巧用螺旋測微器解決自動觀測蒸發(fā)缺測問題

劉慧杰，袁 博，吳 歡，竇苗苗

（1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院，安徽合肥 230010；2.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南長沙 410007）

0 引言

E-601B 大型蒸發(fā)是地面氣象觀測常規(guī)觀測儀器，由3000 cm2的蒸發(fā)池、水圈、土圈和放置超聲波測距儀的小百葉箱兩部分組成，兩者通過聯(lián)通管相連，保持水位高度一致。大型蒸發(fā)在地面氣象觀測設(shè)備中屬于占地面積較大的項目，一個觀測場中一般只有一套，大型蒸發(fā)自動觀測整體布置見圖1。

圖1 大型蒸發(fā)自動觀測整體布置

1 大型蒸發(fā)自動觀測與人工觀測的差異

大型蒸發(fā)人工觀測每天20 時觀測一次蒸發(fā)池水位高度，與前一天20 時的水位高度比較，得出一天的水位差，即為一天的日蒸發(fā)量。觀測點位于蒸發(fā)池的邊緣測針底座，觀測儀器為螺旋測微器[1]，量程為70 mm，精確到0.1 mm。大型蒸發(fā)自動觀測為每小時計算一次水位差，得出每小時的蒸發(fā)量，一天的日蒸發(fā)量為24 h 蒸發(fā)量之和。觀測點位于小百葉箱里的連通器水面，量程為100 mm，精確到0.1 mm。

1.1 自動觀測與人工觀測的區(qū)別

大型蒸發(fā)自動觀測相對于人工觀測具有明顯優(yōu)勢，在時間尺度上提供了不同時段蒸發(fā)量的分布，而不僅僅是一個日蒸發(fā)總量；在處理降水溢流方面取消了溢流桶設(shè)置，采取與翻斗雨量同步及最高水位線設(shè)置，使蒸發(fā)量受降水影響降到最低。

大型蒸發(fā)采用超聲波測距原理，因為超聲波抗干擾性能不足，因此會出現(xiàn)一些意外情況，比如電磁干擾、溫度補償影響等可能造成觀測數(shù)據(jù)異常；同時，每天24 次觀測，觀測次數(shù)的增加無疑增加了疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率；觀測點從蒸發(fā)池移到小百葉箱，增加了聯(lián)通管，雖然減小了水面波動的誤差，但也增加了兩處水位差帶來蒸發(fā)誤差的可能性。

1.2 自動觀測與人工觀測的聯(lián)系

超聲波測距儀的上水位線（100 mm 線）高度以蒸發(fā)池溢流口為基準，一般比溢流口高約5 mm。當水位達到蒸發(fā)池的溢流口時，因溢流的存在水位不再有上升變化，這個水位約為95 mm左右，即最大量程，也是蒸發(fā)傳感器的溢出水位參數(shù)。業(yè)務(wù)上一般要求蒸發(fā)水位45～75 mm，即距溢流口20～50 mm。

人工觀測儀器螺旋側(cè)圍器固定在蒸發(fā)池外側(cè)的測針座插孔，最大量程70 mm 線比溢流口高5 mm 左右。一般要求蒸發(fā)池水位保持在25～45 mm 為最佳，即距溢流口20～40 mm。

由此可見，人工與自動觀測測量精度相同，要求的正常蒸發(fā)池水位一致，距溢流口20 mm 以上。對于不同臺站，蒸發(fā)池的水位相同時，人工觀測的水位高度值基本相同，因為測針底座安裝高度基本相同（廠家標準定制）；由于自動觀測的超聲波測距儀最高水位線與蒸發(fā)池溢流口之間各站在安裝時存在差異，因而蒸發(fā)池的水位相同時自動測量水位不盡相同。

2 大型蒸發(fā)自動觀測缺測的發(fā)生與解決途徑

大型蒸發(fā)自動觀測設(shè)備一般臺站沒有備件，若發(fā)生故障，往往都會導(dǎo)致缺測數(shù)小時甚至更長，致使當天日蒸發(fā)量缺測。

設(shè)想在當日20 時使用人工方式測量蒸發(fā)池水位，參與計算日蒸發(fā)量。如果有前一日20 時人工測量的原始水位問題就可以迎刃而解，顯然無人會提前測量。但前一日20 時的自動觀測水位是有的，考慮利用自動觀測水位換算出人工觀測水位。

從1.2 的分析可以看出，同一臺站人工觀測和自動觀測水位之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)自動蒸發(fā)超聲波測距儀上水位線（100 mm 線）比溢流口高5 mm，人工測針最大量程線（70 mm）也比溢流口高5 mm，則自動蒸發(fā)溢流口高度95 mm 對應(yīng)于人工蒸發(fā)溢流口高度應(yīng)該是65 mm。若前一日20 時自動站測量的蒸發(fā)池水位為65.8 mm，則換算成人工觀測的水位高度即可為：人工觀測蒸發(fā)原量=65.8-（95-65）=35.8 mm。

當然，上述換算是建立在假設(shè)條件下的，自動觀測與人工觀測之間的數(shù)值差應(yīng)通過事先測量計算，即在自動觀測設(shè)備正常時進行人工水位測量，將同一時間的自動觀測水位與人工觀測水位的差值計算出來留存。出現(xiàn)故障時就可以用前一日20 時自動觀測水位值減去留存的差值得到前一日20 時人工觀測原量，避免故障當日的日蒸發(fā)量缺測。不過要注意的是，若當日因降水出現(xiàn)了蒸發(fā)池溢流就無法計算了。

3 討論

日常工作中超聲波測距儀缺測故障出現(xiàn)的并不多，但疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻率還是不低的，主要表現(xiàn)[2]在某個時次出現(xiàn)大值，甚至連續(xù)幾個時次為0，隨后出現(xiàn)一個大值。由于日蒸發(fā)量是24個時次的總和，出現(xiàn)個別時次異常并非不可能，是否影響到日蒸發(fā)量，可以參照上述方法判斷自動觀測蒸發(fā)量日合計和人工觀測計算的相差多少，而不能僅用當日20 時自動站水位與前一日20 時自動站水位的差值簡單判斷，因為超聲波測量的水位在異常時可能并不能完全代表蒸發(fā)池的水位，聯(lián)通管可能因為異物或氣泡等造成蒸發(fā)池和測量桶之間的水位差。

4 結(jié)語

用人工測量的方法能有效解決大型蒸發(fā)自動觀測缺測數(shù)小時導(dǎo)致日蒸發(fā)量缺測的問題，在所有臺站都可實現(xiàn)，且所需要做的僅僅是事先在設(shè)備維護[3]時做一次人工同步測量，計算自動觀測水位與人工觀測水位的差值即可，業(yè)務(wù)操作簡單可行。這種方法的實質(zhì)，是利用不同原理的設(shè)備或方法對同一個氣象要素進行測量并互相印證，從而有效提高觀測值的穩(wěn)定度。