北京市全天候称重雨量计组网运行效能

李 艳，李 林

（1.华云升达（北京）气象科技有限责任公司，北京 100081；（2.北京市气象探测中心，北京 100089）

北京市全天候称重雨量计组网运行效能

李 艳1，李 林2

（1.华云升达（北京）气象科技有限责任公司，北京 100081；（2.北京市气象探测中心，北京 100089）

固态降水自动化观测对于预报服务，提高冬季降水观测资料的时空分辨率、减轻观测员工作强度等具有重要意义。为满足首都北京应急服务的迫切需求，北京市气象局2009年起开始建设全天候称重雨量计观测网。通过国家级台站的业务对比评估，较为全面地掌握了全天候称重雨量计的降水观测性能，结果表明其与现有业务观测设备相比仪器运行稳定、观测数据一致性较好。在2012年11月的雨雪相态复杂多变的暴雪天气过程中，全天候称重雨量计观测网为数值预报、气象服务等提供了及时、准确、可靠的观测数据，发挥了良好的经济、社会效益。

全天候称重雨量计;运行评估;应急服务;效益分析

1 引言

近年来，随着全球气候变暖，我国冰雪灾害的问题日益突出，其影响频次和程度明显增加，发生范围不断扩大，给城市安全运行、农业生产和人民生活带来较大危害，特别是随着城市化进程加快，与降雪有关的“城市次生灾害”事件逐渐显露出来。对于特大城市北京来说，由于道路网结构变迁和机动车保有量持续快速增加，这些非气象因素成为引发与降雪有关“城市次生灾害”的重要环境条件，且在中心城区聚集大量人口，对气象服务的时效性和精细化要求较高。一旦出现高影响性天气，对于人口密集、现代化程度较高的超大型城市来说，会产生“多米诺骨牌式”的连锁反应和放大效应。2001年12月7日，北京地区一次突发的小雪天气过程造成城区交通近乎瘫痪，下班高峰期间近百万市民被困车中达数小时。造成如此巨大社会影响的这次微弱降雪天气过程从中午13时持续至22时,期间全市平均降雪量仅为1-2 mm。

作为地面气象观测的主要项目之一，降水观测为气象防灾减灾、天气预报、气候分析和科学研究等提供了重要基础资料，高时空分辨率的降雪量观测资料是开展冰雪天气过程的气象预报和服务工作、降低冰雪灾害对工农业生产、人民生活的影响的必要支撑。

一直以来，冬季降水观测资料为人工观测方式，存在观测间隔长、空间分辨率低的问题，同时由于对首都北京特殊服务的需要，冬季常年需要观测员每小时进行人工加密观测，观测员的工作强度十分大，工作效率低。称重雨量计可实现固、液态等所有类型降水的全天候自动观测，使以上问题的解决成为可能。

2 组网建设

面对迫切需要解决冬季降水观测资料时空分辨率低、人工观测工作强度大的问题，2009年12月，中国气象局在京津冀地区开展固态降水自动观测试点工作，以探索降雪量自动观测的可行性，为全天候称重雨量计的全面推广、铺开打下了坚实的基础。依托试点成果，北京市气象局考虑优先发展国家级站点的固态降水观测自动化，以提高自动化水平和减轻观测人员工作量；加大城近郊区全天候称重雨量计的站网密度，以提高气象服务精细化程度；补充建设交通干线附近尤其是高速公路的站点，以满足交通气象服务需求。

自2011年开始，北京市气象局多方筹集资金，依托北京市极端天气条件下保持道路交通畅通物联网应用示范工程、北京市人工影响天气工程建设项目(一期)工程、中国气象局气象灾害与监测预警工程、北京市大兴区政府自行投资，分批次建设全天候称重雨量计，截至2013年11月已建成88个站点全天候称重雨量计组成的北京市冬季降水自动观测网。其中，20个国家级气象观测站已全部安装使用全天候称重雨量计。由于全天候称重雨量计建设时间跨度较长且项目为多方资金来源，88套全天候称重雨量计共涉及四种观测设备，包括为VRG101型10个、WUSH-WP(DSC1)型 1 个、HYA-APG(DSC2)型 73个、DSH1(DSC3)型 4 个。

