激光雪深观测仪数据与人工测量雪深值的对比分析

杨 狄 杨振忠 陈利华

黑龙江省鹤岗市气象局 黑龙江 鹤岗 154100

1 引言

1.1 研究的目的及意义 我国是世界上冰雪灾害多发的国家之一，近年来，由于冰雪天气导致的灾害已对我国人民生活、交通、电网造成严重危害：2008年1-2月南方大部分地区持续发生冰冻雨雪灾害；2009年11-12月华北及西北地区出现的强降雪天气过程；均造成严重的经济损失。2012年11月黑龙江省鹤岗市发生了有气象记录(1955年)以来最大的特大暴雪天气，过程雪量64.5毫米，最大积雪深度达53.3厘米，造成全市交通中断，市区大面积断电，部分地区供水、供暖也一度停止，中小学放假；共有360栋蔬菜大棚受损，25栋大棚压塌，一些重要的水果、蔬菜批发市场的仓库也被压塌，大量园林树木折损。造成了十几亿元的经济损失，该事件也成为我国2012年国内十大极端气候事件之一。

1.2 雪深概念及人工测量现状 雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米(cm)为单位，取整数；早8时若观测地段被雪(包括米雪、霰、冰粒)覆盖时，需要观测雪深，如果早8时没有达到观测标准，之后因降雪达到观测标准时，需要在14或20时进行补测。观测值存在地点的水平、量雪尺是否垂直，观测员视力等主观误差。另外，由于每天观测一次，数据间隔时间太长，容易漏掉雪深最大值，影响资料的代表性。

2 自动雪深仪原理

国内目前使用的自动雪深仪，多采用超声波测距或激光测距原理，利用发射的光波遇到障碍物反射回来的特性进行测量。自动测量雪深在观测速度、采样密度等方面都优于人工观测，激光雪深仪因安装方便、维护简单、占地面积小和价格相对较低等特点受到广泛关注。

激光雪深仪是利用发射的波束(光波)遇到障碍物反射回来的特性进行距离差测量。采用相位法测距，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。激光探头倾斜安装在支撑杆上，倾斜角(α)10°～30°，距离盲区约为10cm。

3 资料与方法

2012年在黑龙江省安装了六个江苏省无线电科学研究所有限公司的WUSH-SD型号的激光雪深仪。仪器分别安装在三江平原以及平原向小兴安岭过渡带的暴雪易发区：鹤岗市、萝北县、宝清县、依兰县、佳木斯市、富锦市。由于安装在依兰的仪器出故障，没有及时处理而造成数据不准确；因此本文使用鹤岗市、萝北县、宝清县、佳木斯市、富锦市5个站点的定时观测数据，起止时间为2013年11月至2014年3月、2014年11月至2015年3月(该时段富锦和宝清站的雪深仪器可能因维护或其它问题导致数据不准，故剔除)，通过分析雪深自动观测与人工观测值的误差，得出激光自动雪深仪的使用效果。

4 对比数据分析

对比人工和自动雪深仪观测数据的差异，主要是分析两序列的误差情况。从对比观测的过程和结果来看，该设备基本能够达到测量雪深数据的要求。由于只进行了两个冬季的对比观测，并不能代表所有冬季的雪情，因而本文仅对试验期间的测量结果有效。

从图1和图2来看，2013年冬天各站的人工与自动雪深值曲线比较一致，差异较小；2014年冬天萝北和鹤岗站的人工与自动雪深值曲线比较一致，差异较小；佳木斯站的人工与自动雪深值曲线在后春2月下旬到3月相差较大，因为气温回暖使雪面融化成不很均匀的冰面或冰雪混合物，影响了反射时间；若雪面化成水则采集不到数据。

4.1 误差

4.1.1 对比差 对比差是雪深自动仪与人工观测值的差值A-P。参考雪深自动仪定型时要求精度在2CM以内符合标准，确定对比差的平均值X≤2CM之内为正常；其中宝清的X＝0，富锦-0.5，萝北0.4，鹤岗-0.1，佳木斯1.9；均属正常。从图3中的趋势线分析看，除鹤岗外其它四个站的对比差都是从冬到春呈上升趋势；并且佳木斯、宝清和富锦的误差都是从负数或零向正数转变，即在后春时自动观测雪深值明显大于人工观测值。从图4中的趋势线来看，佳木斯站的自动观测值在春季明显大于人工观测值，建议可以按自动值缺测处理。

图1 2013年11月至2014年3月各站的人工与自动雪深值

图2 2014年11月至2015年3月各站的人工与自动雪深值

图3 2013年11月至2014年3月各站的人工与自动雪深值对比差

图4 2014年11月至2015年3月各站的人工与自动雪深值对比差

4.1.2 相对误差 相对误差＝|自动值-人工值|/人工值*100%，反映当以人工观测值为基准时，自动观测值的偏差情况，参考自动雨量的偏差标准在±4%之间，认为自动雪深的相对误差在10%以内符合标准，在10-20%之间需要寻找原因，及时进行仪器维护；在20%以外则认为仪器超标。

在研究相对误差时，选取概率分布更为直观：把相对误差按＜4%、5-10%、11-20%、21-30%、31-40%、41-50%、51-60%、61-70%、71-80%、81-90%、91-100%、＞100%进行分级，分别计算各级相对误差中所含有的数据对占数据总数的百分百。

从图5可知，鹤岗、萝北、宝清站的相对误差在4%的概率均在85%以上；各站的误差在10%之内的概率均在75%以上，各站的误差在20%之内的概率均在91%以上，完全能满足对外服务的需要。从表1可知，误差在20%之内的概率分别是鹤岗站97.8%、萝北站82.9%、佳木斯站66.4%；能满足冬季对外服务的需要，春季的服务因雪量和气温的差异，有时需要参考一下人工值。从两年冬天来看自动雪深仪准确率有所下降，和台站的仪器维护关系较大。

表1 2014年11月至2015年3月各种相对误差概率

图5 2013年11月至2014年3月各站的相对误差概率

5 研究结论及存在的问题

5.1 研究结论 激光在测距过程中，受温度影响小，观测数据波动性小，长期测量稳定性高。具体结论如下：1、雪深自动仪与人工观测值的对比差均值都属正常范围；从各站的对比误差概率图上看，基本能满足对外服务的需要。2、从趋势线分析看，在春季自动观测值偏大，而人工观测值更客观些。3、自动雪深仪的维护及校准很重要，需要严格按照仪器的使用手册及功能需求书的规定来完成，才能获得有效的观测值。

5.2 存在的问题 激光雪深仪只测量传感器斜下方一个直径约2mm测量点处的积雪深度，测量结果有一定的局限性。建议采用多传感器融合的方法，再增加两个距离10米以上的观测点，并给出数据融合算法，确定自动输出雪深值，以增加数据的准确。另据台站反映，在后春气温回暖时，雪深观测仪有采集不到数据或自动值偏大明显的情况，还需要厂家进行有针对性的实验，以提高该仪器对于各种地域及气候特点的适应性。