降水多傳感器雨量數(shù)據(jù)異常分析

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一、概述

降水作為氣象觀測(cè)要素中一個(gè)重要的部分，它的重要性可想而知，但是自地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化以來(lái)，每個(gè)臺(tái)站也只有主站一臺(tái)、備份站一臺(tái)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(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺測(cè)、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。其次，單一的雨量傳感器也會(huì)造成實(shí)際觀測(cè)中不易發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常、漂移等問(wèn)題。同時(shí)降水本身就是一個(gè)區(qū)域性、范圍性的過(guò)程，單一的雨量傳感器只能觀測(cè)一個(gè)點(diǎn)雨量，并不一定能很好地代表實(shí)際過(guò)程中的降水總量，故需要通過(guò)安裝不同位置、不同方向的多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)面雨量綜合分析融合更具代表性。為解決單雨量在業(yè)務(wù)運(yùn)行中的弊端，２０２０年９月１７日根據(jù)上級(jí)指示滁州國(guó)家基本氣象觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)滁州站，ＤＺＺ３型自動(dòng)氣象站）進(jìn)行了降水多傳感器的安裝和運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)降水多傳感器在滁州站實(shí)際應(yīng)用情況與存在問(wèn)題進(jìn)行分析討論。

二、傳感器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

（一）傳感器結(jié)構(gòu)

降水多傳感器（圖１）采用三個(gè)完全相同的ＳＬ３?１型翻斗式雨量傳感器為感應(yīng)元件，通過(guò)降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)三個(gè)傳感器的輸出值進(jìn)行分析融合處理，輸出經(jīng)過(guò)選擇的相對(duì)可靠的數(shù)值作為瞬時(shí)輸出值。三個(gè)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(yùn)行原理

（１）通過(guò)將三個(gè)雨量傳感器的分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理得出標(biāo)準(zhǔn)值。（２）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與三個(gè)雨量傳感器的差值。（３）將各雨量傳感器與標(biāo)準(zhǔn)值的差值進(jìn)行對(duì)比分析。（４）選擇差值較小的雨量傳感器作為源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值輸出。（５）如若下一時(shí)次的源數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比未超出允許范圍，則將繼續(xù)選用上一時(shí)次的源數(shù)據(jù)繼續(xù)作為輸出值輸出；如若下一時(shí)次的源數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比超出允許范圍，則將重新選用與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較小或者相同的源數(shù)據(jù)作為輸出值輸出。