通过上述工程项目的实施，全天候称重雨量计在北京市城区的平均站间距约为7 km，在郊区县则约为18 km（在大兴区约为9 km），其中在五环路以内多要素站全部采用全天候称重雨量计。

3 业务运行评估

3.1 运行评估方法

根据业务运行实际需要，并借鉴2010-2011年冬季固态降水自动化观测试验考核相关经验，本文分别从静态准确性、运行稳定性、感应一致性、降水误报率、降水捕获率等五个方面对仪器性能进行评估。

固态降水对比观测数据选取20个国家级站点在2012年11月1日-2013年3月31日期间的称重降水观测数据、人工降水观测数据，液态降水对比观测数据则选取16个站点2013年4月1日-7月2日期间的称重降水观测数据、人工降水观测数据及业务用自动站双翻斗雨量计观测数据。

3.2 静态准确性

静态准确性：采用20 cm口径雨量计测试专用的10 mm雨量量杯和JJS2型雨量校准器，分别对各站点的全天候称重雨量计进行校准测试，按照1 mm/min、4 mm/min降水强度分别测试三次，并计算平均降水量输出结果。

在2012年10月设备启用前及2013年6-7月，对各站点全天候称重雨量计共进行两次测试，其输出值均在9.8-10.0 mm之间，静态准确性较好，同时表明，在经历整个冬天使用后，其静态准确性也未出现偏差，有效地改善了双翻斗雨量计长期使用准确性较差的问题。

3.3 运行稳定性

运行稳定性：在整个对比评估期间，如果称重式降水传感器工作出现故障，需进行现场维护维修，则记录为1次故障。

在全天候称重雨量计运行期间，系统整体稳定，2012年冬季投入业务运行的58个站中，仅有1个站点的设备发生过两次分采集器故障，导致个别降水过程缺测，该站点的数据完整性为99.4%，其余台站对比期间的数据完整性为100%。

3.4 感应一致性

降水感应一致性：当人工定时观测有降水时，若台站业务用人工雨量计观测到的过程降水量≥0.1 mm，同时全天候称重雨量计观测到的过程降水量≥0.1 mm，则认为降水感应一致。

在2012年11月1日至2013年3月31日，20个站点组网运行时段内，人工观测到0.1 mm以上降水过程总计301站次，最少站点观测到12次降水，最多站点观测到18次降水；全天候称重雨量计观测到降水过程为296站次，最少站点观测到11次降水，最多站点观测到17次降水。有7次降水过程观测存在差别，其中1次为全天候称重雨量计观测有降水，6次为人工观测有降水，降水量均为0.1 mm。

在2013年4月1日-7月2日，16个站点组网运行时段内，自动站（双翻斗雨量计）观测到0.1 mm以上降水过程总计282站次，最少站点观测到14次降水，最多站点观测到23次降水；全天候称重雨量计观测到降水过程为290站次，最少站点观测到15次降水，最多站点观测到23次降水。有22次降水过程观测存在差别，其中15次为全天候称重雨量计有降水，最大降水量为0.2 mm，7次为双翻斗雨量计观测有降水，最大降水量为0.4 mm。全天候称重雨量计缺测的情况均出现在采用DSC3型设备的站点，可能是由于DSC3型设备增加了降水发生探测器（OPD）误判所致。

全天候称重雨量计与人工观测及双翻斗雨量计降水感应一致性较好，仅在微量降水的情况下，两者对降水发生与否的观测存在差异。而且在液态降水观测期间，由于全天候称重雨量计承水结构较为简单，减少了集水器和储水瓶等带来的沾湿误差，对于微量降水的观测更加灵敏。

