樂都水文站RS-WS-GPRS-6系列自動(dòng)氣溫儀器應(yīng)用分析

摘 要：氣溫是水文氣象要素中較為重要的一個(gè)輔助觀測(cè)項(xiàng)目，其變化趨勢(shì)與流域降水、徑流量等水文要素有密切的聯(lián)系。在氣溫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用方面，現(xiàn)通過對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)分析該領(lǐng)域的RS-WS-GPRS-6系列自動(dòng)氣溫儀器是否適應(yīng)某地區(qū)復(fù)雜的天氣條件和周邊環(huán)境，是否有很好的靈敏度和精確度，能否取代傳統(tǒng)人工觀測(cè)。

關(guān)鍵詞：水文站;自動(dòng)氣溫;水文現(xiàn)代化

0? ? 引言

在同樣的觀測(cè)條件下，以測(cè)站氣溫表觀測(cè)的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)開展自動(dòng)化設(shè)備氣溫對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，從準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性等方面對(duì)參試儀器的性能和適用性進(jìn)行分析。

1? ? 基本情況

1.1? ? 測(cè)站及氣象觀測(cè)場(chǎng)情況

樂都水文站是湟水下游干流控制站，設(shè)在黃河流域湟水水系湟水上，地處青海省海東市樂都區(qū)碾伯鎮(zhèn)下教場(chǎng)村，距西寧市約70 km，位于東經(jīng)102°25′、北緯36°29′，集水面積13 025 km2，距河源245 km，距河口129 km。樂都水文站是國家重要水文站、中央報(bào)汛站。

觀測(cè)場(chǎng)場(chǎng)地面積為64 m2（8 m×8 m），防護(hù)欄為不銹鋼管，場(chǎng)內(nèi)鋪設(shè)觀測(cè)小路，場(chǎng)地海拔1 971 m，場(chǎng)地地面平整，場(chǎng)地內(nèi)的植物高度均不超過20 cm[1]。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)各個(gè)儀器之間互不影響。

1.2? ? 對(duì)比觀測(cè)條件介紹

為了保證參試儀器的觀測(cè)具有可比性，本次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境選取與傳統(tǒng)氣溫觀測(cè)同樣地面高度的百葉箱，避免陽光直射以及空氣擾動(dòng)對(duì)溫度和濕度觀測(cè)的影響;自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的感應(yīng)部位與氣溫表感應(yīng)部位平齊，確保對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)具有真實(shí)的可比性。

本次氣溫對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)確定以人工觀測(cè)的水銀氣溫表作為參照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量儀器，進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。該氣溫表長期在測(cè)站用來觀測(cè)氣溫，本次參試儀器也已通過安全性試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)等出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)質(zhì)量檢驗(yàn)合格。

由于自動(dòng)化設(shè)備的靈敏度較高，氣溫的分辨率為0.1 ℃，所以對(duì)比觀測(cè)時(shí)須做到即開箱門即讀數(shù)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

1.3? ? 儀器介紹

本次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)儀器RS-WS-GPRS-6系列自動(dòng)氣溫儀器是一款采用新型傳感技術(shù)的數(shù)字化溫濕度變送器，其將溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、數(shù)字變換、串行數(shù)字接口及數(shù)字校準(zhǔn)全部集合到同一個(gè)芯片模塊中，可以同時(shí)測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出，只需一張移動(dòng)或者聯(lián)通的SIM卡，就可以通過網(wǎng)絡(luò)基站以GPRS方式將采集的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

該儀器采用瑞士進(jìn)口原裝高品質(zhì)溫濕度測(cè)量單元，結(jié)構(gòu)緊湊，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，保證了儀器的優(yōu)異測(cè)量性能;充分利用已架設(shè)好的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，達(dá)到集中監(jiān)控溫濕度數(shù)據(jù)的目的。

該參試儀器具備穩(wěn)定的性能參數(shù)，感應(yīng)探頭的溫度量程為-40～+80 ℃，濕度的量程為0%RH～100%RH，能適應(yīng)極限氣候條件下的氣溫和濕度的觀測(cè)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳默認(rèn)設(shè)置為每2 s一次，溫度分辨率為0.1 ℃，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為1 s。

2? ? 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1? ? 資料選取

儀器安裝完成并配置好相應(yīng)的參數(shù)之后，立即開始試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)。從4月1日開始至9月30日，選擇每日08：00氣溫同步觀測(cè)[2]，氣溫對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)共183個(gè)，為了與人工整編資料做對(duì)比分析，自動(dòng)氣溫摘錄08：00氣溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)值。