三、運(yùn)行情況分析

臺(tái)站所用降水多傳感器均統(tǒng)一采用３個(gè)完全相同的ＳＬ３?１型雨量傳感器。所選取的數(shù)據(jù)分析時(shí)段均無(wú)缺測(cè)數(shù)據(jù)，確保整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)完整性。以滁州站２０２１年９月２０日０１時(shí)—１０時(shí)００分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)段是因?yàn)槌霈F(xiàn)了較強(qiáng)降水過(guò)程，同時(shí)在降水之前３個(gè)雨量傳感器都進(jìn)行過(guò)儀器校準(zhǔn)標(biāo)定，能較好地確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。故這個(gè)時(shí)段可以很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和分析。降水?dāng)?shù)據(jù)采用小時(shí)累積量進(jìn)行對(duì)比分析，將３個(gè)雨量數(shù)據(jù)分析可得圖３。圖３由圖３可得出主要降水時(shí)段為０４—０８時(shí)，其中降水最明顯的時(shí)段為０５時(shí)—０７時(shí)。從整體看３個(gè)雨量傳感器的降水總量相差不大，３個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為２１．１ｍｍ、２１．１ｍｍ、２１．２ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)值為２１．１ｍｍ。從降水總量來(lái)看３個(gè)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(gè)偏多０．１ｍｍ。又以滁州站２０２１年１０月１４日２０時(shí)０１分—１５日２０時(shí)００分為數(shù)據(jù)時(shí)段，分析得出圖４。圖４由圖４可得出全天每個(gè)時(shí)次都有降水，其中降水最明顯的時(shí)段為０３時(shí)、１１時(shí)、１２時(shí)、１８時(shí)和２０時(shí)。３個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為２９．２ｍｍ、２７．８ｍｍ、２７．４ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)值為２７．８ｍｍ。該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累計(jì)量各有差異，其中可以明顯地發(fā)現(xiàn)翻斗１降水?dāng)?shù)據(jù)明顯大于翻斗２和翻斗３，翻斗２和翻斗３數(shù)據(jù)較為接近，且誤差在可接受范圍內(nèi)，所以可以看出數(shù)據(jù)在分析處理的時(shí)候就已經(jīng)將翻斗１的降水?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，將翻斗１的降水?dāng)?shù)據(jù)判斷為可疑數(shù)據(jù)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后并未將其作為輸出值輸出。又以２０２１年１１月４日２０時(shí)０１分—５日２０時(shí)００分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)段同樣是因?yàn)橛休^強(qiáng)降水過(guò)程，且與１０月５日降水相類(lèi)似的情況。由該時(shí)段數(shù)據(jù)分析得出圖５。由圖５可得出主要降水時(shí)段為０４時(shí)、０５時(shí)、０６時(shí)和０７時(shí)。３個(gè)雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)分別為１３．７ｍｍ、１５．３ｍｍ、１５.２ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)值為１５．２ｍｍ。該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累計(jì)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(fā)現(xiàn)翻斗１降水?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)小于翻斗２和翻斗３，翻斗２和翻斗３數(shù)據(jù)相差無(wú)幾，僅有０．１ｍｍ的誤差，所以同樣可以看出數(shù)據(jù)在分析處理的時(shí)候就已經(jīng)將翻斗１的降水?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，將翻斗１的降水?dāng)?shù)據(jù)判斷為可疑數(shù)據(jù)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后并未將其作為輸出值輸出。考慮到３個(gè)儀器有微小差異及傳感器靈敏度不同的情況下，會(huì)存在分時(shí)段的雨量差異，但從降水總量上分析發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程雨量的偏差在±３％范圍內(nèi)，在儀器性能允許的誤差范圍內(nèi)，故在設(shè)備不出現(xiàn)故障或者僅有一個(gè)雨量傳感器出現(xiàn)故障的情況下，能較好地排除或過(guò)濾掉可疑的數(shù)據(jù)，不論該數(shù)據(jù)是偏大還是偏小，降水多傳感器系統(tǒng)總能以較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，因此降水多傳感器的總體效果良好，運(yùn)行較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)可用率較高。