3.5 降水误报率

降水误报：当人工定时观测天气现象无降水时，而称重雨量计在此时段观测到的降水量≥0.1 mm，则认为降水误报。

固态降水期间，对比台站提供的J文件和R文件，共有143个时次存在无降雪现象而有降水量的情况，经过对照台站的A文件，其中69个时次为误报，40个时次应为滞后降水，33个时次需要进一步分析确定，有1个时次应为降水但稍早于人工记录的降雪时间。12个台站未出现误报现象，5个台站的降水误报率小于1次/月，3个台站误报现象较多 (表1)，误报主要原因为全天候称重雨量计三根振弦中一根的温度敏感性较差，在冬季受温度影响较大从而出现误报，经过更换振弦后上述三个台站未再出现误报现象。

表1 误报出现情况

在液态降水期间，16个站点的全天候称重雨量计均未发现有误报现象。

3.6 降水捕获率

降水捕获率：以称重降水量除以人工降水量获得百分数。

在WMO组织的国际仪器比对中，推荐使用双栅式比对标准(DFIR)或者坑式雨量器。在业务运行中，台站并未安装DFIR或坑式雨量计，而且全天候称重雨量计与业务人工雨量筒在观测高度、防风圈等方面均存在差异。全天候称重雨量计与业务人工雨量计和双翻斗雨量计测量降水量差异来源不仅来自于传感器自身，还受到遮挡、风、温度等环境因素的影响，因此对比评估不对全天候称重雨量计准确性计算，仅做降水捕获率分析。

为使对比评估称重式降水传感器观测数据和人工雨量桶观测数据具有可比性，对评估数据根据天气现象按“降水过程”进行划分（连续6小时无降水，则认为前次降水过程结束），剔除各传感器观测数据中的故障时段数据及疑误数据并给予标注和统计，对比相同时段的观测资料差异。

在固态对比期间，20个台站中有四个台站人工较称重偏大，总降水量的捕获率最低为93.5%，最高为107.4%。总体来说，全天候称重雨量计与业务人工观测值有较好的一致性。

在液态对比期间，16个台站中有两个站称重较人工偏大，分别为104.4%、100.8%，其余站点称重均比人工总降水量偏小，最小为84.2%。在液态降水数据中，人工观测的降水总量总体处于称重降水量和翻斗降水量之间。

20个站点的固态降水平均捕获率为102.0%，16个站点液态降水平均捕获率96.8%（四个站点未参与对比）。从捕获率数据明显看出，固态降水时称重的降水量明显较人工偏大，而液态降水时人工和翻斗较称重偏大。16个站固态的捕获率均大于液态的捕获率，固态和液态捕获率最大差值为14.1%，最小为2%。

4 设备改进建议

DSC2型采用三根振弦传感器，但部分振弦会受温度影响导致误报，在设备生产中，厂家应做好振弦式称重传感器的温度系数测定，选用不易受温度影响的振弦传感器。同时可以考虑在称重降水传感器的分采集器中加入温度系数因子，以便于更准确的计算降水量，或者通过增加感雨探测的方式来确定是否计算降水。

DSC3型由于增加了降水发生探测器 （OPD），一定程度上减少了误报的可能性，但同时降低了其对微量降水的测量能力，实际使用中发现安装DSC3型设备的站点降水捕获率明显低于其它台站。

为保证传感器稳定工作，三种类型全天候称重雨量计均采用“凸”字型的防护罩，防护罩顶端为内径200 mm的承水口，承水口至集水桶约为320 mm长的光滑内壁。在特殊天气条件下，尤其是雨夹雪时内壁容易附着雪或冻雨。内壁附着的降水，会导致实时观测的降水量偏少，而该部分雪掉入集水筒时会导致分钟降水量突增。如果发生在降水过程中，观测人员质控时会误认为是异常降水；降水结束后超过滞后降水的观测时效，工作人员可能会当作误报处理。

针对该问题，建议采取如下三个解决方式：（1）提高工艺水平，增加内壁的平整度和光滑度来减小附着；（2）降低承水口至集水桶之间的高度，减少附着空间；（3）增加口沿加热系统，根据降雪量实时启动加热系统，实现随降随化，并采用温控使加热造成的蒸发损耗降到最低。

1002－252X(2017)03－0040－03

2017－6－1

李 艳(1963-),女，辽宁省铁岭市人，北京气象学院，专科生，工程师.