基于TEZ-23 遙測(cè)技術(shù)的頭道溝自動(dòng)氣象站蒸發(fā)研究

裴晶晶

(哈密水文勘測(cè)局,新疆 哈密 839000)

0 引言

氣溫是氣象學(xué)中最基本、最普遍的氣象要素之一,氣溫變化對(duì)人類、動(dòng)物和植物的生活和生存都有深刻的影響,因此對(duì)氣溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)具有非常重要的意義。當(dāng)前氣溫監(jiān)測(cè)主要手段為自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)。其中,自動(dòng)氣象站是一種自動(dòng)采集氣象要素?cái)?shù)據(jù)的儀器,通常使用傳感器和電子設(shè)備來(lái)測(cè)量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素。自動(dòng)氣象站不需要人工干預(yù)即可進(jìn)行測(cè)量,并可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒霘庀缶只蚱渌麣庀髾C(jī)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)是能夠連續(xù)不間斷地測(cè)量氣象要素,并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)提供數(shù)據(jù)[1-3]。相比之下,人工氣象站是由人工操作的,通常由氣象專業(yè)人員使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量氣象要素,這些人員通常會(huì)在固定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行觀測(cè),并將測(cè)量結(jié)果記錄在手動(dòng)記錄表格或電腦中。人工氣象站的意義在于提供高質(zhì)量的氣象數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以用于校準(zhǔn)自動(dòng)氣象站的測(cè)量結(jié)果,因此對(duì)比、分析、探討自動(dòng)氣象站與人工站氣象要素具有重要價(jià)值,以確保歷史資料的均一性[4-5]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)自動(dòng)氣象站與人工站氣象要素對(duì)比進(jìn)行了相關(guān)研究。楊勇[6]對(duì)五臺(tái)山中臺(tái)新建自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料和歷史人工觀測(cè)資料的降水、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓氣象要素的分析,研究了降水量、氣溫和相對(duì)濕度等差異變化;樊萬(wàn)珍等[7]在人工與自動(dòng)觀測(cè)資料對(duì)比差值分析的基礎(chǔ)上,建立人工與自動(dòng)觀測(cè)要素間的回歸方程,對(duì)年序列差異顯著的要素進(jìn)行回歸訂正和效果對(duì)比分析;張琳依等[8]對(duì)新津縣氣象站提供的2006年多要素氣象觀測(cè)資料進(jìn)行觀察分析,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),主要包括不同月份及不同時(shí)間的氣壓及氣溫情況,分析其人工觀測(cè)方法與自動(dòng)觀測(cè)方法所存在的不同差異;鐘超[9]針對(duì)氣溫、降水量等氣象因素自動(dòng)站和人工站觀測(cè)結(jié)果差異及其原因進(jìn)行了分析;孟慶勇等[10]比較新型日照觀測(cè)儀器和暗筒式日照計(jì)所獲取資料的差值,給出人工觀測(cè)資料的換算系數(shù)概念,并進(jìn)一步分析不同差值的形成原因和規(guī)律。

本文以伊吾水文站為例,以TEZ-23遙測(cè)技術(shù)為自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段,選取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自動(dòng)站觀測(cè)和人工觀測(cè)的氣溫,通過(guò)對(duì)自動(dòng)站和人工站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比及相關(guān)分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因,并給出了氣象要素間的回歸方程,研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 測(cè)站概況

