常奮華> 王 帥 唐輝亮 于子敏

(1.福建省氣象服務中心，福建 福州 350008;2.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008;3.三明市氣象局，福建 三明 353000)

降水粒子在重力作用下因降落速度不同而導致的碰并現(xiàn)象[1],是云雨形成的重要過程。較大的雨滴會受到表面張力、空氣壓力以及重力引起的水滴內(nèi)部的靜壓力差。隨著水滴的增大，空氣壓力與水滴內(nèi)部的靜壓力差隨之增大，而表面張力卻因曲率的減小而減小[2]，在這三個不同作用力共同作用下，大雨滴在降落時發(fā)生變形，雨滴越大，變形越嚴重,且當雨勢較強時，易發(fā)生兩個或多個降水粒子的碰并結合，造成傳感器對降水現(xiàn)象判定錯誤。本文結合DSG4降水現(xiàn)象儀的測量原理及測量特性，通過對降水譜圖的“雨區(qū)”和“冰雹區(qū)”現(xiàn)象進行閾值質(zhì)控驗證，減少降水現(xiàn)象的誤判問題，為DSG4降水現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)可靠性進行科學論證。依托雨滴譜傳感器現(xiàn)有算法，在強降水粒子譜圖分析的基礎上對此類降水現(xiàn)象進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，降低誤判冰雹發(fā)生，提升降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)準確度。

1 降水現(xiàn)象儀的測量原理

降水現(xiàn)象儀的核心觀測為發(fā)射水平光束的激光傳感器，該傳感器發(fā)射器和接收器均集成防護罩內(nèi)，結構如圖1所示。

圖1 降水現(xiàn)象儀測量結構圖

設備開始工作時，激光發(fā)射端發(fā)射一束水平的激光，接收端根據(jù)接收激光強度轉換成相應強度的電信號；當測量區(qū)沒有降水粒子時，接收端輸出的電壓為連續(xù)固定值，輸出為無降水；當測量區(qū)有降水粒子通過時，因降水粒子遮擋一部分激光光束，所產(chǎn)生的消光作用將使激光光束的強度減弱，接收端輸出的電壓降低，輸出電壓波谷，通過輸出電壓與固定值偏離幅度計算降水粒子的直徑(D)，同時，根據(jù)遮擋激光光束的時間(△t)計算降水粒子的降落速度。測量原理如圖2所示。

(a)降水粒子經(jīng)過水平激光測量區(qū)過程中電子信號轉換(b)接收單元接收到信號變化范圍 (c)根據(jù)信號變化值計算粒子直徑及速度對應關系圖2 降水粒子直徑與速度計算原理

通過降水現(xiàn)象儀算法處理后，對激光帶的降水粒子進行分級和統(tǒng)計，可將降水粒子的直徑從0.2mm到25 mm分成32個等級，速度從0.2m/s到20 m/s分成32個等級。通過降水粒子統(tǒng)計分析，得出不同種降雨類型的強度、總量、粒子大小和速度，形成降水的能量譜圖。

2 降水相態(tài)判定依據(jù)

根據(jù)Gunn-Kinzer Line以及等速線(V=2.7m/s和V=10m/s)對不同相態(tài)的降水做出劃分。降水相態(tài)判定依據(jù)粒子降落速度V及粒子大小D。Gunn-Kinzer Line 劃分相態(tài)公式如下所示：

V=A-Bexp(C×D)

其中，D為粒子直徑，V是當前粒子降落速度，取A=9.65，B=10.3，C=-0.6，則公式變?yōu)椋?/p>

V=9.65-10.3exp(-0.6D)

結合公式對降落粒子進行圖譜劃分，譜圖具體劃分如圖3所示。

(a)降水相態(tài)劃分(b)頻譜采樣轉換圖

降水粒子下落過程中會發(fā)生拉伸破裂。根據(jù)傳感器測量原理可知：降水粒子的拉伸會增大直徑等級，而降水粒子的破裂會減小直徑等級；在實驗室中，降水粒子破碎的臨界半徑為4.3mm，然而大氣存在明顯的湍流，湍流越強，破碎的臨界直徑會越小，因此測量降水粒子自發(fā)破碎半徑為3～3.5mm，很少出現(xiàn)直徑6mm以上的雨滴。通過大量試驗數(shù)據(jù)分析，對粒子直徑大于4.75mm及降落速度在6.8～12m/s區(qū)間的降水粒子進行修正，屬于冰雹紅色R區(qū)，修正結果由圖3(b)可清晰看出。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

