降水现象仪自动观测冰雹与人工观测对比评析*

张 敏 刘丽彬 郭庆燕

(1．福建省气象信息中心，福建 福州 350001；2.福建省气象局，福建 福州 350001)

1 概述

降水现象观测是地面气象观测的基本内容之一，长期以来，降水现象主要依靠人工观测，耗费大量的人力，而且记录起止时间和夜间现象时容易产生误差，影响观测的准确度。近年来，中国气象局向全国推广建设降水天气现象仪，力求能有效减少人工观测工作量，推动地面观测自动化改革顺利实施。冰雹属于一种固态降水现象，常与大风、暴雨等同时出现，破坏力巨大，威胁人们的生命财产安全，准确观测冰雹出现的时间、强度变化等对于天气分析和气象服务有重要意义。目前对于降水现象仪的对比观测评估一般将液态和固态降水集中分析，固态降水样本数量较少，若使用与样本数量较多的液态降水相同的分析方法进行评估，可能无法体现其特性。本文通过整合福建省70个国家级气象观测站两年多的冰雹对比观测数据，结合具体冰雹事件和对比观测指标开展冰雹识别和观测准确性研究。

2 分析原理和方法

降水现象仪可观测毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹五种降水现象，采样周期为1min，时间精度较高。其工作原理是基于激光消减的特性，接收单元采集采样区内粒子对激光带的遮挡程度、持续时间以及粒子直径、下落速度等数据，处理单元将采集到的粒子分布情况与不同降水现象的特征进行比对判断，形成不同的降水天气记录[1]。一般来说，降水现象仪对冰雹的判别标准是粒子速度不小于7m/s，粒子直径大于5mm。

对比观测评估分析方法是以人工观测记录为准，自动观测数据与其比对，从冰雹的捕获率、错报率、漏报率、空报次数、误报情况等方面，以数据指标评析自动观测的准确性。

3 资料选取和冰雹事件分析

3.1 资料选取

福建省有70个国家级台站安装了降水现象仪，除了福州站安装的型号为DSG5，其余69个国家级台站安装型号均为DSG4。从2017年10月开始对比观测，2017年10月至2018年9月为第一阶段，观测数据以人工观测为主，2018年10月至2020年3月为第二阶段，观测数据以自动观测为主。本次评估分析研究的样本范围为福建省70个国家级地面台站在2017年10月至2020年3月期间的降水现象对比观测数据，人工观测数据来自于降水现象整编文件，自动观测数据来自于降水现象仪的分钟文件。

3.2 冰雹事件分析

表1为各冰雹过程样本的人工和自动观测出现时间表。在2017年10月至2020年3月，人工观测记录有15站次冰雹，其中夜间发生的有5站次，白天发生的有10站次，白天发生概率大于夜间。降雹时间主要集中于2～5月，其余月份无冰雹，雨季出现冰雹的概率较大。

表1 人工观测冰雹过程出现时间和自动观测冰雹过程出现时间

从表1可见，在对比观测第一阶段人工仅观测到一次白天的冰雹过程(样本1)，其余14次过程均在对比观测第二阶段出现。由于第一阶段以人工观测为主，第二阶段以自动观测数据为主，两个阶段捕获到的冰雹过程数量差别明显，可能存在人工观测时对一些微小冰雹或夜间出现冰雹的漏测，由此也体现了自动观测的敏锐性。

以对比观测期间发生冰雹的15个站次为样本，统计发生冰雹时小时雨量和小时极大风速，如图1所示，所有台站在发生冰雹时均有降水量产生，小时雨强在2.5～31.8mm之间，其中有11站次大于10mm，小时极大风速在5.0～22.5m/s之间，其中11站次大于10m/s，可见冰雹发生时常伴有强降水和大风。其中小时雨量均较小的样本3、6、4、12，在当天观测备注信息中均记录了气象部门开展防雹作业，周边个别村镇有冰雹现象，随后本站自动观测到冰雹。可见冰雹过程受人工影响天气的作用，其对应的降水明显小于正常过程数值。

图1 冰雹过程小时雨量和小时极大风速图

4 对比评估指标分析

按照降水现象仪常用的评估方法，从冰雹的捕获率、漏报率、错报率和空报、误报次数等指标进行评估分析。由于人工观测在白天有记录现象的起止时间，在夜间只记录现象不记录时间，因此以分钟为计算单位的漏报率和错报率只能通过白天的数据进行统计。

