降水多傳感器雨量數據異常分析

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一、概述

降水作為氣象觀測要素中一個重要的部分，它的重要性可想而知，但是自地面氣象觀測自動化以來，每個臺站也只有主站一臺、備份站一臺的雨量傳感器，首先，雨量傳感器的唯一性就容易造成由傳感器故障導致的數據缺測、數據不準確。其次，單一的雨量傳感器也會造成實際觀測中不易發現的數據異常、漂移等問題。同時降水本身就是一個區域性、范圍性的過程，單一的雨量傳感器只能觀測一個點雨量，并不一定能很好地代表實際過程中的降水總量，故需要通過安裝不同位置、不同方向的多個傳感器實現面雨量綜合分析融合更具代表性。為解決單雨量在業務運行中的弊端，２０２０年９月１７日根據上級指示滁州國家基本氣象觀測站（以下簡稱滁州站，ＤＺＺ３型自動氣象站）進行了降水多傳感器的安裝和運行。本文通過對降水多傳感器在滁州站實際應用情況與存在問題進行分析討論。

二、傳感器結構及運行原理

（一）傳感器結構

降水多傳感器（圖１）采用三個完全相同的ＳＬ３?１型翻斗式雨量傳感器為感應元件，通過降水多傳感器標準控制器對三個傳感器的輸出值進行分析融合處理，輸出經過選擇的相對可靠的數值作為瞬時輸出值。三個翻斗式雨量傳感器安裝在兩兩相距１．５ｍ處，成等邊三角形分布。

（二）運行原理

（１）通過將三個雨量傳感器的分鐘數據進行融合處理得出標準值。（２）計算標準值與三個雨量傳感器的差值。（３）將各雨量傳感器與標準值的差值進行對比分析。（４）選擇差值較小的雨量傳感器作為源數據進行數值輸出。（５）如若下一時次的源數據與標準值對比未超出允許范圍，則將繼續選用上一時次的源數據繼續作為輸出值輸出；如若下一時次的源數據與標準值對比超出允許范圍，則將重新選用與標準值偏差較小或者相同的源數據作為輸出值輸出。

三、運行情況分析

臺站所用降水多傳感器均統一采用３個完全相同的ＳＬ３?１型雨量傳感器。所選取的數據分析時段均無缺測數據，確保整個過程的數據完整性。以滁州站２０２１年９月２０日０１時—１０時００分為數據分析時段，選此時段是因為出現了較強降水過程，同時在降水之前３個雨量傳感器都進行過儀器校準標定，能較好地確保數據的準確性和可用性。故這個時段可以很好地進行數據比對和分析。降水數據采用小時累積量進行對比分析，將３個雨量數據分析可得圖３。圖３由圖３可得出主要降水時段為０４—０８時，其中降水最明顯的時段為０５時—０７時。從整體看３個雨量傳感器的降水總量相差不大，３個雨量傳感器降水數據分別為２１．１ｍｍ、２１．１ｍｍ、２１．２ｍｍ，標準值為２１．１ｍｍ。從降水總量來看３個雨量傳感器的偏差非常小，只有翻斗３雨量傳感器比其他兩個偏多０．１ｍｍ。又以滁州站２０２１年１０月１４日２０時０１分—１５日２０時００分為數據時段，分析得出圖４。圖４由圖４可得出全天每個時次都有降水，其中降水最明顯的時段為０３時、１１時、１２時、１８時和２０時。３個雨量傳感器降水數據分別為２９．２ｍｍ、２７．８ｍｍ、２７．４ｍｍ，標準值為２７．８ｍｍ。該時段三個翻斗小時累計量各有差異，其中可以明顯地發現翻斗１降水數據明顯大于翻斗２和翻斗３，翻斗２和翻斗３數據較為接近，且誤差在可接受范圍內，所以可以看出數據在分析處理的時候就已經將翻斗１的降水數據通過與標準值對比，將翻斗１的降水數據判斷為可疑數據或錯誤數據，最后并未將其作為輸出值輸出。又以２０２１年１１月４日２０時０１分—５日２０時００分為數據分析時段，選此時段同樣是因為有較強降水過程，且與１０月５日降水相類似的情況。由該時段數據分析得出圖５。由圖５可得出主要降水時段為０４時、０５時、０６時和０７時。３個雨量傳感器降水數據分別為１３．７ｍｍ、１５．３ｍｍ、１５.２ｍｍ，標準值為１５．２ｍｍ。該時段三個翻斗小時累計量中翻斗１的雨量與翻斗２和翻斗３的雨量差異明顯，其中可以明顯地發現翻斗１降水數據遠小于翻斗２和翻斗３，翻斗２和翻斗３數據相差無幾，僅有０．１ｍｍ的誤差，所以同樣可以看出數據在分析處理的時候就已經將翻斗１的降水數據通過與標準值對比，將翻斗１的降水數據判斷為可疑數據或錯誤數據，最后并未將其作為輸出值輸出?？紤]到３個儀器有微小差異及傳感器靈敏度不同的情況下，會存在分時段的雨量差異，但從降水總量上分析發現整個過程雨量的偏差在±３％范圍內，在儀器性能允許的誤差范圍內，故在設備不出現故障或者僅有一個雨量傳感器出現故障的情況下，能較好地排除或過濾掉可疑的數據，不論該數據是偏大還是偏小，降水多傳感器系統總能以較為準確的數據進行輸出，因此降水多傳感器的總體效果良好，運行較為穩定，數據較為準確可靠，數據可用率較高。

