張 婷, 劉文忠, 劉 宇, 李建明

(河北省氣象技術(shù)裝備中心,河北 石家莊 050021)

0 引 言

積雪深度是表征降雪量和積雪特征的主要參數(shù),對于防災(zāi)減災(zāi)和公共氣象服務(wù)具有重要意義。目前,我國氣象業(yè)務(wù)上主要通過人工讀取測雪尺刻度的方法獲取雪深數(shù)據(jù)[1]。人工觀測雖能較準(zhǔn)確地反映積雪深度,但主觀性強(qiáng)、時效性差、時空密度不足等缺點(diǎn),不能全面、連續(xù)反映積雪的動態(tài)變化過程,已難以適應(yīng)當(dāng)今氣象業(yè)務(wù)的需求[2]。因此,為了獲取更客觀、連續(xù)的觀測資料,提高觀測質(zhì)量和觀測效率,急需研發(fā)適合當(dāng)今氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的自動化雪深觀測儀器[3]。

常見的雪深自動化觀測方法有光掃描法、單桿法、雙桿法、紅外測距法、激光測距法、超聲波法。前三種方法是傳統(tǒng)上應(yīng)用較多的雪深測量方法,但由于受機(jī)械活動部件的影響,在實(shí)際觀測中故障頻發(fā),需經(jīng)常維護(hù)[4]；紅外測距法制作成本較低、易于研制,但其測量距離短、精度低、方向性差[5]；激光測距法測量精度高,但制作成本高,難度較大,且光學(xué)系統(tǒng)需要時刻保持潔凈,否則會對測量質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,此外,在降雪時能見度低、降雪后陽光強(qiáng)烈的天氣狀況下,測量精度會嚴(yán)重下降,不利于實(shí)際測量[6]；超聲波法雖然在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度影響較大,但通過溫度補(bǔ)償法能夠提高其測量精準(zhǔn)度,此外,該方法制作簡單、成本低廉,沒有機(jī)械活動部件,受天氣狀況影響較小[4,7,8],因此日常業(yè)務(wù)上被較多采用,也是目前較適合氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用的自動化雪深觀測方法。國內(nèi),針對超聲波傳感器測量已有相當(dāng)?shù)难芯?。徐多等人[9]利用12:30加密和08:00常規(guī)人工雪深觀測數(shù)據(jù)對4個站SR-50A雪深觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了評估和對比分析。梁延偉等人[10]通過對2010年2月、3月佳木斯國家基準(zhǔn)氣候觀測站人工觀測與超聲波雪深傳感器測量獲取數(shù)據(jù)對比、分析不同天氣條件下(高風(fēng)速、低風(fēng)速、低溫度)兩種方法獲得的數(shù)據(jù)差值的變化情況。肖瑤等人[11]利用2004年5月以來超聲雪深傳感器SR-50在青藏高原唐古拉綜合監(jiān)測場獲取的實(shí)時積雪資料和相關(guān)氣象數(shù)據(jù),評估了SR-50在青藏高原積雪監(jiān)測中的性能和作用,并對青藏高原腹地多年凍土區(qū)積雪變化特征進(jìn)行了初步分析。

本文利用2009～2010年中國氣象局綜合觀測司在北京、河北26個氣象臺站開展的對比觀測試驗(yàn)資料,以同一時刻人工測量的積雪深度作為比對標(biāo)準(zhǔn),對超聲波傳感器自動測量雪深結(jié)果進(jìn)行評估,并提出了改進(jìn)方法,旨在為今后的自動化雪深觀測業(yè)務(wù)運(yùn)行提供參考和借鑒意義。

1 超聲波雪深測量原理

超聲波雪深傳感器原理是通過超聲波發(fā)射器向雪面發(fā)射一串超聲波脈沖,同時開始計時,超聲波在空氣中傳播途中碰到雪面就立即返回,超聲波接收器接收到反射回波時立刻停止計時,從而測量出超聲波在空氣中的傳播時間,再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度,即可計算出傳感器與雪面之間的距離,從而得到雪深。雪深計算公式[10]為

D=H-vt/2

(1)

