多要素自动气象站（OITS-03型）降水对比观测分析

2019-12-30张杰吴有恒田孟勤徐良军彭科曼

绿色科技 2019年22期

张杰吴有恒田孟勤徐良军彭科曼

摘要：对OITS-03型气象站和DZZ4自动气象站2018年12月至2019年6月共计7个月降水对比观测数据进行了分析，结果发现OITS-03型气象站具有以下特点：①数据传输及时稳定，受外界影响小，设备可靠性高;②小时降水数据准确可靠，可用率高;③过程降水量均偏小，降水等级越大与DZZ4自动气象站数据间的误差越小;④降水个例中，OITS-03型气象站降水的时间和雨量大小分布与DZZ4自动气象站基本一致，最大小时降水量相差不超过1.0mm。

关键词：OITS-03型气象站;降水;对比观测

中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0040-03

1 引言

降水指的是从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的水，而在实际业务中降水观测则包括降水量和降水强度的观测[1]。目前国内气象站用于降水观测的设备主要有人工观测雨量器、翻斗式雨量传感器、虹吸式雨量计和称重式降水传感器等[2]。不同设备因观测原理的不同，所测得的降水量也不尽相同。为了解设备之间的差异，主要采用对比观测的方法，如张红英等[3]利用3种雨量观测仪观测数据之间的差异进行了对比分析，贾小芹[4]等利用对比观测数据分析了激光雨滴谱仪与自动气象站在降水观测上的差异。随着更多对比实验的出现[5-6]，对比观测已成为研究降水观测设备间差异的主要手段。

贵阳市气象局在现行业务部署中，以ZQZ型区域自动气象站为主，该设备在实际工作运行中存在设备价格昂贵、数据信号丢失、维护维修成本较高等问题。OITS-03型自动气象站是一种能够测量多气象参数一体化气象站，具有成本低、维护方便，数据信号可靠等优点。为了进一步提高观测资料的稳定性，降低自动站设备建设和维护维修成本，故对OITS-03型自动气象进行对比观测，讨论将其运用到实际业务中的可能性。

2 对比观测设计

2.1 观测场地和时间

选取贵阳国家基准气候观测站（26°35′N，106°44′E）进行对比观测，观测场内为DZZ4型自动气象站（以下简称主站），将OITS-03型自动气象站（以下简称对比站）布置在围栏外东侧，两套设备的下垫面特征基本一致，且均符合《气象仪器和观测方法指南》[7]，因此降水观测资料具有可比性。对比观测时间为2018年12月至2019年6月，共计7个月，包括了降雨过程和降雪过程。

2.2 传感器参数

主站：SL3-1型翻斗式雨量传感器，输出信号采用单干式舌簧管通断，承水口径为200+0.6mm，分辨力为0.1mm，体积为260（直径）mm×545（高度）mm。

对比站：L3型翻斗式雨量传感器，输出信号采用单干式舌簧管通断，承水口径为200+0.6mm，分辨力为0.2mm，体积为260（直径）mm×420高度）mm。

2.3 分析方法

观测差值：选取北京20：00为日界[8]，对比站资料减去对应时次的自动气象站资料后去的值定义为观测差值，可直观反映出对比值偏大或偏小情况。

数据可用率：对比站小时数据和主站小时数据进行差值计算，将差值在±0.2mm以内的对比站数据作为可用数据，可用数据/对比站数据一数据可用率。

降水过程：为避免跨日界及滞后降水引起的降水误差，将两者小时降水量间断同时超过1h以上作为一次降水过程的结束，从2018年12月至2019年6月间，统计共有135个降水过程。

降水量等级：除降雪外，根据国家标准对降水量进行划分，24h内小雨为0.1～9.9mm，中雨为10.0～24.9mm，大雨为25.0～49.9mm，暴雨≥50mm。

3 对比观测分析

3.1 数据稳定性分析

對比站从2018年12月开始进行观测，每分钟传回一组降水观测数据，对2018年12月至2019年6月间传回的所有数据进行统计，将每月的分钟总数作为分母，将每月的分钟总数减去对比站每月传回的数据组数作为分子来计算观测数据的缺测率，按照时间顺序排列，2018年12月至2019年6月结果依次为0.13%、0.18%、0.07%、2.85%、0.46%、0.28%、1.30%，分钟数据缺测率低于0.5%的共有5个月，最高为2.85%，说明观测数据传输及时稳定，设备可靠性高。

3.2 小时降水f对比

将对比站小时降水量数据进行差值计算，然后对其进行数据可用率分析，结果见表1：对比站小时数据可用率按照时间排列依次为97.8%、98.4%、98.4%、99.1%、97.8%、96.0%、93.6%，均超过93%，7个月内全部小时降水量的总体数据可用率高达97.3%，数据准确可靠，可用率高;与本站小时降水量数据相比，偏小数据占比为9.2%，偏大数据占比为6.0%，再结合本站月降水量数据，发现月降水量的大小对对比站数据可用率和偏大或偏小并无明确的影响，说明外界环境的变化对仪器的影响不大。

