張東明 方亞芬 王聆勤 王志誠

(1.浙江省大氣探測技術(shù)保障中心,浙江 杭州 310000;2.中國民航華東地區(qū)空中交通管理局浙江分局,浙江 杭州 31207)

0 引 言

近年來,冰雪天氣導致的災害已對我國人民生活、交通、電網(wǎng)造成嚴重危害。2009年11月8—11日暴雪襲擊華北大部分地區(qū),河北石家莊積雪深度達55 cm;2010年1月15日,連續(xù)暴雪過程致新疆阿勒泰、塔城地區(qū)北部最深積雪超過1.5 m。我國氣象部門觀測積雪深度以人工方式為主,觀測頻次低,時效性差,人為因素造成的誤差大,不能全面、連續(xù)反映積雪過程的變化情況[1]。為實現(xiàn)積雪深度自動化觀測,使觀測結(jié)果客觀化、觀測資料連續(xù)化,減少臺站觀測人員的工作量,進一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率,為公眾提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品,迫切需要實現(xiàn)積雪深度自動化觀測[2]。

本文對基于激光原理的雪深觀測儀設計原理及數(shù)據(jù)處理方法等進行介紹,依據(jù)2018年11月—2019年4月開展的比對觀測試驗數(shù)據(jù),對激光雪深觀測儀進行觀測數(shù)據(jù)完整性、穩(wěn)定性、準確性等評估分析,旨在更好地開展雪深自動化觀測的業(yè)務化使用。

1 激光雪深觀測儀設計原理

激光雪深觀測儀采用激光作為測量信號,激光束從探頭發(fā)出至積雪面并返回。激光雪深儀由高穩(wěn)定的激光發(fā)射器、接收器、前置控制器組成,采用相位法測距,用無線電波段的頻率,對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調(diào)制光的波長,換算此相位延遲所代表的距離,測定光徑往返測線所需的時間[3]。激光雪深觀測儀外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光雪深觀測儀外觀結(jié)構(gòu)示意圖

觀測裝置采用模塊化設計,在核心主控制器的基礎(chǔ)上可連接各類傳感器采集單元(采集單元可選配,按照實際需求進行任意的裁剪搭配),共享主控、電源和通信部分設備模塊。核心主控制器負責處理接收、采集、存儲傳感器、通信、控制等信息,觀測裝置原理如圖2所示。

圖2 觀測裝置原理框圖

觀測設備安裝好后,首先通過標準墊塊測量計算得到該套設備常數(shù)值α。

(1)

其中，α為激光束垂直夾角,L0為激光傳感器至基準面的距離,L1為激光傳感器至標準墊塊的距離,C為墊塊高度。雪深高度值為h。

h=H0-H1=X0·cosα-X1·cosα

(2)

其中,H0為測雪平臺至傳感器的高度,H1為積雪面至傳感器的高度,X0為測雪平臺至傳感器的距離,X1為積雪面至傳感器的距離[4-5],激光雪深觀測儀測量示意圖如圖3所示。

圖3 激光雪深觀測儀測量示意圖

2 實驗方案及數(shù)據(jù)評估方法

2.1 實驗方案

以人工觀測積雪深度值為對比參考標準,選擇符合觀測雪深的日子,每天08時、11時、14時和17時開展人工對比觀測。測試要求在被試傳感器對應測量的測雪板四周進行,每次人工觀測須作3次測量,記錄在觀測簿相應欄中,3次測量的地點應能代表傳感器測量處的雪深情況。在測雪板上將量雪尺垂直地插入雪中到板面為止,依據(jù)雪面所遮掩尺上的刻度線,讀取雪深的毫米整數(shù)。要求臺站觀測人員每天記錄吹雪、降雪、霜等重要天氣過程。

2.2 評估方法

(1)數(shù)據(jù)完整性

以傳感器觀測數(shù)據(jù)缺測率表示數(shù)據(jù)完整性。在整個試驗期間,如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常,而廠家傳感器觀測的分鐘數(shù)據(jù)有缺測或無數(shù)據(jù)現(xiàn)象,則認為傳感器觀測的定時數(shù)據(jù)缺測。

(3)

合格指標:缺測率≤2%。

(2)運行穩(wěn)定性

①儀器安裝后和拆除前的運行狀態(tài)