式中D為雪深,H為超聲波傳感器安裝高度,v為超聲波在空氣中的傳播速度,t為超聲波往返時間,考慮到空氣溫度對超聲波傳播速度的影響,通過溫度補(bǔ)償法對傳播速度及雪深予以校正[10]

(2)

從而校正后的雪深為

(3)

式中Tk為環(huán)境的開氏溫度,Ds為測得的超聲波傳感器到雪面的距離。

2 超聲波雪深觀測誤差分析

2.1 人工觀測有積雪時超聲波傳感器誤差分析

利用2009年11月～2010年4月河北省22個臺站人工觀測有雪深時次的人工和超聲波傳感器自動測量雪深數(shù)據(jù),計算得到雪深平均誤差ε1及雪深誤差絕對值平均ε2

(4)

(5)

由圖1可知,雪深平均誤差多為正值,22個站求平均后為3.32 mm,表明人工略大于超聲波傳感器測得的雪深。對22個站的雪深誤差絕對值平均求平均值后為8.96 mm。各臺站之間的雪深平均誤差及雪深誤差絕對值均存在較大差異,絕對值誤差最大的站是黃驊站達(dá)40 mm,其次為蔚縣達(dá)23 mm,可見利用超聲波傳感器自動測量雪深不夠穩(wěn)定。

圖1 超聲波傳感器觀測雪深平均誤差及誤差絕對值平均

為了進(jìn)一步分析超聲波雪深觀測誤差,利用2010年1月至3月北京4個臺站人工定時觀測雪深與同時間超聲波傳感器觀測的雪深數(shù)據(jù),分別計算出雪深的日平均誤差、日正點(diǎn)最大誤差、日正點(diǎn)最小誤差。其中,日平均誤差為當(dāng)日各正點(diǎn)觀測誤差絕對值的平均值；日正點(diǎn)最大(小)誤差為當(dāng)日各正點(diǎn)觀測誤差的絕對值的最大(小)值。如圖2所示,北京4個臺站的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數(shù)據(jù)量的90 %。日平均誤差的平均值為6.36 mm,均方差為6.20 mm。4個臺站超聲波傳感器觀測與人工觀測的日正點(diǎn)最大誤差相對較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,當(dāng)人工觀測雪深在50 mm以下時,87.5 %的日正點(diǎn)最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時在18～46 mm之間。日正點(diǎn)最小誤差除南郊站在1月4日較大外,其余站點(diǎn)均穩(wěn)定在0～5 mm之間。

圖2 超聲波傳感器觀測雪深日誤差分布

由圖1和圖2可知,超聲波傳感器測量值的日平均誤差主要分布在毫米(mm)級范圍內(nèi),精準(zhǔn)度上基本能夠滿足業(yè)務(wù)需求,但日正點(diǎn)最大誤差存在較大波動,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差,無法滿足氣象部門對雪深觀測儀器穩(wěn)定性的要求。

2.2 人工觀測無積雪時超聲波傳感器誤差分析

2009年11月～2010年4月觀測期間,當(dāng)人工觀測無積雪現(xiàn)象時,河北省22個臺站平均有6天出現(xiàn)超聲波傳感器自動測量有雪深數(shù)據(jù)的情況,且各臺站出現(xiàn)有雪深數(shù)據(jù)的日數(shù)差異較大,其中遵化最多為43d,其次為宣化34d。由此可見,超聲波雪深傳感器的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問題。

圖3 人工觀測無積雪時,超聲波傳感器觀測有積雪的日數(shù)

3 超聲波雪深傳感器改進(jìn)方法

分析可知,超聲波雪深傳感器穩(wěn)定性較差,主要是儀器測量方法存在缺陷造成的。雪深傳感器是利用超聲波進(jìn)行測距的,不同環(huán)境溫度下超聲波的速度是不一樣的,需要測量雪深傳感器所處位置空氣溫度來修正超聲波的速度。由于臺站開始安裝的溫度傳感器測的是直射溫度,導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)無規(guī)律跳變。針對上述問題,對河北省22個臺站的超聲波傳感器增加了溫度傳感器輻射罩(如圖4),并對增加溫度傳感器輻射罩前后超聲波傳感器自動測量雪深進(jìn)行了模擬。

