淺層地溫傳感器檢定更換方法的改進(jìn)研究

毛佩柱 毛智政 沈鹿鳴 吳杰

摘 要：地溫觀測(cè)是氣象觀測(cè)項(xiàng)目之一，地溫觀測(cè)中的20cm以上土壤層的地溫稱(chēng)為淺層地溫。因工作中傳感器檢定的需要，更換地溫傳感器而開(kāi)挖土層，破壞原有的土壤溫度狀態(tài)，通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)影響最為顯著的是15cm和20cm地溫，更換傳感器后溫度差異達(dá)到約1.8℃，土壤溫度平衡時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)淺層地溫的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)缺測(cè)。針對(duì)工作中的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了淺層地溫支架和傳感器更換方法，采用后置鎖扣，使檢定更換后的土壤保持接近自然狀態(tài)下的土壤溫度環(huán)境，更換后溫度差異約0.5℃，為可用數(shù)據(jù)范圍，土壤溫度平衡時(shí)間縮短到15分鐘，確保了觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。通過(guò)研究淺層地溫檢定更換中的方法改進(jìn)，大大縮短了淺層地溫傳感器在檢定更換和日常設(shè)備更換中的時(shí)間，使工作效率大大提高，對(duì)氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性準(zhǔn)確性的提高具有積極意義。

關(guān)鍵詞：淺層地溫;土壤導(dǎo)熱率;地溫傳感器;檢定更換

1 地溫觀測(cè)和檢定更換的方法

地溫是指地表面和以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱(chēng)，地溫觀測(cè)是氣象觀測(cè)項(xiàng)目之一，國(guó)家級(jí)氣象站一般觀測(cè)地面以及地面以下5cm，10cm，15cm，20cm，40cm，80cm，160cm和320cm深度的地溫。地溫觀測(cè)不僅進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦產(chǎn)開(kāi)采、地?zé)豳Y源、鐵路以及城市規(guī)劃具有重大意義。地溫觀測(cè)中的20cm以上土壤層的地溫為淺層地溫。

河北省在2002年國(guó)家氣象站實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)，地溫觀測(cè)表為鉑電阻傳感器進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，地溫傳感器的檢定周期為2年，目前普遍采用的方法是用新檢定的地溫傳感器，替換原將要到檢的傳感器。地溫傳感器的檢定更換過(guò)程中，將不可避免破壞傳感器安裝地段的土壤，特別是淺層地溫的土壤。目前更換淺層地溫傳感器普遍采用的方法為開(kāi)挖土壤，替換安裝檢定的溫度傳感器，然后將土回填。

2 土壤的熱傳導(dǎo)特性

土壤層的破壞，將對(duì)地溫觀測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。特別是淺層地溫層土壤開(kāi)挖回填后造成的不同層土壤的混合，破壞了自然的條件下的土壤溫度環(huán)境，造成地溫觀測(cè)的影響。回填后土壤間的熱傳導(dǎo)到重新穩(wěn)定到溫度平衡，需要消耗大量的時(shí)間。

土壤溫度平衡的重新達(dá)成，與土壤的熱傳導(dǎo)率相關(guān)。基于土壤的復(fù)雜性，土壤的熱傳導(dǎo)主要包括通過(guò)土壤空隙中空氣或水分傳導(dǎo)和土壤固相物質(zhì)之間接觸點(diǎn)直接傳導(dǎo)。土壤導(dǎo)熱率用來(lái)表示傳導(dǎo)土壤熱量的強(qiáng)度，用γ表示，其單位是J/（cm2s ℃），土壤導(dǎo)熱率的公式如下：

γ=QAT（T1-T2）d

式中A為土壤斷面面積，土壤兩端的溫度為T(mén)1、T2，土壤的厚度為d，在一定時(shí)間（T）內(nèi)流動(dòng)的熱量為Q，熱量的傳導(dǎo)是由高溫處到低溫處。

3 地溫傳感器檢定更換中對(duì)地溫觀測(cè)的影響和方法改進(jìn)

在日常工作中，由于更換地溫傳感器，而對(duì)土壤進(jìn)行挖掘和回填，因此，回填后的土層中，土壤的性狀發(fā)生較大改變，并混合進(jìn)大量的空氣，使土壤的熱傳導(dǎo)速度大為降低。由于回填土造成不同深度的土壤發(fā)生混合，土層回填后，地溫傳感器附近的土的溫度，與自然狀態(tài)下的各個(gè)層的土壤溫度差異巨大，因此受回填土溫度的影響，造成地溫傳感器更換后土壤穩(wěn)定期內(nèi)，傳感器探測(cè)的地溫與實(shí)際地溫差異較大，而無(wú)法使用，造成該時(shí)段內(nèi)地溫的缺測(cè)。

為研究傳感器更換前后的數(shù)據(jù)變化，開(kāi)展了地溫?cái)?shù)據(jù)平行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中在待更換的傳感器旁布設(shè)一組相同規(guī)格的實(shí)驗(yàn)用備份傳感器，二者平行觀測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。更換地溫傳感器時(shí)僅開(kāi)挖待檢傳感器，而實(shí)驗(yàn)用備份傳感器保持原狀態(tài)。通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)對(duì)比，在更換前，二者的溫差約為0.3℃。