四、異常數據分析

以滁州站２０２１年７月２７日２１時０１分—２８日１０時００分為數據分析時段，選此時間段是因為該時段有較強降水過程，同時該日翻斗１數據存在異常整體數值偏小，翻斗３雨量傳感器因泥沙影響導致數據異常不準確。通過已知翻斗１雨量傳感器數據異常，翻斗３雨量傳感器存在故障導致數據異常的情況下對比實際輸出值與備份站雨量是否存在差異進行分析。降水數據采用小時累積雨量進行對比，以備份站數據作為參考值，將３個雨量傳感器與標準值進行對比分析（圖６）。８該時段三個翻斗小時累積總量分別為５１．１ｍｍ、６２.６ｍｍ、５７ｍｍ，傳輸值、標準值、備份站小時累積總量分別為５７ｍｍ、５７ｍｍ、６３．８ｍｍ。由圖６可知小時累積降水量傳輸值、標準值與翻斗３小時累積降水量一直，即可說明數據處理之后的傳輸值以翻斗３的數據為參考，又由圖７可知傳輸值和標準值與備份站數據相差較大，在已知翻斗１數據異常，翻斗３雨量傳感器因泥沙堵塞導致數據異常的情況下，可得出降水傳輸值遠小于實際降水值。又通過圖８可得出翻斗２雨量傳感器降水數據與備份站降水數據差異較小，故可得出翻斗２雨量傳感器數據較為準確。在此時間段內降水多傳感器通過微控制器分析融合處理以后并未剔除觀測異常值，沒有輸出正確的觀測值，從而未確保降水過程數據的準確性。從大雨強和小雨強兩個方面分析，發現在小雨強時，三個雨量傳感器的數值沒有較大差異，輸出值也與實際雨量相當。當降水為大雨強時，就能明顯地發現翻斗１雨量遠小于翻斗２和翻斗３的雨量，當三個雨量傳感器的數值為翻斗１小于翻斗３小于翻斗２時，我們發現標準值接近于中間翻斗３的數值，導致最終輸出值以翻斗３為源數據輸出。在沒有人工觀測作為對比的情況下，僅能以備份站數據作為參考值進行比較，從中可以發現當出現兩個或者更多雨量傳感器發生異常時，降水多傳感器就無法及時地發現問題，也無法合理有效地判斷數據準確性，從而確保輸出正確的降水數據。

五、結論

針對單一雨量傳感器所存在的問題，進行了更換，變成了現在的降水多雨量傳感器。從硬件以及數據采集上進行了優化升級，希望可以提高數據的準確性和穩定性?？傮w上降水多傳感器效果良好，運行穩定。但實際工作應用中卻仍存在些許不足，通過降水數據的對比分析，發現以下幾點問題：（１）當三個雨量傳感器中出現兩個或兩個以上的數據異常時，降水多傳感器并未能發現異常，也無法選取出三個雨量傳感器中相對正確的數值，在沒有人工干預的情況下也未能及時地對三個雨量傳感器數值提出異議，導致最終輸出值的不正確。（２）當標準值與其中某一雨量傳感器數值相近時，最后輸出值將一直采用該雨量傳感器數值，同時若下一時次仍然數值相近，則錯誤數據會一直作為輸出值輸出，影響降水數據的準確性。（３）當三個雨量傳感器數值相差較大時，數據融合出的標準值也并不能具有代表性，結果就是與標準值接近的一個雨量傳感器作為輸出值輸出，本身并未發現數據存在異常，并未對三個雨量傳感器的數值提出異議或者剔除異常的數值，從結果來看就是最終降水多傳感器沒有完成數據整合篩選，并沒有選擇相對正確的雨量傳感器作為源數據輸出。

參考文獻：

［１］許霞，唐曉東．溫雨多傳感器標準系統業務應用初探［Ｊ］．科學技術創新，２０２１，１０：８４?８６．

［２］何艷麗，黃飛龍．多傳感器自動站的數據融合效果及優勢分析［Ｊ］．氣象，２０１５，４１（８）：１０２８?１０３５．

［３］中國氣象局綜合觀測司．地面氣象自動觀測規范（第一版），２０１９．

作者：張寧歆 金華星 楊瓊 單位：滁州市氣象局 定遠縣氣象局