選取參試傳感器安裝后和拆除前1 d(測雪板上無積雪覆蓋)的完整觀測數(shù)據(jù),分析雪深傳感器觀測到的最大值與最小值之間的差異,檢驗傳感器的測量波動性。

合格指標:觀測數(shù)據(jù)最大值和最小值之間的波動應小于10 mm。

②傳感器在整個冬季的運行狀態(tài)

選取各參試傳感器的觀測數(shù)據(jù),分析各傳感器觀測數(shù)據(jù)的波動情況。

合格指標:觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,在無降雪過程和融化過程時,未出現(xiàn)較大波動。

(3)可靠性

以傳感器出現(xiàn)的故障次數(shù)表示可靠性,約定在整個試驗期間,當廠家傳感器工作出現(xiàn)故障、需進行現(xiàn)場維護維修才能恢復正常觀測時,記錄為1次故障。

合格指標:故障次數(shù)≤2次。

(4)準確性

用符合雪深觀測時次的人工對比觀測數(shù)據(jù)與參試傳感器觀測數(shù)據(jù)進行準確性評估,分別計算兩者之間的平均偏差、標準差和粗差。

(4)

Xi為傳感器測量值,X為人工觀測值,n為對比觀測次數(shù)。

②標準差(σ)

(5)

③粗差(G)

合格指標:粗差率:≤5%;

標準差≤10 mm。

世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南》規(guī)定的準確性要求為:標準差≤10 mm(雪深≤200 mm),粗差率≤5%(雪深>200 mm),以2倍標準差作為準確性評價指標。此準確性評價指標為業(yè)務推薦使用的準確度要求。

3 數(shù)據(jù)比對分析

分析2018年11月—2019年4月人工雪深對比觀測數(shù)據(jù)可知,臺站冬季最低氣溫為-38.9 ℃,最大風速為3.7 m/s(2 m風桿)。參試設備的自動觀測數(shù)據(jù)通過光纖上傳到上位機的分鐘數(shù)據(jù),以每個時次3次人工測量參試設備對應測雪板上積雪深度的平均值作為參考標準,用于參試設備的外場性能分析。

經(jīng)分析得知，阿勒泰站51076號參試設備對應的測雪板上人工觀測最大積雪深度為327 mm,共有434對有效樣本;51077號參試設備對應的測雪板上人工觀測最大積雪深度為357 mm,共有501對有效樣本。整個試驗期間未出現(xiàn)采集軟件和硬件故障。

3.1 數(shù)據(jù)完整性

對參試設備分鐘數(shù)據(jù)進行完整性分析,臺站于2019年3月19日05時08分出現(xiàn)總閘跳變,15時10分恢復正常供電,停電期間不列入數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計,故參試設備數(shù)據(jù)完整性為100%。參試設備分鐘數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 參試設備分鐘數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)準確性

圖4、圖5分別為2套參試設備在整個外場試驗期間自動測量值與人工觀測積雪深度對應樣本隨時間的折線圖,整個觀測試驗期間參試設備測量值與人工觀測值對比結(jié)果一致性較好,能夠反映降雪過程。

圖4 51076號參試設備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比

圖5 51077號參試設備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比

由圖4可見，51076號參試設備在出現(xiàn)降雪過程時,雪深傳感器的積雪深度觀測結(jié)果明顯增加,雪深傳感器在降雪過程中觀測值未出現(xiàn)明顯跳變現(xiàn)象,運行狀態(tài)穩(wěn)定。有2個時間段參試設備與人工觀測的積雪深度差距較大,經(jīng)過與觀測人員核實,在2018年12月1—4日測雪板上出現(xiàn)冰水混合物,人工量雪尺沒有插到測雪板表面,導致人工測量結(jié)果偏低;在2019年3月2—18日,參試設備激光測雪點被動物踩踏導致凹陷,自動觀測結(jié)果比人工測量偏低。以上兩個時間段內(nèi)的測量樣本不計入準確性統(tǒng)計分析樣本。

圖5為51077號參試設備自動觀測與人工觀測結(jié)果對比。統(tǒng)計期間2018年11月24—28日以及12月1—5日,對應測雪板上積雪平面被動物踩踏，這兩個時間段內(nèi)的測量樣本不計入準確性統(tǒng)計分析樣本。