3.1 傳統(tǒng)的淺層地溫傳感器檢定更換方法對(duì)地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響

在日常工作中，發(fā)現(xiàn)淺層地溫的更換，對(duì)地溫觀測(cè)影響巨大，5cm和10cm溫度傳感器，雖然更換后其土壤層也遭到破壞，但與地表的熱交換相對(duì)較快，一般在更換后2到3個(gè)小時(shí)，可完成土壤的溫度平衡，而是15cm和20cm，因距地表相對(duì)較遠(yuǎn)，周邊環(huán)境土壤的溫度相對(duì)偏低，造成土壤間的熱平衡時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)更換地溫傳感后對(duì)15cm和20cm的影響尤為顯著。通過(guò)大量的淺層地溫傳感器更換前后與實(shí)驗(yàn)備用溫度傳感器的溫度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)開(kāi)挖土層的方法更換地溫傳感器后，探測(cè)的15cm和20cm溫度與實(shí)驗(yàn)用備份的傳感器溫度發(fā)生顯著跳變。見(jiàn)圖1。圖1中，更換傳感器的時(shí)間為10時(shí)前，更換前，傳感器與實(shí)驗(yàn)用備份傳感器的溫差約0.3℃，更換后的10時(shí)，15cm和20cm溫度與實(shí)驗(yàn)用備份傳感器溫差分別為1.8℃和1.6℃。由于土層溫度平衡的重新構(gòu)建，較大的溫差持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，到8個(gè)小時(shí)后的17時(shí)，溫差仍然高達(dá)0.6℃和0.7℃，探測(cè)到的數(shù)據(jù)因?yàn)闇囟炔町愡^(guò)大而不能正常使用，而進(jìn)行缺測(cè)處理。一般情況下，約10個(gè)小時(shí)以上，15cm和20cm溫度才基本接近正常范圍。長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)缺測(cè)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)的完整性造成巨大影響。

3.2 淺層地溫支架和更換方法的改進(jìn)研究

為確保探測(cè)數(shù)據(jù)的完整，秦皇島市氣象探測(cè)技術(shù)人員，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了更換方法，改進(jìn)制作新型后置鎖扣淺層地溫表支架，見(jiàn)圖2。圖中A為原傳統(tǒng)淺層氣溫支架，B為改進(jìn)后的地溫支架，1為溫度傳感器，2為溫度傳感器鎖扣。改進(jìn)后的支架，將支架立板的傳感器鎖扣，改變到立板后側(cè)。采用后置鎖扣支架的地溫，在更換傳感器時(shí)，僅僅開(kāi)挖支架后部土壤，將傳感器從后側(cè)拉出，再插入新檢測(cè)的傳感器。新型支架的優(yōu)點(diǎn)是，不破壞傳感器感應(yīng)部分的土壤狀態(tài)，使地溫傳感器探頭附近的土壤，土壤層和溫度環(huán)境沒(méi)有變化，后側(cè)開(kāi)挖的土壤較少，且距離傳感器探頭距離較遠(yuǎn)，對(duì)傳感器影響大為降低。

3.3 采用改進(jìn)方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)可用性的改善

通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用新型地溫支架更換淺層地溫傳感器，更換后，15cm和20cm溫度與實(shí)驗(yàn)備用傳感器溫差變化幅度很小，約0.5℃，為可用數(shù)據(jù)范圍，見(jiàn)圖3。更換傳感器的時(shí)間為10時(shí)前，從分鐘數(shù)據(jù)分析，約15分鐘，新的傳感器的溫度即可達(dá)到正常的溫度探測(cè)范圍。改進(jìn)后的淺層地溫支架大大縮短了傳感器更換后的淺層地溫的溫度平衡時(shí)間，使新檢測(cè)的傳感器，在更換后不久，就可以進(jìn)行正常的地溫探測(cè)，確保了觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。

淺層地溫傳感器更換方法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求開(kāi)展，改進(jìn)的更換方法可直接在日常氣象觀測(cè)中開(kāi)展。改進(jìn)的方法大大縮短了淺層地溫傳感器在檢定更換和日常設(shè)備更換中的時(shí)間，使工作效率大大提高，對(duì)氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性準(zhǔn)確性的提高具有積極意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)際氣象觀測(cè)工作中淺層地溫傳感器檢定方法的研究，發(fā)現(xiàn)在氣象探測(cè)設(shè)備傳感器檢定更換對(duì)中淺層地溫探測(cè)數(shù)據(jù)的影響嚴(yán)重問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的不合理地設(shè)備部件和進(jìn)行更換方法的改進(jìn)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)后的更換方法，可基本維持原有淺層地溫傳感器附近土壤狀態(tài)，使傳感器更換后，溫度差異較傳統(tǒng)方法大大降低，探測(cè)數(shù)據(jù)在可用范圍內(nèi)，更換后傳感器的與土壤的溫度平衡時(shí)間由傳統(tǒng)方法的近10小時(shí)縮短到15分鐘，大大提高了淺層地溫傳感器檢定更換后的數(shù)據(jù)可用率。

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作者簡(jiǎn)介：毛佩柱（1967—），男，漢族，河北秦皇島人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：氣象綜合探測(cè)。