四、異常數(shù)據(jù)分析

以滁州站２０２１年７月２７日２１時(shí)０１分—２８日１０時(shí)００分為數(shù)據(jù)分析時(shí)段，選此時(shí)間段是因?yàn)樵摃r(shí)段有較強(qiáng)降水過(guò)程，同時(shí)該日翻斗１數(shù)據(jù)存在異常整體數(shù)值偏小，翻斗３雨量傳感器因泥沙影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常不準(zhǔn)確。通過(guò)已知翻斗１雨量傳感器數(shù)據(jù)異常，翻斗３雨量傳感器存在故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的情況下對(duì)比實(shí)際輸出值與備份站雨量是否存在差異進(jìn)行分析。降水?dāng)?shù)據(jù)采用小時(shí)累積雨量進(jìn)行對(duì)比，以備份站數(shù)據(jù)作為參考值，將３個(gè)雨量傳感器與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析（圖６）。８該時(shí)段三個(gè)翻斗小時(shí)累積總量分別為５１．１ｍｍ、６２.６ｍｍ、５７ｍｍ，傳輸值、標(biāo)準(zhǔn)值、備份站小時(shí)累積總量分別為５７ｍｍ、５７ｍｍ、６３．８ｍｍ。由圖６可知小時(shí)累積降水量傳輸值、標(biāo)準(zhǔn)值與翻斗３小時(shí)累積降水量一直，即可說(shuō)明數(shù)據(jù)處理之后的傳輸值以翻斗３的數(shù)據(jù)為參考，又由圖７可知傳輸值和標(biāo)準(zhǔn)值與備份站數(shù)據(jù)相差較大，在已知翻斗１數(shù)據(jù)異常，翻斗３雨量傳感器因泥沙堵塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的情況下，可得出降水傳輸值遠(yuǎn)小于實(shí)際降水值。又通過(guò)圖８可得出翻斗２雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)與備份站降水?dāng)?shù)據(jù)差異較小，故可得出翻斗２雨量傳感器數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。在此時(shí)間段內(nèi)降水多傳感器通過(guò)微控制器分析融合處理以后并未剔除觀測(cè)異常值，沒(méi)有輸出正確的觀測(cè)值，從而未確保降水過(guò)程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。從大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)兩個(gè)方面分析，發(fā)現(xiàn)在小雨強(qiáng)時(shí)，三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值沒(méi)有較大差異，輸出值也與實(shí)際雨量相當(dāng)。當(dāng)降水為大雨強(qiáng)時(shí)，就能明顯地發(fā)現(xiàn)翻斗１雨量遠(yuǎn)小于翻斗２和翻斗３的雨量，當(dāng)三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值為翻斗１小于翻斗３小于翻斗２時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值接近于中間翻斗３的數(shù)值，導(dǎo)致最終輸出值以翻斗３為源數(shù)據(jù)輸出。在沒(méi)有人工觀測(cè)作為對(duì)比的情況下，僅能以備份站數(shù)據(jù)作為參考值進(jìn)行比較，從中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)或者更多雨量傳感器發(fā)生異常時(shí)，降水多傳感器就無(wú)法及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，也無(wú)法合理有效地判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，從而確保輸出正確的降水?dāng)?shù)據(jù)。

五、結(jié)論

針對(duì)單一雨量傳感器所存在的問(wèn)題，進(jìn)行了更換，變成了現(xiàn)在的降水多雨量傳感器。從硬件以及數(shù)據(jù)采集上進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，希望可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。總體上降水多傳感器效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。但實(shí)際工作應(yīng)用中卻仍存在些許不足，通過(guò)降水?dāng)?shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問(wèn)題：（１）當(dāng)三個(gè)雨量傳感器中出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)異常時(shí)，降水多傳感器并未能發(fā)現(xiàn)異常，也無(wú)法選取出三個(gè)雨量傳感器中相對(duì)正確的數(shù)值，在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下也未能及時(shí)地對(duì)三個(gè)雨量傳感器數(shù)值提出異議，導(dǎo)致最終輸出值的不正確。（２）當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)值與其中某一雨量傳感器數(shù)值相近時(shí)，最后輸出值將一直采用該雨量傳感器數(shù)值，同時(shí)若下一時(shí)次仍然數(shù)值相近，則錯(cuò)誤數(shù)據(jù)會(huì)一直作為輸出值輸出，影響降水?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（３）當(dāng)三個(gè)雨量傳感器數(shù)值相差較大時(shí)，數(shù)據(jù)融合出的標(biāo)準(zhǔn)值也并不能具有代表性，結(jié)果就是與標(biāo)準(zhǔn)值接近的一個(gè)雨量傳感器作為輸出值輸出，本身并未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常，并未對(duì)三個(gè)雨量傳感器的數(shù)值提出異議或者剔除異常的數(shù)值，從結(jié)果來(lái)看就是最終降水多傳感器沒(méi)有完成數(shù)據(jù)整合篩選，并沒(méi)有選擇相對(duì)正確的雨量傳感器作為源數(shù)據(jù)輸出。

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［３］中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司．地面氣象自動(dòng)觀測(cè)規(guī)范（第一版），２０１９．

作者：張寧?kù)?金華星 楊瓊 單位：滁州市氣象局 定遠(yuǎn)縣氣象局