由于參試設備測量與人工測量積雪深度之間的誤差全部分布在-30～+21 mm之間,將參試設備與人工測量之間的誤差按照-30～+21 mm進行均等間隔劃段分析,統(tǒng)計觀測樣本在每個誤差區(qū)間出現(xiàn)的概率分布(圖6、圖7)。由分析得知,2套參試設備觀測誤差主要分布在-10～+5 mm之間。

圖6 51076號參試設備與人工觀測對比結(jié)果誤差值概率分布

圖7 51077號參試設備與人工觀測對比結(jié)果誤差值概率分布

由于人工觀測阿勒泰站冬季樣本積雪深度在0～357 mm之間,將積雪深度劃分為0～100 mm、101～200 mm、201～300 mm、301～400 mm,分別計算參試設備與人工觀測樣本在各區(qū)間及總區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)誤差和標準差,詳細的數(shù)據(jù)準確性統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 參試設備數(shù)據(jù)準確性分析

經(jīng)統(tǒng)計分析可知,2套參試設備在所有的雪深區(qū)間,最大系統(tǒng)誤差為-7.99 mm,最大標準差為7.67 mm。51076號參試設備系統(tǒng)誤差為-6.5 mm,標準差為6.0 mm;51077號參試設備系統(tǒng)誤差為-5.1 mm,標準差為6.3 mm。

3.3 設備穩(wěn)定性

對參試設備在外場試驗開始前和結(jié)束后均開展穩(wěn)定性分析。經(jīng)分析得知,2套參試設備在安裝后和拆除前(測雪板上無積雪)24 h測量分鐘數(shù)據(jù)的波動值(最大值與最小值之間的差值)均為0。

3.4 設備可靠性和可維護性

設備可靠性用外場試驗期間平均無故障間隔時間(MTBF)來衡量。2套參試設備運行期間均未出現(xiàn)設備故障。滿足《自動雪深觀測儀功能需求書》(簡稱《需求書》)規(guī)定的平均無故障間隔時間大于3000 h的要求。

綜上所述，設備的數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)準確性、設備穩(wěn)定性、設備可靠性均滿足《需求書》要求。

4 結(jié) 語

隨著地面氣象觀測業(yè)務的自動化,自動雪深觀測儀必將取代人工觀測。本文根據(jù)激光雪深傳感器測量特點,分別從完整性、穩(wěn)定性、可靠性、準確性等角度對參試傳感器性能進行綜合評價,得出以下結(jié)論。

(1)試驗結(jié)果表明,自動觀測與人工觀測氣象要素存在一定差異,但是大部分地區(qū)的差異都在誤差允許范圍之內(nèi)[5],雪深自動化觀測方法可行,雪深傳感器組成結(jié)構(gòu)和外觀設計基本合理,在低溫、大風、暴雪等惡劣環(huán)境下連續(xù)正常工作,未出現(xiàn)運行故障。

(2)參試雪深傳感器與人工對比觀測的準確性較好,可以連續(xù)、實時監(jiān)測積雪深度變化,基本可以滿足冬季雪深自動化觀測需求[6]。激光雪深觀測儀可以較好地記錄積雪深度及降雪過程,理論上可以很好地為固態(tài)降雪提供修正[7]。

同時根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn),儀器測量存在一些問題。

(1)由于吹雪、暴雪、差異融化會導致雪面凹凸造成數(shù)據(jù)差異;雪面融化成冰面,冰水混合物會導致回波減弱造成數(shù)據(jù)缺測的現(xiàn)象,建議多探頭或多點觀測[8-10]。

(2)在積雪融化的過程中,晝夜溫差大的夜間會出現(xiàn)人工觀測明顯小于激光雪深觀測儀的現(xiàn)象。對這類雪深數(shù)據(jù)無法直接做質(zhì)量控制,建議采用改進測雪板材質(zhì)與安裝方式的辦法加以完善[11-14]。

(3)為了能夠使雪深傳感器接入現(xiàn)有自動氣象站系統(tǒng),方便氣象觀測臺站使用和維護雪深傳感器,需改進地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件格式和地面測報軟件。

(4)根據(jù)試驗分析結(jié)果,建議廠家應進一步改進傳感器采樣算法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,提高傳感器觀測數(shù)據(jù)的可靠性和傳感器運行的穩(wěn)定性[15]。