選取福建省69個國家氣象觀測站2020年5月1日—6月30日的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，降水現(xiàn)象儀觀測到冰雹主要發(fā)生在強對流或短時強降雨期間，小時降水量在30mm/h及以上。其中，69個國家氣象觀測站滿足條件的降水時間共計3847分鐘，冰雹出現(xiàn)時間共計279分鐘，真正出現(xiàn)冰雹分鐘為2分鐘，冰雹誤判率為7.3%，真正出現(xiàn)冰雹比例為0.052%，選取冰雹誤判8次及以上典型站點強降水與誤判冰雹之間關系如圖4所示。

圖4 典型站點誤判冰雹與強降水關系圖

由圖4可見，誤判冰雹與強降水發(fā)生次數(shù)存在一定關系，強降水次數(shù)越多，冰雹誤判出現(xiàn)次數(shù)會相應增多。然而部分站點如大田和德化，強降水發(fā)生次數(shù)相對較少，而冰雹誤判率分別為25%和34.2%，誤判率較高；站點出現(xiàn)冰雹誤判主要與強降水粒子到達儀器采樣區(qū)相態(tài)有直接關系，需要進一步統(tǒng)計誤判站點粒子譜圖查找誤判原因及算法改進。誤判冰雹超過5次及以上的站點如圖5所示。

圖5 誤判超過5次及以上站點數(shù)量

通過統(tǒng)計各站誤判冰雹次數(shù)，出現(xiàn)誤判冰雹站點共49個，圖5給出超過5次誤判的站點，數(shù)量達27個，超過10次誤判的站點6個，誤判冰雹最多的2個臺站分別為順昌(26次)和大田(22次)，如此多的冰雹誤判需要臺站人員不斷加強數(shù)據(jù)質(zhì)控，將嚴重影響地面自動化改革的推進和發(fā)展。

分析發(fā)現(xiàn)，誤判均出現(xiàn)在強降水天氣過程中，而且誤判冰雹多數(shù)發(fā)生在強降水開始和分鐘雨強最大時刻左右，從而進一步說明強雨滴粒子下降過程中不斷拉伸碰并，導致直接變大和速度變快，到達采樣區(qū)后符合冰雹相態(tài)，被誤判為冰雹。以寧德福鼎臺站2020年6月2日—6月5日連續(xù)強降水為例，強降水過程如圖6所示。

圖6 福鼎站點強降水分布圖

由圖6可見，6月2日—6月5日降水過程中共發(fā)生4次短時強降水，且均出現(xiàn)冰雹誤判現(xiàn)象。強降水時間段對應的粒子圖譜如圖7、圖8所示，4個時間段的強降水過程均有降水粒子落在冰雹劃分區(qū)域。6月2日落在冰雹區(qū)域的降水粒子有8個，6月3日有4個，6月5日有4個，6月6日有5個，被判定為冰雹，輸出代碼為89，因此導致誤判冰雹發(fā)生，主要原因為短時強降水過程中降水粒子碰并導致粒子直徑變大，從而造成誤判情況發(fā)生，因此需要對誤判冰雹進行數(shù)據(jù)訂正和算法改進。

圖7 6月2日和6月3日出現(xiàn)冰雹粒子圖譜

圖8 6月5日和6月6日出現(xiàn)冰雹粒子圖譜

4 冰雹算法修正

根據(jù)分析冰雹誤判情況和真正冰雹數(shù)據(jù)圖譜，冰雹算法需要進一步修正,粒子的降落速度和直徑滿足3個條件才能判定冰雹，修正條件如下：

①V=9.65-10.3exp(-0.6D)

②Er≥-45%且D>5mm

③測量通道的粒子需滿足兩個以上通道，且每個通道內(nèi)冰雹數(shù)量不少3個。

同時滿足以上三個條件的降水現(xiàn)象可判定為冰雹。

5 冰雹誤判數(shù)據(jù)質(zhì)控分析

選取福建省69個國家氣象觀測站2020年5月1日—7月31日數(shù)據(jù)進行重新質(zhì)控，測得強降水時間為5377分鐘，誤判冰雹381分鐘，涉及54個臺站，質(zhì)控后冰雹減少至10分鐘，臺站減少至8個，冰雹最多的柘榮臺站，冰雹出現(xiàn)2分鐘。因此經(jīng)過質(zhì)控后冰雹誤判大大降低，并將改進算法應用于降水現(xiàn)象儀，從而進一步提升觀測數(shù)據(jù)準確性，減輕臺站保障人員勞動強度，有力推動地面自動化改革的進展。