伊吾水文站于2011年1月設(shè)立,領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)為新疆維吾爾自治區(qū)水文局,位于新疆維吾爾自治區(qū)伊吾縣吐葫蘆鄉(xiāng)拜其爾村,地理坐標(biāo)為東經(jīng)94°45′,北緯43°16′,是內(nèi)陸河湖流域哈密、吐魯番地區(qū)諸河水系伊吾河上的控制站,流入峽溝水庫(kù)。該站是省級(jí)重要水文站,測(cè)驗(yàn)方式為駐巡測(cè)。伊吾水文站觀測(cè)項(xiàng)目主要有水位、流量、普通測(cè)量、降水量、氣溫、水質(zhì)等。測(cè)驗(yàn)斷面位于站房17 km其中8 km為沙石土路,河段順直長(zhǎng)度約為150 m,河漫灘發(fā)育,階地不明顯,兩岸為柳樹(shù)林和紅柳灌木叢。高水期有逆流、回水、死水等現(xiàn)象,低水期有岔流、串溝、死水等現(xiàn)象。該站多年年平均徑流量0.841億 m3、最大年徑流1.1858 m3(2018年)、實(shí)測(cè)最大流量241 m3/s(2018年7月31日)。根據(jù)2014-2019年觀測(cè)資料反映,多年平均氣溫為 5.0℃,夏季極端最高氣溫為 33℃,冬季極端最低氣溫為-24.9℃。場(chǎng)內(nèi)設(shè)有百葉箱、雨量器、20 cm口徑蒸發(fā)器、自動(dòng)氣象站(氣象六要素包括氣溫、降水、蒸發(fā)),全年兩種蒸發(fā)器同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)場(chǎng)四周為1.0 m高的圍欄,場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)道寬0.5 m,地表植物高度低于0.2 m。兩種蒸發(fā)器設(shè)置于氣象場(chǎng)內(nèi),各蒸發(fā)器的設(shè)置符合規(guī)范要求。

2 TEZ-23遙測(cè)技術(shù)

TEZ-23遙測(cè)技術(shù)是一種基于無(wú)線通信技術(shù)和微處理器控制技術(shù)的遙測(cè)系統(tǒng),由遙測(cè)終端、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分組成。遙測(cè)終端是指在被監(jiān)測(cè)對(duì)象附近安裝的傳感器、控制器和數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備,負(fù)責(zé)采集和傳輸被監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù);通訊網(wǎng)絡(luò)是指將遙測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò),通常采用GSM/GPRS或者CDMA等通信技術(shù);監(jiān)控中心則是指接收、處理和分析來(lái)自遙測(cè)終端的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

TEZ-23遙測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):實(shí)時(shí)性強(qiáng):遙測(cè)終端可以實(shí)時(shí)采集被監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù),并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。精度高:遙測(cè)終端采用了高精度的傳感器和控制器,可以對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的采集和控制。范圍廣:TEZ-23遙測(cè)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)和控制各種類型的被監(jiān)測(cè)對(duì)象,包括水文、氣象、環(huán)境、能源、安防等領(lǐng)域。維護(hù)成本低:由于TEZ-23遙測(cè)技術(shù)采用了無(wú)線通信技術(shù),可以避免傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布線和維護(hù)成本。因此,TEZ-23遙測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保、能源、安防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。圖1為TEZ-23系列全自動(dòng)水面遙測(cè)蒸發(fā)站。

圖1 TEZ-23系列全自動(dòng)水面遙測(cè)蒸發(fā)站

3 氣溫相關(guān)性及誤差分析

本站采用TEZ-23設(shè)備感知自然界氣溫,同時(shí)將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信息量輸出,以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示的需要,進(jìn)行時(shí)時(shí)觀測(cè),每隔5 min進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳輸。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求,選取伊吾水文站 2022年6月、7月、8月自動(dòng)站觀測(cè)和人工觀測(cè)的氣溫,通過(guò)對(duì)自動(dòng)站和人工站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比及相關(guān)分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因。表1給出了部分伊吾站自動(dòng)與人工氣溫觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)。

表1 伊吾站自動(dòng)與人工氣溫觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)

3.1 相關(guān)性分析

根據(jù)表1 伊吾站自動(dòng)與人工氣溫觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分別繪制6月、7月、8月8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)、日最高、日最低自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫相關(guān)圖。6月5日26日27日因數(shù)據(jù)傳輸有誤刪除。通過(guò)圖2～圖6可以看出,8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)、日最高、日最低自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫相關(guān)系分別為y=1.022x-1.486(R2= 0.940)、y=0.961x+0.185(R2=0.977)、y=0.902x+1.464(R2=0.957)、y=0.893x+1.943(R2=0.938)、y=0.949x-1.320(R2=0.968),人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)點(diǎn)在圖上分布密集,呈直線趨勢(shì),兩者的相關(guān)系數(shù)很高,說(shuō)明兩種觀測(cè)方式取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在明確的線性關(guān)系,斜率接近1,且相關(guān)關(guān)系顯著。這種趨勢(shì)可以說(shuō)明人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)之間的數(shù)據(jù)存在較高的一致性和可比性,兩種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)在某些方面具有相似的趨勢(shì)和特征,可以相互印證和驗(yàn)證。同時(shí),由于兩種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)具有明顯的線性關(guān)系,可以使用一種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)或估算另一種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù),從而更好地理解和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在某些情況下,如果自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備不能正常運(yùn)行,人工觀測(cè)數(shù)據(jù)可以作為替代數(shù)據(jù)使用,以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。值得一提的是,如果人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大差異,需要進(jìn)一步分析原因并進(jìn)行校準(zhǔn),以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 伊吾站8時(shí)自動(dòng)與人工氣溫相關(guān)圖

