新疆地区降水现象仪平行观测对比分析

秦 榕，杨 霰，陈艳丽，杨艳玲，潘存良，何亚平

（1.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象服务中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆铁门关市气象局，新疆 铁门关841007；4.哈密地区气象局，新疆 哈密839000）

天气现象是指发生在大气中、地面上的一些物理现象，包括：降水、地面凝结、视程障碍、雷电等其它现象，这些现象都是在一定天气条件下产生的[1]。目前，我国地面气象观测业务中降水天气现象的观测和记录仍然基本依赖人工，根据观测员在观测场看到的降水现象和听到的声音来综合判断本地发生的降水天气现象类型。观测员需要记录的天气现象有21 种，台站人工记录天气现象存在的问题较多，主要表现为：观测结果因人而异，其主观性强、简单定性，观测频次少，不能全面、连续反映天气现象情况；人工目测容易出现漏记、迟记等情况。实现天气现象自动观测可获取更多有价值的气象信息，并改变我国目前人工观测和仪器观测并行的地面观测局面。随着科学技术的迅猛发展，越来越多的新技术、新方法被应用于自动气象观测领域，天气现象自动观测在技术上已日趋成熟；且国内外在实现天气现象自动化观测方面已做了大量试验研究，取得了一定进展，现已有很多降水现象观测仪运用于业务中[2-3]。

目前，新疆地区使用的降水现象仪，是利用雨滴谱测量原理的光学观测设备开展降水现象观测和雨滴图谱观测，能够有效提高降水现象观测自动化程度，减轻观测员的工作量，为气象预报和服务提供更多有价值的气象信息。降水现象仪是一种采用现代激光技术的光学测量系统，可以对雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、冰雹等天气现象进行自动观测与识别，并按照预先设定的格式输出；不同降水现象的降水粒子，因其物理特性的差异，在直径和下落末速度的分布上有各自对应关系。根据降水粒子对激光信号的衰减影响程度，检测降水粒子的直径和下落末速度，确定降水粒子的图谱分布，输出降水现象类型。降水现象仪自动加热系统能防止传感器探头结冰，能根据测量值自动进行温度调节。为了防止传感器孔发生冷却，加热器必须被设置为自动工作状态。一般根据所处的地理位置、气象要素极限值选择相应的校准点。仪器在出厂测试时，选择降水粒子直径的校准点为2、5、10、15 mm，降水粒子速度的校准点为1.0、1.5、2.0、5.0 m/s[4-5]。自全国逐步实现降水现象自动化观测以来，诸多气象学者也针对降水现象仪自动化观测与人工观测资料对比及仪器的故障处理等方面做了大量分析工作[6-11]。从2017 年10 月开始，新疆地区103 个国家级台站陆续安装了降水现象仪，新疆气象学者针对不同区域的历史降水观测资料进行质量控制及分析[12-14]，并与平行观测期间的自动观测资料进行对比分析，发现台站在实际运行中仍存在着一些问题，一定程度上影响设备的业务化应用及推广。

根据新疆气象台站降水现象仪自动观测数据与人工观测数据的对比结果进行分析探讨，给出人工观测与仪器观测差异结果及产生原因，旨在为生产仪器厂家提供信息，并结合本地出现的特殊情况给出解决方案，以获取更加科学可信的气象数据。

1 资料及计算规定

利用2017 年10 月1 日—2018 年9 月30 日，新疆103 个国家级台站上报的降水现象仪分钟数据资料，根据观测资料的内容，将数据资料分为白天段和夜间段，原因在于：夜间人工观测只记录降水类型，不记录降水现象发生的起止时间。分别从记录现象种类情况、记录一致性、数据准确性、天气现象发生时段一致性等方面进行分析；若人工观测到阵雨、阵雪、阵性雨夹雪，在分析时分别按雨、雪、雨夹雪处理；由于夜间不守班，所以夜间天气现象均参考降水现象仪观测的现象进行综合判断、记录，因此在此不做夜间对比分析。

《降水现象仪观测规范（试行）》规定：降水现象仪中记录的降水类型为毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹，将人工观测到的阵雨、阵雪、阵性雨夹雪，在评估时分别按雨、雪、雨夹雪处理[2]。

仪器正确识别某降水现象发生的过程次数用a表示，仪器未能识别某降水现象分钟数用b 表示，无降水现象发生时仪器识别有该现象发生的分钟数用c 表示，仪器识别的降水类型与参考标准不一致的分钟数用d 表示，参考标准观测到实际发生该降水现象过程次数用A 表示，实际发生该降水现象分钟数用B 表示，无降水现象分钟数用C 表示，参考标准观测天气现象开始（结束）时间用T1（T2）表示，仪器观测天气现象开始（结束）时间用t1（t2）表示。