圖4 增加溫度傳感器輻射罩后的探頭

圖5為2010年1月17日00:00時～18日23:59時超聲波雪深傳感器增加溫度輻射罩前基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù),基準(zhǔn)高度為1 582 mm。

圖5 未增加溫度輻射罩時基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù)

由圖5可知,實(shí)測高度數(shù)據(jù)無規(guī)律跳變,且與基準(zhǔn)高度存在較大偏差,差值范圍在-11.4～4.2 mm之間。圖6為2010年12月4日00:00時～5日23:59時增加溫度輻射罩后超聲波雪深傳感器基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù),基準(zhǔn)高度為1 485 mm,由圖6可見,數(shù)據(jù)跳變大幅度下降,與基準(zhǔn)高度偏差范圍在-5.1～4.2 mm之間。

圖6 增加溫度輻射罩后基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù)

圖7為2010年11月24日00:00時～25日23:59時增加溫度輻射罩后,在下墊面放置32 mm厚的木板進(jìn)行模擬雪深,實(shí)測雪深分鐘數(shù)據(jù)與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對值平均為2.0 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 mm。由此可見,溫度會影響超聲波脈沖的工作性能,也是影響超聲波傳感器測量穩(wěn)定性的一個主要因素。通過增加溫度傳感器輻射罩的方法對溫度進(jìn)行校正后,超聲波傳感器測得的雪深數(shù)據(jù)受溫度的影響大大減少,分鐘數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變的次數(shù)明顯減少。

圖7 增加溫度輻射罩后模擬雪深分鐘數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

利用2009～2010年中國氣象局綜合觀測司在北京、河北26個氣象臺站開展的對比觀測試驗(yàn)資料,對超聲波傳感器自動測量雪深的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性進(jìn)行了評估,并提出了改進(jìn)方法。得到以下結(jié)論:

1)人工觀測有積雪現(xiàn)象時,北京4個臺站超聲波傳感器測量值的日平均誤差主要分布在0～10 mm之間,約占總數(shù)據(jù)量的90 %；河北22個臺站雪深平均誤差求平均值為3.32 mm,雪深誤差絕對值平均求平均值后為8.96 mm,均在毫米(mm)級范圍內(nèi),精確度基本能夠滿足氣象業(yè)務(wù)需求。

2)超聲波雪深測量值穩(wěn)定性較差,人工觀測有積雪時,北京4個臺站超聲波傳感器日正點(diǎn)最大誤差相對較大,平均值為12.83 mm,均方差為11.95 mm,人工觀測雪深在50 mm以下時有87.5 %的日正點(diǎn)最大誤差在0～20 mm之間,50 mm以上時日正點(diǎn)最大誤差較大,在18～46 mm之間。人工觀測無積雪時,各站平均有6 d出現(xiàn)自動測量有雪深數(shù)據(jù)的情況,且各臺站出現(xiàn)有雪深數(shù)據(jù)的日數(shù)差異較大。因此,超聲波傳感器無法滿足氣象部門對雪深觀測儀器穩(wěn)定性的要求。

3)溫度是影響超聲波傳感器測量穩(wěn)定性的一個主要因素。未增加溫度輻射罩的基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù)無規(guī)律跳變,且與基準(zhǔn)高度存在較大偏差,差值范圍在-11～5 mm之間。增加溫度輻射罩的基準(zhǔn)面實(shí)測高度分鐘數(shù)據(jù)跳變大幅度下降,與基準(zhǔn)高度偏差范圍在-5～4 mm之間。且增加溫度輻射罩后,利用32 mm厚的木板模擬雪深,超聲波傳感器的實(shí)測雪深分鐘數(shù)據(jù)與模擬雪深偏差在-7～7.6 mm之間,雪深誤差絕對值求平均為2.0 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 mm。所以,通過增加溫度傳感器輻射罩的方法對溫度進(jìn)行校正,大大減少了超聲波傳感器自動測量雪深數(shù)據(jù)跳變次數(shù),有利于提高超聲波傳感器測量穩(wěn)定性。