圖4 伊吾站20時(shí)自動(dòng)與人工氣溫相關(guān)圖

圖6 伊吾站自動(dòng)與人工最低氣溫相關(guān)圖

3.2 誤差分析

分別點(diǎn)繪6月、7月、8月8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)、日最高、日最低自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的偏差圖見(jiàn)圖7～圖9。產(chǎn)生差異的主要原因有:自動(dòng)站采用鉑電阻作為溫度傳感器,其輸出電量隨溫度變化而變化,而溫度表則靠液體熱脹冷縮來(lái)指示溫度變化。另外,鉑電阻的感應(yīng)時(shí)間常數(shù)比溫度表更小,對(duì)溫度變化更為靈敏; 人工站的觀測(cè)時(shí)間是在正點(diǎn)前10 min對(duì)各氣象要素逐項(xiàng)進(jìn)行觀測(cè),而自動(dòng)站則是在正點(diǎn)瞬時(shí)完成各要素的觀測(cè)。兩種觀測(cè)體制的時(shí)間上存在明顯差異,人工觀測(cè)距正點(diǎn)的時(shí)間相差約5分鐘;自動(dòng)站的每個(gè)數(shù)據(jù)都是通過(guò)多個(gè)樣本值求平均得到,而人工站只是在觀測(cè)時(shí)讀取一次儀器值。這使得自動(dòng)站數(shù)據(jù)更接近真實(shí)狀況,排除了人工站儀器慣性的影響; 人工觀測(cè)需要打開(kāi)百頁(yè)箱,會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)流對(duì)溫度記錄產(chǎn)生影響,而自動(dòng)站觀測(cè)不存在此情況;自動(dòng)站能連續(xù) 24 h對(duì)氣象要素進(jìn)行觀測(cè),雖然人工站也有部分要素的自記儀器,但各時(shí)次的數(shù)據(jù)都要通過(guò)人工訂正,且自記值的示值也較粗略,資料的代表性不如自動(dòng)站。人工站觀測(cè)數(shù)據(jù)存在氣象觀測(cè)員的讀數(shù)視差。最后,由圖6～圖8以及樣本數(shù)據(jù)得出,自記氣溫與人工偏差較小,最大為±3.8°,最小為±0.0°系統(tǒng)偏差為0.82～1.13之間,標(biāo)準(zhǔn)差在0.6～0.9之間。

圖7 6月自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的偏差圖

圖8 7月自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的偏差圖

圖9 8月自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的偏差圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以伊吾水文站為例,以TEZ-23遙測(cè)技術(shù)為自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段,選取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自動(dòng)站觀測(cè)和人工觀測(cè)的氣溫,通過(guò)對(duì)自動(dòng)站和人工站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比及相關(guān)分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因,并給出了氣象要素間的回歸方程。研究結(jié)果表明,自動(dòng)站與人工觀測(cè)值相關(guān)度很高,最高可達(dá)0.977,最低為0.938,可以認(rèn)伊吾站人工氣溫和電子氣溫的系數(shù)為0.96,兩者相關(guān)可以達(dá)到0.96,接近于1。這一結(jié)果說(shuō)明,自動(dòng)站測(cè)量數(shù)據(jù)理論精度較高,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)站的可靠測(cè)量,滿足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求,所以伊吾站自動(dòng)站觀測(cè)的氣溫完全可代替人工觀測(cè)值,并應(yīng)用于伊吾站氣溫觀測(cè)及資料整編。