捕获率：检验评估期间，仪器正确识别该降水现象发生的过程次数（a）占参考标准观测到实际发生该降水现象过程次数（A）的百分比。

捕获率（%）=a/A×100%。 （1）

漏报率：检验评估期间，参考标准观测到有某种降水现象发生，仪器未能识别该种降水现象的分钟数（b）占实际发生该降水现象分钟数（B）的百分比。

漏报率（%）=b/B×100%。 （2）

空报率：检验评估期间，参考标准观测为无降水现象发生，仪器识别有该现象发生的分钟数（c）占无降水现象分钟数（C）的百分比。

空报率（%）=c/C*100%。 （3）

错报率：检验评估期间，参考标准观测到有某种降水现象发生，仪器错误识别该种降水现象的分钟数（d）占实际发生该降水现象分钟数（B）的百分比。

错报率（%）=d/B×100%。 （4）

降水起止时间绝对误差：仪器观测降水开始（终止）时间与参考标准观测降水开始（终止）时间差值的绝对值之和。

2 计算结果分析

2.1 捕获率

图1a、1b 分别是新疆地区雨、雪的捕获率。由统计结果得出，雨、雪、雨夹雪捕获率分别为83.07%、67.55%、0.97%；雨的捕获率在新疆地区有28 个站低于80%，占总站比的27%。统计结果表明雨的捕获率相对比较理想（这其中还包含了诸多毛毛雨未发生样本数量，若能将其中一些毛毛雨的样本数平滑掉，那么雨的捕获率更加可观）；雪的捕获率次于雨，其中低于80%的有53 站，占总站比的51%；但从整体情况分析，大部分地区的台站和降雪量偏中常的台站，捕获率相对理想，部分台站捕获率较低，如：阿勒泰、石河子、昌吉地区的大部分台站雪的捕获率总体偏低，经查证：主要因为2017 年10 月安装天气现象仪之后，观测人员对仪器特性不甚了解，又是平行观测第一年，检查维护仪器较欠缺；再者，天空出现的阵雪、霰等不确定情况也都与雪一同统计（霰是规范规定取消观测的天气现象）。雨夹雪捕获率较低（平均0.97%）；雨夹雪出现概率甚少，出现雨夹雪的几个站点的捕获率更是不容乐观，捕获率稍高的站仅有吉木萨尔、玛纳斯站，经了解，这2 个站也存在2017 年整个冬季数据不稳定的情况（仪器对雨夹雪的识别稳定性略差）。

2.2 空报率

图1c、1d 分别是新疆地区雨、雪的空报率。由统计结果得出，新疆地区雨、雪、雨夹雪空报率分别为0.57%、0.27%、0.41%；各地区综合情况良好。位于山区、低洼地、沙漠区域的大部分台站空报率偏高，如：巴仑台、阿合奇、阿克陶、柯坪、乌什、策勒、铁干里克站的空报率均超过2%，但从概率统计分析中刨除一些不定因素的影响，此结果良好。雪的空报率就很乐观，仅阿拉山口（风口）、乌什（低洼）站空报率超过2%（2.02%、2.14%），巴音布鲁克站（山区）空报率1.5%，这从侧面反映出仪器比较稳定；雨夹雪出现概率小，数据分析不具代表性，在此不做讨论。

2.3 漏报率

图2a、2b 分别是新疆地区雨、雪的错报率。由统计结果得出，雨、雪、雨夹雪漏报率分别为45.9%、55.2%、46.3%；雨漏报率超过60%的有13 个站，且大部分是山区站以及近几年站址迁移的台站和沙漠边缘站（霍尔果斯、乌兰乌苏、北塔山、呼图壁、天池、阿克苏、和静、轮台、英吉沙、麦盖提、叶城、墨玉、十三间房），其它各站从理论上分析比较客观，各站分布基本均匀。雪的漏报率不容乐观，北疆除塔城、博州两地区漏报率略偏低，阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、乌鲁木齐地区漏报率均很高；南疆和东疆除喀什地区漏报率很高外，其他地区相对偏低。这也说明标准观测（人工观测）与仪器未能识别出现的问题各站情况基本相似。

