激光雪深观测仪与人工观测比对试验方法及分析

2022-05-23张东明方亚芬王聆勤王志诚

浙江气象 2022年1期

张东明方亚芬王聆勤王志诚

(1.浙江省大气探测技术保障中心,浙江杭州 310000;2.中国民航华东地区空中交通管理局浙江分局,浙江杭州 31207)

0 引言

近年来,冰雪天气导致的灾害已对我国人民生活、交通、电网造成严重危害。2009年11月8—11日暴雪袭击华北大部分地区,河北石家庄积雪深度达55 cm;2010年1月15日,连续暴雪过程致新疆阿勒泰、塔城地区北部最深积雪超过1.5 m。我国气象部门观测积雪深度以人工方式为主,观测频次低,时效性差,人为因素造成的误差大,不能全面、连续反映积雪过程的变化情况[1]。为实现积雪深度自动化观测,使观测结果客观化、观测资料连续化,减少台站观测人员的工作量,进一步提高观测质量和观测效率,为公众提供更多有价值的气象信息和观测产品,迫切需要实现积雪深度自动化观测[2]。

本文对基于激光原理的雪深观测仪设计原理及数据处理方法等进行介绍,依据2018年11月—2019年4月开展的比对观测试验数据,对激光雪深观测仪进行观测数据完整性、稳定性、准确性等评估分析,旨在更好地开展雪深自动化观测的业务化使用。

1 激光雪深观测仪设计原理

激光雪深观测仪采用激光作为测量信号,激光束从探头发出至积雪面并返回。激光雪深仪由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成,采用相位法测距,用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,测定光径往返测线所需的时间[3]。激光雪深观测仪外观结构如图1所示。

图1 激光雪深观测仪外观结构示意图

观测装置采用模块化设计,在核心主控制器的基础上可连接各类传感器采集单元(采集单元可选配,按照实际需求进行任意的裁剪搭配),共享主控、电源和通信部分设备模块。核心主控制器负责处理接收、采集、存储传感器、通信、控制等信息,观测装置原理如图2所示。

图2 观测装置原理框图

观测设备安装好后,首先通过标准垫块测量计算得到该套设备常数值α。

(1)

其中，α为激光束垂直夹角,L0为激光传感器至基准面的距离,L1为激光传感器至标准垫块的距离,C为垫块高度。雪深高度值为h。

h=H0-H1=X0·cosα-X1·cosα

(2)

其中,H0为测雪平台至传感器的高度,H1为积雪面至传感器的高度,X0为测雪平台至传感器的距离,X1为积雪面至传感器的距离[4-5],激光雪深观测仪测量示意图如图3所示。

图3 激光雪深观测仪测量示意图

2 实验方案及数据评估方法

2.1 实验方案

以人工观测积雪深度值为对比参考标准,选择符合观测雪深的日子,每天08时、11时、14时和17时开展人工对比观测。测试要求在被试传感器对应测量的测雪板四周进行,每次人工观测须作3次测量,记录在观测簿相应栏中,3次测量的地点应能代表传感器测量处的雪深情况。在测雪板上将量雪尺垂直地插入雪中到板面为止,依据雪面所遮掩尺上的刻度线,读取雪深的毫米整数。要求台站观测人员每天记录吹雪、降雪、霜等重要天气过程。

2.2 评估方法

(1)数据完整性

以传感器观测数据缺测率表示数据完整性。在整个试验期间,如果数据采集系统工作正常,而厂家传感器观测的分钟数据有缺测或无数据现象,则认为传感器观测的定时数据缺测。

(3)

合格指标:缺测率≤2%。

(2)运行稳定性

①仪器安装后和拆除前的运行状态

选取参试传感器安装后和拆除前1 d(测雪板上无积雪覆盖)的完整观测数据,分析雪深传感器观测到的最大值与最小值之间的差异,检验传感器的测量波动性。

合格指标:观测数据最大值和最小值之间的波动应小于10 mm。

②传感器在整个冬季的运行状态

选取各参试传感器的观测数据,分析各传感器观测数据的波动情况。

合格指标:观测数据稳定,在无降雪过程和融化过程时,未出现较大波动。

(3)可靠性

以传感器出现的故障次数表示可靠性,约定在整个试验期间,当厂家传感器工作出现故障、需进行现场维护维修才能恢复正常观测时,记录为1次故障。

合格指标:故障次数≤2次。

(4)准确性

用符合雪深观测时次的人工对比观测数据与参试传感器观测数据进行准确性评估,分别计算两者之间的平均偏差、标准差和粗差。

(4)

Xi为传感器测量值,X为人工观测值,n为对比观测次数。

②标准差(σ)

(5)

③粗差(G)

合格指标:粗差率:≤5%;

标准差≤10 mm。

世界气象组织《气象仪器和观测方法指南》规定的准确性要求为:标准差≤10 mm(雪深≤200 mm),粗差率≤5%(雪深>200 mm),以2倍标准差作为准确性评价指标。此准确性评价指标为业务推荐使用的准确度要求。

3 数据比对分析

分析2018年11月—2019年4月人工雪深对比观测数据可知,台站冬季最低气温为-38.9 ℃,最大风速为3.7 m/s(2 m风杆)。参试设备的自动观测数据通过光纤上传到上位机的分钟数据,以每个时次3次人工测量参试设备对应测雪板上积雪深度的平均值作为参考标准,用于参试设备的外场性能分析。

经分析得知，阿勒泰站51076号参试设备对应的测雪板上人工观测最大积雪深度为327 mm,共有434对有效样本;51077号参试设备对应的测雪板上人工观测最大积雪深度为357 mm,共有501对有效样本。整个试验期间未出现采集软件和硬件故障。

3.1 数据完整性

对参试设备分钟数据进行完整性分析,台站于2019年3月19日05时08分出现总闸跳变,15时10分恢复正常供电,停电期间不列入数据完整性统计,故参试设备数据完整性为100%。参试设备分钟数据完整性统计结果如表1所示。

表1 参试设备分钟数据完整性统计结果

3.2 数据准确性

图4、图5分别为2套参试设备在整个外场试验期间自动测量值与人工观测积雪深度对应样本随时间的折线图,整个观测试验期间参试设备测量值与人工观测值对比结果一致性较好,能够反映降雪过程。

图4 51076号参试设备自动观测与人工观测结果对比

图5 51077号参试设备自动观测与人工观测结果对比

由图4可见，51076号参试设备在出现降雪过程时,雪深传感器的积雪深度观测结果明显增加,雪深传感器在降雪过程中观测值未出现明显跳变现象,运行状态稳定。有2个时间段参试设备与人工观测的积雪深度差距较大,经过与观测人员核实,在2018年12月1—4日测雪板上出现冰水混合物,人工量雪尺没有插到测雪板表面,导致人工测量结果偏低;在2019年3月2—18日,参试设备激光测雪点被动物踩踏导致凹陷,自动观测结果比人工测量偏低。以上两个时间段内的测量样本不计入准确性统计分析样本。

图5为51077号参试设备自动观测与人工观测结果对比。统计期间2018年11月24—28日以及12月1—5日,对应测雪板上积雪平面被动物踩踏，这两个时间段内的测量样本不计入准确性统计分析样本。

由于参试设备测量与人工测量积雪深度之间的误差全部分布在-30～+21 mm之间,将参试设备与人工测量之间的误差按照-30～+21 mm进行均等间隔划段分析,统计观测样本在每个误差区间出现的概率分布(图6、图7)。由分析得知,2套参试设备观测误差主要分布在-10～+5 mm之间。