4.1 捕获率

捕获率是指仪器准确识别冰雹发生过程的次数占人工观测到实际发生冰雹现象过程总次数的百分比，夜间有一致的现象记录即为捕获，白天只需要仪器能够同步识别至少1分钟冰雹现象，便视为准确识别一次[2]。在对比观测期间，降水天气现象仪对夜间的冰雹现象均有捕获记录，夜间冰雹的捕获率为100%；白天发生10次冰雹，捕获到9次，白天冰雹的捕获率为90%。

福州站于2020年3月27日16时12分至39分发生的冰雹现象未捕获，仪器记录为雨或毛毛雨。本次冰雹的持续时间长、范围广、密度大，为福州站近30年罕见，降水现象分钟数据从16时10分到23分有断续缺测情况，缺测原因不明，可能是仪器受到冰雹外力的影响造成。福州站是福建省唯一使用DSG5型号的台站，在对比观测期间也仅人工观测到一次冰雹现象，样本数据均为个例，对该型号仪器的捕获率评价意义不强。

4.2 错报率

冰雹错报是指实际有冰雹发生，降水现象仪超过30%时间记录为其他降水现象。错报率按错报次数占白天实际发生冰雹次数的百分比进行统计。对比白天观测数据，除了福州站一次未捕获到的冰雹过程，其余9次捕获到的冰雹过程时间一致性均在70%以上，因此白天错报率为10%。

4.3 漏报率

冰雹漏报是指实际有冰雹发生，仪器超过30%的时间未识别出任何降水现象。漏报率按漏报次数占白天实际发生冰雹次数的百分比进行统计。白天有捕获到的9次冰雹现象均无漏报情况，未捕获到的福州站冰雹过程均被仪器识别为雨或毛毛雨，因此白天漏报率为0。

4.4 空报情况

冰雹空报是指在人工观测无任何降水现象的情况下，降水现象仪出现冰雹记录的次数。对比观测期间，有17站次夜间出现冰雹空报，其中对比观测第一阶段9次，第二阶段8次；22站次在白天出现冰雹空报，其中对比观测第一阶段13次，第二阶段9次。造成空报的原因主要是环境干扰，如沙石、树叶、飞虫等，因此白天的空报站次高于夜间。对比观测第二阶段空报率小于第一阶段，应该与仪器参数的不断完善调整有关。结合上文分析，冰雹发生时一般伴随降水，而空报时无降水量产生，建议仪器能结合实时雨量进行判识分析，对无降水时仪器判识的冰雹现象予以剔除，有效降低空报率。

4.5 误报情况

冰雹误报是指人工观测为非冰雹的降水天气时，降水现象仪记录为冰雹。对比观测期间，出现冰雹误报1936站次，其中白天1383站次(计5074分钟)，夜间553站次(计1958分钟)，白天的冰雹误报率明显大于夜间。冰雹误报情况比较普遍，全省各台站均不同程度存在误报，其中宁化站误报次数最多(为64次)，福州站和平潭站最少，各为3次。

分析不同雨强下冰雹的误报率，统计如图2，在小时降水强度小于70mm情况下，随着降水量级的增大，冰雹误报率也随之提高，可能是因为强降水碰撞破裂和重叠导致出现异常粒子[3]，其形态和下落速度与冰雹判识标准接近。当小时降水量大于70mm时，误报率有所下降，但因为降水样本较少，评估的代表性不大。

图2 不同雨强下冰雹的误报率

频繁的冰雹误报对气象服务的准确性和权威性有很大影响，建议在冰雹判识算法上进行精细化、差别化设置，非雨季和夜间进行冰雹判识时，粒子的速度和大小等判识参数能相对提高一些，并能结合降水自动观测数据，根据不同级别的雨强，逐级提高判识参数，避免将连续雨滴误判为冰雹，以减少对临界粒子的误判概率。

5 结论

福建省大多数台站采用DSG4型号的降水现象仪，本文的评估结论更适合于该型号的仪器。从观测情况对比来看，福建省的冰雹主要出现在第二个对比观测阶段，自动观测的敏锐性要高于人工观测。自动观测冰雹的捕获率高，错报率和漏报率低，空报时有存在，但是误报情况比较突出，夜间的判识准确度高于白天。

对比观测期间，冰雹集中出现于2～5月，白天发生冰雹概率大于夜间，冰雹出现时常伴有降水和大风，在强降水的情况下，误报情况更加突出。结合以上特征，建议根据不同季节、不同时间段设定降水现象仪的判识参数，并结合风和降水等观测要素进行综合分析，以减少空报和误报。