2.4 错报率

图1 雨、雪捕获率（a，b）和空报率（c，d）

图2 雨、雪错报率（a，b）和漏报率（c，d）

图2 c、2d 分别是新疆地区雨、雪的错报率。由统计结果得出，雨、雪、雨夹雪错报率分别为15.8%、9.1%、44.7%，从这几组数据明显看出：天气现象雨的错报率比雪的错报率高，错报率偏高的台站同样出现在北疆的阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、乌鲁木齐和南疆的喀什地区；雪的错报率仅9.1%，其中，哈巴河、博乐、玛纳斯、新和、巴仑台、塔中、乌恰、莎车、策勒、伊吾站错报率较高，且分布不规律，其他站情况良好。这从侧面反应出标准观测（人工观测）仍然存在主观性，比如雪花只要在空中飘浮，标准观测就认定它是继续存在的，而仪器则识别为已停止，这说明仪器观测的结果更加符合实际。所以，评估结果显示雪的错报率较低。

2.5 降水起止时间绝对误差

图3 为降水（雨、雪）起止时间绝对误差，按现象分类统计出的起止时间绝对值之和可以看出：新疆地区所有站点均存在降水起止时间的绝对误差值，只是时间差异不同，就其发生时间分析，无论是雨还是雪，降水现象持续时间越长、伴随的风速越大，则差异越大，特别是伊犁地区雨的起止时间误差普遍较大；塔城地区雪的起止时间误差普遍偏大；另外，大部分山区台站和部分迁徙的台站差异偏大，应该与台站四周环境空旷、参考标准（人工）观测降水起止时间的主观误差有很大的关系，当然也不能完全排除仪器本身存在的一些客观问题。

3 一致性分析

如果降水现象出现时间超过1 min，还需要进行降水现象发生时段的分析，以了解天气现象仪与人工观测的差异。分别对2 种观测方式记录的降水现象起、止时间相差≤15 min 或＞15 min 的现象次数及比例进行统计分析。

首先，以人工观测作为参考标准的结果，分别给出的自动一致性和人工一致性的结果（图4、图5），可以看出，以人工为基础的一致率和以自动为基础的一致率差异很明显，相同点：≤15 min 一致率都比＞15 min 的一致率高。不同点：人工观测的一致率都大于自动观测一致率，且相差很悬殊；人工观测≤15 min 雨的一致率平均为65%，一致率＞60%的站为70 个，各地州的分布良莠不齐；人工观测＞15 min雨的一致率差异较大，平均为23.8%，最大为100%，最小为0，极值的差异不具代表性。

雪和雨夹雪的人工一致率，无论是≤15 min 还是＞15 min 雪的一致率都不高，即使有18 个站在≤15 min 一致率达到了60%，也是因为基本都是降雪较少的南疆和东疆的个别站，它们出现概率小、持续时间短，所以一致率会高于其他站。＞15 min 雪的一致率超过60%的只有13 个站，也同样都出现在南疆或东疆站，说明降雪量越大，降雪出现频次越高，其一致性就越不稳定，例如：某次降雪天气人工观测记录的时间为0800—2000（北京时），而自动记录的0800—1100，1200—1214，1315—1608，1700—1923，1940—2000，这种差异在冬季出现频繁，其产生的原因在人工与自动仪器中都存在不确定性。

以自动观测作为参考标准的统计结果的一致率，≤15 min 雨的一致率平均只有29.54%，而雪的一致率达到55.7%，接近一倍之差；雨的一致率达到60%的只有5 个站；雪的一致率超过60%的有50 个站，而＞15 min 雨和雪的一致率均很差。导致以上差异原因：因人工观测范围大，同时存在一定的主观性，如：人工观测到雨或雪正在下降，故一直记录着时间，而自动仪器传感器之间的距离是通过雨量或雪量，它的测定范围小，会出现被遮挡物遮蔽或者会被风吹飞而造成数据过大或过小，仪器设备通常根据预先设定的值来判断是否有天气现象等，这些因素都会对数据的一致性等造成影响。另外，若自动观测到有毛毛雨、冰雹，而人工未观测到，这也会很大程度的影响观测数据的一致性，特别是毛毛雨，对雨的一致率影响最为显著。

