。人工观测到阵雨、阵雪、阵性雨夹雪在评估时分别按雨、雪、雨夹雪处理。执行中国气象局综合观测司下发的降水现象平行观测的评估标准，即文献[8]的相关评估方法，分别从数据完整性、准确性、一致性等方面进行分析评估。

2.1 数据完整性评估

观测数据以分钟数据为基本单位，对各厂家仪器的数据完整性作月缺测率评估。剔除非仪器原因与维护造成的缺测记录，计算缺测率。

月缺测率=(月观测缺测次数/月应观测总次数)×100%。

2.2 数据准确性评估

捕获率：检验评估期间，仪器正确识别该降水现象发生的过程次数(a)占参考标准观测到实际发生该降水现象过程次数(A)的比值，即捕获率=a/A×100% 。

漏报率：检验评估期间，参考标准观测到有某种降水现象发生，仪器未能识别该种降水现象的分钟数(b)占实际发生该降水现象分钟数(B)的比值，即漏报率=b/B×100%。

空报率：检验评估期间，参考标准观测为无降水现象发生，仪器识别有该现象发生的分钟数(c)占无降水现象分钟数(C)的比值，即空报率=c/C×100%。

错报率：检验评估期间，参考标准观测到有某种降水现象发生，仪器错误识别该种降水现象的分钟数(d)占实际发生该降水现象分钟数(B)的比值，即错报率=d/B×100%。

降水起止时间绝对误差：仪器观测降水开始(t1)(终止(t2))时间与参考标准观测降水开始(T1)(终止(T2))时间差值的绝对值之和，即降水起止时间绝对误差=|t1-T1|+|t2-T2|。

2.3 一致性分析

分别对两种观测方式记录某种降水现象起、止时间相差15 min或以内、15 min以上的现象次数和比例进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 数据完整性

由表1可知，陕西三种型号降水现象仪白天段和夜间段的缺测率均不足1%，特别是型号为DSG1的缺测率不足0.1%，陕西降水现象仪观测数据完整性为优。

表1 2018年陕西不同型号降水现象仪观测数据缺测情况统计

3.2 数据准确性

3.2.1 白天

(1)DSG1 由表2可知，该型号2018年降水现象仪捕获率平均为94.3%，漏报率平均为11.1%，空报率平均为0.26%，错报率平均为5.1%，起止时间绝对误差平均为143.9 min。全省捕获率<90%的站点有 7站，占总站数的20%。漏报率>10%的14站占总站数的40%，太白站漏报最严重，漏报率达51%。空报率>1%的有2站，占总站数的6%。错报率>10%的有6站，占总站数的17%，其中富平站错报最严重，错报率达21%。起止时间绝对误差超过60 min的有20站，占总站数的57%，绥德站起止时间绝对误差值为最大，达2 429 min。

表2 2018年陕西不同型号降水现象仪观测数据准确性统计

(2)DSG4 由表2可知，该型号2018年降水现象仪捕获率平均为为93.8%，漏报率平均为14.3%，空报率平均为0.84%，错报率平均为4.4%，起止时间绝对误差平均为59.7 min。全省捕获率<90%的站点10站，占到总站数的34%。漏报率>10%的站点12站，占到总站数的41%；其中佛坪、宁陕、石泉、安康4站漏报较严重，漏报率达37%。空报率>1%的站点有10站，占到总站数的34%。错报率>10%的站点有1站，错报率为24.2%，占到总站数的3%。起止时间绝对误差超过60 min的有15站，占到总站数的52%；其中山阳站起止时间绝对误差值为最大，达113 min。

(3)DSG5 由表2可知，该型号2018年降水现象仪平均捕获率为95.7%，平均漏报率为7.8%，空报率平均为2.01%，平均错报率为9.4%，起止时间绝对误差平均为2 315.7 min。全省捕获率<90% 的有4站，占总站数的11%。漏报率>10%的有10站，占总站数的29%，其中甘泉站漏报最严重，漏报率达37%。空报率>1%的有21站，占总站数的60%。错报率>10%的有1站，占总站数的37%，其中长安站错报最严重，错报率达50%。起止时间绝对误差超过60 min的有25站，占到总站数的71%，其中长安站起止时间绝对误差值为最大，达18 099 min。

3.2.2 夜间 由表2可知，三个型号降水现象仪夜间捕获率为91%～96%，捕获性能较好。

3.3 一致性分析

分别对降水现象仪与人工两种观测方式记录某种降水现象起、止时间相差15 min或以内、15 min以上的现象次数和比例进行统计分析，得出全省数据一致性分析，具体数据见表3。

DSG1 由表3可知，该型号一致性总的情况是：“差值小于15 min比例”为55.5%，“差值大于15 min比例”为44.5%。全省有19站 “差值大于15 min比例”超过50%，占总站数的54%，一致性较差。其中澄城站66次降水中，只有1次差值小于15 min，“差值大于15 min比例”接近100%，一致性极差。

DSG4 由表3可知，该型号一致性总的情况是：“差值小于15 min比例”为57.9%，“差值大于15 min比例”为42.1%。全省有13站 “差值大于15 min比例”超过50%，占总站数的45%，一致性较差。其中宁陕、石泉、安康三站“差值大于15 min比例”为最大，达80%，一致性极差。

DSG5 由表3可知，该型号一致性总的情况是：“差值小于15 min比例”为53.8%；“差值大于15 min比例”为46.2%。全省有15站 “差值大于15 min比例”超过50%，占总站数的43%，一致性较差。其中秦都站“差值大于15 min比例”为最大，达86%，一致性极差。

表3 2018年陕西不同型号降水现象仪观测数据一致性分析 %

4 差异原因

降水现象仪实现了对降水现象全天候连续观测，灵敏度高，比较真实地反映天气实况，但在实际使用中存在一定的漏报、错报、空报、起止时间不一致、缺测等现象：由于天气现象较为复杂，加上采样区域局限性，雨滴过大过小，下降速度过快过慢，均会出现错报或漏报；飞鸟、飞虫、灰尘等影响光路畅通，遮挡传感器激光束造成虚假记录；供电故障、通讯故障、仪器故障易造成缺测。

天气现象人工观测白天为连续观测，夜间不值班，依靠判断进行记录，存在漏记现象；白天观测员不能时刻身处室外，也存在延后、简单记录等现象。人工观测不能客观真实地反映测站所有出现的天气现象。

5 评估结论

按照《降水现象仪功能规格需求书(试行版)》要求：降水现象仪要满足识别准确率>90%的规定。因此，综合统计同时满足捕获率>90%、漏报率<10%、空报率<10%、错报率<10%、起止时间绝对误差<60 min、“差值大于15 min比例” <50%条件的共有20站：使用DSG1的有凤县、大荔、扶风、千阳、府谷等5站；使用DSG4的有白河、旬阳、南郑、柞水、西乡、汉台、洋县、杨凌等8站；使用DSG5的有三原、耀县、泾阳、周至、铜川、宜君、安塞等7站。由此得出评估结论：陕西共20站降水现象仪基本能满足业务需求，其余79站均需要延长平行观测时间。

建议厂家进一步完善仪器性能，优化相关数据处理软件，台站地面观测技术人员做好日常维护，确保仪器正常运行，为满足气象业务、气象服务以及科学研究提供更加准确可靠的地面气象观测资料。

致谢：本文得到了全省各台站地面气象观测技术人员的支持和帮助，深表感谢！