3.3 日降水f对比

通过分析本站和对比站日降水量资料发现：2018年12月至2019年6月对比站和本站日降水量的Pear-son相关系数均达到99.94%以上，两者之间的拟合效果非常好，对比站日降水量曲线的变化趋势与本站几乎完成一致，其中共有10d出现本站出现0.1mm及以上降水时，对比站无降水的情况，其中0.1mm出现7d，0.2mm出现3d;对比站出现0.1mm及以上降水而本站无降水的情况共出现4d，其中。.2mm出现1d，0.4mm出现1d，0.8mm出现1d，1.0mm出现1d。

对这14d的数据进行分析，发现0.4mm、0.8mm和1.0mm依次出现在2019年1月1日、2018年12月31日和2019年1月2日，正好出现在2018年12月30日贵阳出现较大规模降雪之后，再对这3d对比站的小时气温数据进行分析，发现对比站出现降水时，气温均在零度以上，所以这3d的降水应该是对比站雨量筒里面的积雪逐渐融化造成的。其余11d的数据均在0.1～0.2mm，这应该是由于本站的雨量筒分辨率（0.1mm）灵敏度比对比站雨量筒分辨率（0.2mm）高造成的系统性误差。

3.4 过程降雨f对比

通过对135个降水过程对比发现，不同降水量等级之间，本站和对比站过程降雨量差值变大较大（表2）。为得到更准确的对比结果，将小雨（0.1～9.9mm）过程划分为4个等级进行分析，发现对比站过程降水量平均值较本站偏少，降水量越多，两者之间的差值也越大，但差值百分比却逐渐在减少。虽然中雨量级和大雨量级的对比站过程降水量也均比本站过程降水量少，但两者平均差值在1mm左右，两者之间的差距也越来越小。两个暴雨个例中，对比站过程降水量都偏小，但与本站过程降水量的差值已接近2%。降雪时，对比站过程降水量偏小的较为明显。由降水等级从小到大，对比站和本站过程降水量平均差值的变化过程可以看出，降水等级越大时，对比站的误差越小，其降水量越接近本站降水量。

3.5 降雨个例拟合分析

为了解对比站和本站在降雨过程中的差异，选取本站7个月以来最大的4个降水过程，分别为2个暴雨过程（5月25日154.3mm和6月12日54.3mm）和2个大雨过程（6月8日43.1mm和5月17日42.6mm），进行对比站和本站的降水曲线的拟合，结果见图1。4个降水过程中，对比站与本站在降水时间分布上基本一致，对两者的降水曲线进行拟合计算，发现Pearson相关系数均在99.9%以上。

5月25日本站降雨量为154.3mm，而对比站降水量为151.6mm，与本站相差-2.7mm，最大小时降水量相差-0.5mm;6月12日本站降雨量为54.3mm，而对比站降水52.6mm，与本站相差-1.7mm，最大小时降水量一样多;6月18日本站降雨43.1mm，而对比站降水41.2mm，与本站相差-1.9mm，最大小时降水量相差-0.9mm;5月17日本站降雨42.6mm，而对比站降水43.2mm，与本站相差0.6mm，最大小时降水量相差0.4mm。与本站相比，个例中对比站降水量常偏小，但总降水量误差在1.7mm以内，最大小时降水量相差不超过1.0mm。

4 结论与讨论

通过本站与对比站2018年12月至2019年6月共计7个月135个降水过程的对比观测数据进行分析，可以得出以下结论。

（1）对比站观测数据传输及时稳定，受外界影响小，设备可靠性高。

（2）对比站小时降水数据准确可靠，可用率高，日降水量曲线的变化趋势与本站几乎完全一致。

（3）对比站的过程降水量均偏小，降水等级越大两站之间的误差越小[9～15]。

（4）降水个例中，对比站降水的时间和雨量分布与本站基本一致，总降水量误差在1.7mm以内，最大小时降水量相差不超过1.0mm。

通过以上分析发现，多要素自动气象站（OITS-03型）与DZZ4型自动气象站降水观测的一致性较好，可将其运用到实际业务中，但因对比观测实验开始的时间较晚，进行对比分析的观测资料较少，希望在今后获取时间序列更加完整的数据后，对其进一步验证。

参考文献：

[1]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

[2]中国气象局.新型自动气象站使用手册[M].北京：气象出版社，2016.

[3]张红英，沈元德，武向娟，等.三种雨量观测仪观测降水的差异对比分析[J].气象水文海洋仪器，2017（1）：73～75.

[4]贾小芹，郑丽娜，张子涵，等.激光雨滴谱仪探测降水与自动气象站观测降水的对比分析[J].海洋气象学报，2019，39（1）：123～130.