图3 降水起止时间绝对误差

图4 ≤15min 降水（雨 雪）自动（a，b）人工（c，d）一致率

图5 ＞15 min 降水（雨 雪）自动（a，b）人工（c，d）一致率

4 降水类型与发生分钟对比

根据人工观测降水和自动观测降水类型和发生分钟数据对比可以看出（表1），在人工观测中，雨和雪占绝对多数且比例接近；自动观测中，雨、毛毛雨、雪合计占多数；实际工作中出现毛毛雨是极小的概率事件，可以肯定大多数情况下出现的毛毛雨不是正常观测记录值，但它的占比又特别大，对空报率、漏报率、错报率、捕获率及一致性影响极大。由表1还可看出，自动观测到有降水，但不能判别出是什么产生的降水（未知）占比也很大，它的观测出现的时间不是很连续，最长仅维持几分钟，由于它的出现，前后判别为2 次降水天气，影响也非常大。如果考虑将未判别（未知）的降水根据前后及当时的天气进行订正，效果应该会更加理想。由于雨夹雪等自动观测降水发生的概率也很小，也应该考虑前后及当时的天气进行订正。从上述大量数据的综合分析来看，单就平行观测的对比结果对新疆而言，只需判定雨和雪就很好，毛毛雨需要仔细斟酌。

表1 新疆地区人工观测降水和自动观测降水类型和发生分钟对比

在仪器运行中还发现，湿度大的晴天清晨或雾（霾）天气，降水现象仪频繁出现毛毛雨，而多数台站历史记录里几乎未出现毛毛雨；另外，当降水现象仪感应面有风吹动时，误将感应镜面细微的蜘蛛网误判为降水（南疆、东疆气候干燥极易频繁出现，常常于夜间形成），持续时间也很短；微量降水因雨强过小或下降速度过慢而判断不出有降水；南疆风沙天气出现频繁的台站也会误将浓浮尘、扬沙判断为降水（未知），持续时间较短；另外，夏季蚊虫飞过镜头表面也会迅速被判别为降水；冬季出现零星小雪，仪器测定为毛毛雨或雨（12 月、1 月多站出现雪、雨或毛毛雨同时出现）；上述情况需要考虑从仪器源头来处理。

5 结论

（1）雨的捕获率较理想，若能将毛毛雨的样本数平滑掉，则雨的捕获率将更加可观。雪的捕获率次于雨，其中低于80%的有53 站，占总站的51%；大部分地区和台站降雪量偏中常的台站雪的捕获率相对理想，但阿勒泰、石河子、昌吉地区的大部分台站雪的捕获率总体偏低。

（2）雨的空报率与雪的空报率相比略偏高，但情况良好，位于山区、低洼地、沙漠区域的大部分台站空报率偏高；雪的空报率较乐观，山区、低洼地情况不够稳定，总体情况看仪器比较稳定。

（3）雨的漏报率超过60%的有13 个站，且大部分是山区站以及近几年站址迁移的台站和沙漠边缘站；雪的漏报率，除北疆的塔城、博州2 地区漏报率略偏低，其他地区漏报率均很高；南疆和东疆地区除喀什地区漏报率很高外，其他地区相对偏低。

（4）雨的错报率相对较高，错报率偏高的台站出现在北疆的阿勒泰、伊犁、石河子、昌吉、乌鲁木齐和南疆的喀什地区。雪的错报率极高，尤其是哈巴河、博乐、玛纳斯、新和、巴仑台、塔中、乌恰、莎车、策勒、伊吾站错报率较高，且分布不规律。

（5）新疆区域内所有站点均存在降水起止时间的绝对误差，降水现象持续时间越长、伴随的风速越大，则差异越大，特别是伊犁地区雨的起止时间误差普遍较大；塔城地区雪的起止时间误差普遍偏大；山区台站和迁徙的台站差异偏大。

（6）以人工为基础的一致率和以自动为基础的雨的一致率差异明显。相同点：≤15 min 一致率都比＞15 min 的一致率大。不同点：人工观测的一致率都大于自动观测一致率，且相差非常悬殊。降雪量越大，降雪出现频次越高，则雪和雨夹雪的一致性就越不稳定。受主观因素的影响，以自动观测作为参考标准的统计结果的一致率很差。

（7）人工观测降水和自动观测降水样本结果显示，雨和雪在人工观测中占绝对多数且比例接近，雨、毛毛雨、雪在自动观测中合计占多数；其中，占比较大的非正常观测的毛毛雨记录对空报率、漏报率、错报率、捕获率及一致性影响极大。自动观测到有降水，但不能判别出是什么产生的降水（未知）占比很大，若根据前后及当时的天气进行订正，则效果更为理想。总之，仪器性能良好、稳定、故障率低，若能规避上述不合理的情况，则仪器投入正常业务使用就更具有代表性。建议根据全国各省发现的问题综合考虑，将以上反馈出的一些问题从仪器源头出发，考虑仪器设备预先设定的一些参数等因素，更加客观的采集天气现象。