降水现象仪数据分析及订正算法研究

常奋华> 王 帅 唐辉亮 于子敏

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350008;2.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350008;3.三明市气象局，福建 三明 353000)

降水粒子在重力作用下因降落速度不同而导致的碰并现象[1],是云雨形成的重要过程。较大的雨滴会受到表面张力、空气压力以及重力引起的水滴内部的静压力差。随着水滴的增大，空气压力与水滴内部的静压力差随之增大，而表面张力却因曲率的减小而减小[2]，在这三个不同作用力共同作用下，大雨滴在降落时发生变形，雨滴越大，变形越严重,且当雨势较强时，易发生两个或多个降水粒子的碰并结合，造成传感器对降水现象判定错误。本文结合DSG4降水现象仪的测量原理及测量特性，通过对降水谱图的“雨区”和“冰雹区”现象进行阈值质控验证，减少降水现象的误判问题，为DSG4降水现象仪的数据可靠性进行科学论证。依托雨滴谱传感器现有算法，在强降水粒子谱图分析的基础上对此类降水现象进行数据质量控制，降低误判冰雹发生，提升降水现象仪观测数据准确度。

1 降水现象仪的测量原理

降水现象仪的核心观测为发射水平光束的激光传感器，该传感器发射器和接收器均集成防护罩内，结构如图1所示。

图1 降水现象仪测量结构图

设备开始工作时，激光发射端发射一束水平的激光，接收端根据接收激光强度转换成相应强度的电信号；当测量区没有降水粒子时，接收端输出的电压为连续固定值，输出为无降水；当测量区有降水粒子通过时，因降水粒子遮挡一部分激光光束，所产生的消光作用将使激光光束的强度减弱，接收端输出的电压降低，输出电压波谷，通过输出电压与固定值偏离幅度计算降水粒子的直径(D)，同时，根据遮挡激光光束的时间(△t)计算降水粒子的降落速度。测量原理如图2所示。

(a)降水粒子经过水平激光测量区过程中电子信号转换(b)接收单元接收到信号变化范围 (c)根据信号变化值计算粒子直径及速度对应关系图2 降水粒子直径与速度计算原理

通过降水现象仪算法处理后，对激光带的降水粒子进行分级和统计，可将降水粒子的直径从0.2mm到25 mm分成32个等级，速度从0.2m/s到20 m/s分成32个等级。通过降水粒子统计分析，得出不同种降雨类型的强度、总量、粒子大小和速度，形成降水的能量谱图。

2 降水相态判定依据

根据Gunn-Kinzer Line以及等速线(V=2.7m/s和V=10m/s)对不同相态的降水做出划分。降水相态判定依据粒子降落速度V及粒子大小D。Gunn-Kinzer Line 划分相态公式如下所示：

V=A-Bexp(C×D)

其中，D为粒子直径，V是当前粒子降落速度，取A=9.65，B=10.3，C=-0.6，则公式变为：

V=9.65-10.3exp(-0.6D)

结合公式对降落粒子进行图谱划分，谱图具体划分如图3所示。

(a)降水相态划分(b)频谱采样转换图

降水粒子下落过程中会发生拉伸破裂。根据传感器测量原理可知：降水粒子的拉伸会增大直径等级，而降水粒子的破裂会减小直径等级；在实验室中，降水粒子破碎的临界半径为4.3mm，然而大气存在明显的湍流，湍流越强，破碎的临界直径会越小，因此测量降水粒子自发破碎半径为3～3.5mm，很少出现直径6mm以上的雨滴。通过大量试验数据分析，对粒子直径大于4.75mm及降落速度在6.8～12m/s区间的降水粒子进行修正，属于冰雹红色R区，修正结果由图3(b)可清晰看出。

3 数据统计分析

选取福建省69个国家气象观测站2020年5月1日—6月30日的数据进行统计分析，降水现象仪观测到冰雹主要发生在强对流或短时强降雨期间，小时降水量在30mm/h及以上。其中，69个国家气象观测站满足条件的降水时间共计3847分钟，冰雹出现时间共计279分钟，真正出现冰雹分钟为2分钟，冰雹误判率为7.3%，真正出现冰雹比例为0.052%，选取冰雹误判8次及以上典型站点强降水与误判冰雹之间关系如图4所示。

图4 典型站点误判冰雹与强降水关系图

由图4可见，误判冰雹与强降水发生次数存在一定关系，强降水次数越多，冰雹误判出现次数会相应增多。然而部分站点如大田和德化，强降水发生次数相对较少，而冰雹误判率分别为25%和34.2%，误判率较高；站点出现冰雹误判主要与强降水粒子到达仪器采样区相态有直接关系，需要进一步统计误判站点粒子谱图查找误判原因及算法改进。误判冰雹超过5次及以上的站点如图5所示。

图5 误判超过5次及以上站点数量

通过统计各站误判冰雹次数，出现误判冰雹站点共49个，图5给出超过5次误判的站点，数量达27个，超过10次误判的站点6个，误判冰雹最多的2个台站分别为顺昌(26次)和大田(22次)，如此多的冰雹误判需要台站人员不断加强数据质控，将严重影响地面自动化改革的推进和发展。

分析发现，误判均出现在强降水天气过程中，而且误判冰雹多数发生在强降水开始和分钟雨强最大时刻左右，从而进一步说明强雨滴粒子下降过程中不断拉伸碰并，导致直接变大和速度变快，到达采样区后符合冰雹相态，被误判为冰雹。以宁德福鼎台站2020年6月2日—6月5日连续强降水为例，强降水过程如图6所示。