2.2? ? 數(shù)據(jù)處理

每次同步觀測(cè)完之后，及時(shí)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制并確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性。由于參試儀器測(cè)量溫度的感應(yīng)探頭靈敏度較高，分辨率為0.1 ℃，為了與標(biāo)準(zhǔn)氣溫表（分辨率為0.5 ℃）的計(jì)量基準(zhǔn)進(jìn)行比較，將參試儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)位處理，進(jìn)位成0.5 ℃的觀測(cè)值，確保對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)的可比性。

2.3? ? 套繪氣溫過程線分析

以日期為橫坐標(biāo)，氣溫為主縱坐標(biāo)，套繪自動(dòng)氣溫監(jiān)測(cè)儀與人工觀測(cè)氣溫過程線，在同一張圖上，以絕對(duì)誤差作為次縱坐標(biāo)軸繪制絕對(duì)誤差分析圖，如圖1所示。

從圖1來看，自動(dòng)氣溫監(jiān)測(cè)與人工同步觀測(cè)的氣溫趨勢(shì)一致，在氣溫發(fā)生突變時(shí)會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)誤差。

2.4? ? 誤差統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)自動(dòng)氣溫監(jiān)測(cè)儀與人工對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

絕對(duì)誤差為0的樣本占比為86.34%，絕對(duì)誤差為±0.5 ℃的樣本占比為13.11%，絕對(duì)誤差為±1 ℃的樣本占比為0.55%，從樣本占比來看，兩種儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差均較小。

2.5? ? 月平均氣溫誤差統(tǒng)計(jì)

對(duì)自動(dòng)氣溫監(jiān)測(cè)儀與人工對(duì)比觀測(cè)月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行誤差及合格率統(tǒng)計(jì)，氣溫?cái)?shù)據(jù)絕對(duì)誤差小于等于±0.5 ℃為合格，統(tǒng)計(jì)對(duì)比觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的合格天數(shù)，計(jì)算月、時(shí)段合格率，如表2所示。

經(jīng)儀器對(duì)比觀測(cè)，月合格率在96.7%～100%，時(shí)段合格率達(dá)到了99.5%，儀器合格率較高。

2.6? ? 特征值誤差統(tǒng)計(jì)

對(duì)自動(dòng)氣溫監(jiān)測(cè)儀與人工對(duì)比觀測(cè)月特征值數(shù)據(jù)及發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，氣溫?cái)?shù)據(jù)絕對(duì)誤差小于等于±0.5 ℃為合格，如表3所示。

從對(duì)比觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析來看，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)無系統(tǒng)偏差，各月特征值誤差也都符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，各月特征值發(fā)生時(shí)間一致。

2.7? ? 系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)誤差由以下公式計(jì)算：

P=∑（Ai-A）

式中：P為系統(tǒng)誤差;Ai為某個(gè)量的觀測(cè)值（采用新儀器或新方法的觀測(cè)值）;A為某個(gè)量的真值（采用傳統(tǒng)儀器或方法的觀測(cè)值）;n為觀測(cè)次數(shù)。

P≤±0.5 ℃則符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3]，經(jīng)計(jì)算得出P=0.03 ℃，符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

3? ? 結(jié)論與建議

緊隨水文現(xiàn)代化的腳步，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的分析研究與應(yīng)用勢(shì)必成為傳統(tǒng)水文新的發(fā)展思路。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出，RS-WS-GPRS-6系列自動(dòng)氣溫儀器可以代替人工觀測(cè)。在批復(fù)正式投入使用之后應(yīng)加強(qiáng)日常檢查維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)于觀測(cè)中存在的問題，查找原因，及時(shí)解決，根據(jù)本站需求設(shè)置好設(shè)備采集量的上限值和下限值，并開啟溫濕度上下限短信告警，溫濕度超限后會(huì)收到短信告警。斷電或供電恢復(fù)應(yīng)設(shè)置短信或振鈴告警，以及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況。在比對(duì)過程中儀器之間的數(shù)據(jù)偏差太大，則需設(shè)置溫濕度偏差值，校準(zhǔn)設(shè)備的溫濕度值。須及時(shí)為SIM卡繳費(fèi)，以保證數(shù)據(jù)可以完整、不間斷地上傳至服務(wù)器，使先進(jìn)儀器發(fā)揮最大的作用，為水文信息現(xiàn)代化提供參考依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心.2020年樂都水文站氣溫對(duì)比報(bào)告[R].西寧：青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，2020.

[2] 降水量觀測(cè)規(guī)范：SL 21—2015[S].

[3] 關(guān)于印發(fā)《青海省水文儀器對(duì)比觀測(cè)分析規(guī)程（試行）》的通知：青水文〔2020〕15號(hào)[A].

收稿日期：2021-08-19

作者簡介：馬桂芳（1991—），女，青海人，工程師，研究方向：水文測(cè)報(bào)。