選取南平延平和寧德柘榮兩個站點質(zhì)控前后強降水與冰雹之間關系如下。

5.1 南平延平站點數(shù)據(jù)分析

選取該站點2020年6月6日—6月8日典型降水過程數(shù)據(jù)，強降水曲線圖如圖9所示。

圖9 南平延平實驗站降水強度曲線數(shù)據(jù)

由圖9可見，該站點發(fā)生5次強降水過程，質(zhì)控前5次強降水過程中均存在誤判冰雹，5次過程對應降水粒子圖譜如圖10、圖11所示。

圖10 點1與點2粒子圖譜

圖11 點3、點4和點5粒子圖譜

由圖10、圖11可見，在本次降水過程中5個雨強較大的時刻均存在直徑大于等于5mm、速度大于等于10m/s的降水粒子出現(xiàn)在冰雹相態(tài)區(qū)域，其中點1出現(xiàn)2個降水粒子，點2出現(xiàn)5個降水粒子，點3出現(xiàn)4個降水粒子，點4出現(xiàn)5個降水粒子，點5出現(xiàn)1個降水粒子，對本次降水過程質(zhì)控后，5個強降水時刻均不滿足“降水粒子個數(shù)大于等于6個”，因此質(zhì)控后判定結果均為降雨。主要原因：雨強較大時，雨滴粒子極易產(chǎn)生碰并效應，導致粒徑變大，達到冰雹判定標準，從而產(chǎn)生誤判冰雹現(xiàn)象發(fā)生；降水現(xiàn)象儀經(jīng)過前端質(zhì)控后，此次降水過程未發(fā)現(xiàn)冰雹，從而提高降水現(xiàn)象儀觀測準確性。

5.2 寧德柘榮站點數(shù)據(jù)分析

選取寧德柘榮站點2020年7月1日4次典型降水過程數(shù)據(jù)，4次降水強度分布為63.6mm/h、113.5mm/h、131.0mm/h、38.8mm/h，降水強度隨時間變化曲線圖12所示。

圖12 寧德柘榮2020年7月1日降水強度趨勢圖

四次強降水時間段分布對應的粒子譜圖如圖13、圖14所示。

圖13 點1和點2強降水過程對應的粒子譜圖

圖14 點3和點4強降水過程所對應的粒子譜圖

由圖13、圖14可見，本次降水過程中，點1無降水粒子在冰雹橙色區(qū)域內(nèi)，因此觀測數(shù)據(jù)為雨，與實際相符；點2有超過直徑5mm的降水粒子9個，分布位于4個通道，速度均在10m/s左右，符合冰雹相態(tài)，判定為冰雹，與實際觀測相符；點3與點4在冰雹橙色相態(tài)區(qū)降水粒子分布為1個和5個，質(zhì)控前判定為冰雹，質(zhì)控后降水粒子個數(shù)達不到6個要求，修正降雨，與實際觀測相符。

本次4個強降水觀測點有兩個觀測與實際相符，2個出現(xiàn)誤判冰雹，誤判率達到50%，經(jīng)過算法修正后，后2次的誤判冰雹修正為降水，提高降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)準確性。

6 結論

本文通過對福建省2020年5月—7月國家氣象觀測站降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)及圖譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，尋找出冰雹誤判的原因并對算法進行改進，應用于降水現(xiàn)象儀前端，提高觀測數(shù)據(jù)準確性，降低大多數(shù)冰雹誤判情況發(fā)生，具體結論如下：

①降水現(xiàn)象儀在降水強度過大時比較容易產(chǎn)生冰雹誤判，通過算法升級后，冰雹誤判情況大大降低，但是仍然會存在部分誤判數(shù)據(jù)，需要對全省降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)進行綜合分析，特別是實際觀測冰雹站點數(shù)據(jù)詳細分析，進一步優(yōu)化質(zhì)控算法，提升觀測數(shù)據(jù)準確性。

②通過大量的譜圖數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，降水現(xiàn)象儀在雨勢大且連續(xù)降水時，降水粒子發(fā)生碰并導致粒子直徑增大，達到橙色冰雹相態(tài)判定標準，從而產(chǎn)生誤判。本文提出冰雹誤判修正算法，在滿足降水粒子直徑≥5mm的條件下，還需要增加通道>2個、粒子個數(shù)≥6個、降落速度8m/s以上的判定條件。通過實際業(yè)務應用，降低97.6%冰雹誤判情況發(fā)生，進一步提升觀測數(shù)據(jù)準確性。然而，三明大田臺站連續(xù)出現(xiàn)23分鐘冰雹誤判，需要進一步優(yōu)化算法，同時考慮不同云狀情況下例子濃度與雨強大小之間關系，減少誤判冰雹情況發(fā)生。