图6 福鼎站点强降水分布图

由图6可见，6月2日—6月5日降水过程中共发生4次短时强降水，且均出现冰雹误判现象。强降水时间段对应的粒子图谱如图7、图8所示，4个时间段的强降水过程均有降水粒子落在冰雹划分区域。6月2日落在冰雹区域的降水粒子有8个，6月3日有4个，6月5日有4个，6月6日有5个，被判定为冰雹，输出代码为89，因此导致误判冰雹发生，主要原因为短时强降水过程中降水粒子碰并导致粒子直径变大，从而造成误判情况发生，因此需要对误判冰雹进行数据订正和算法改进。

图7 6月2日和6月3日出现冰雹粒子图谱

图8 6月5日和6月6日出现冰雹粒子图谱

4 冰雹算法修正

根据分析冰雹误判情况和真正冰雹数据图谱，冰雹算法需要进一步修正,粒子的降落速度和直径满足3个条件才能判定冰雹，修正条件如下：

①V=9.65-10.3exp(-0.6D)

②Er≥-45%且D>5mm

③测量通道的粒子需满足两个以上通道，且每个通道内冰雹数量不少3个。

同时满足以上三个条件的降水现象可判定为冰雹。

5 冰雹误判数据质控分析

选取福建省69个国家气象观测站2020年5月1日—7月31日数据进行重新质控，测得强降水时间为5377分钟，误判冰雹381分钟，涉及54个台站，质控后冰雹减少至10分钟，台站减少至8个，冰雹最多的柘荣台站，冰雹出现2分钟。因此经过质控后冰雹误判大大降低，并将改进算法应用于降水现象仪，从而进一步提升观测数据准确性，减轻台站保障人员劳动强度，有力推动地面自动化改革的进展。

选取南平延平和宁德柘荣两个站点质控前后强降水与冰雹之间关系如下。

5.1 南平延平站点数据分析

选取该站点2020年6月6日—6月8日典型降水过程数据，强降水曲线图如图9所示。

图9 南平延平实验站降水强度曲线数据

由图9可见，该站点发生5次强降水过程，质控前5次强降水过程中均存在误判冰雹，5次过程对应降水粒子图谱如图10、图11所示。

图10 点1与点2粒子图谱

图11 点3、点4和点5粒子图谱

由图10、图11可见，在本次降水过程中5个雨强较大的时刻均存在直径大于等于5mm、速度大于等于10m/s的降水粒子出现在冰雹相态区域，其中点1出现2个降水粒子，点2出现5个降水粒子，点3出现4个降水粒子，点4出现5个降水粒子，点5出现1个降水粒子，对本次降水过程质控后，5个强降水时刻均不满足“降水粒子个数大于等于6个”，因此质控后判定结果均为降雨。主要原因：雨强较大时，雨滴粒子极易产生碰并效应，导致粒径变大，达到冰雹判定标准，从而产生误判冰雹现象发生；降水现象仪经过前端质控后，此次降水过程未发现冰雹，从而提高降水现象仪观测准确性。

5.2 宁德柘荣站点数据分析

选取宁德柘荣站点2020年7月1日4次典型降水过程数据，4次降水强度分布为63.6mm/h、113.5mm/h、131.0mm/h、38.8mm/h，降水强度随时间变化曲线图12所示。

图12 宁德柘荣2020年7月1日降水强度趋势图

四次强降水时间段分布对应的粒子谱图如图13、图14所示。

图13 点1和点2强降水过程对应的粒子谱图

图14 点3和点4强降水过程所对应的粒子谱图

由图13、图14可见，本次降水过程中，点1无降水粒子在冰雹橙色区域内，因此观测数据为雨，与实际相符；点2有超过直径5mm的降水粒子9个，分布位于4个通道，速度均在10m/s左右，符合冰雹相态，判定为冰雹，与实际观测相符；点3与点4在冰雹橙色相态区降水粒子分布为1个和5个，质控前判定为冰雹，质控后降水粒子个数达不到6个要求，修正降雨，与实际观测相符。

本次4个强降水观测点有两个观测与实际相符，2个出现误判冰雹，误判率达到50%，经过算法修正后，后2次的误判冰雹修正为降水，提高降水现象仪观测数据准确性。

6 结论

本文通过对福建省2020年5月—7月国家气象观测站降水现象仪观测数据及图谱数据统计分析，寻找出冰雹误判的原因并对算法进行改进，应用于降水现象仪前端，提高观测数据准确性，降低大多数冰雹误判情况发生，具体结论如下：

①降水现象仪在降水强度过大时比较容易产生冰雹误判，通过算法升级后，冰雹误判情况大大降低，但是仍然会存在部分误判数据，需要对全省降水现象仪数据进行综合分析，特别是实际观测冰雹站点数据详细分析，进一步优化质控算法，提升观测数据准确性。

②通过大量的谱图数据分析对比发现，降水现象仪在雨势大且连续降水时，降水粒子发生碰并导致粒子直径增大，达到橙色冰雹相态判定标准，从而产生误判。本文提出冰雹误判修正算法，在满足降水粒子直径≥5mm的条件下，还需要增加通道>2个、粒子个数≥6个、降落速度8m/s以上的判定条件。通过实际业务应用，降低97.6%冰雹误判情况发生，进一步提升观测数据准确性。然而，三明大田台站连续出现23分钟冰雹误判，需要进一步优化算法，同时考虑不同云状情况下例子浓度与雨强大小之间关系，减少误判冰雹情况发生。