自動觀測蒸發量實時數據質控技術

吳興洋，陳怡璇，魯 霞，支亞京

(貴州省氣象信息中心，貴陽550002)

0 引言

蒸發是地表熱量平衡和水分平衡的組成部分，在全球水分循環與能量循環中，陸面蒸發占陸面降水的2/3[1，2]。蒸發量資料被廣泛應用于水利工程設計、干旱監測評估、農林牧業氣象服務、生態環境變化等科學研究中[3，4]。一個地區一定時間范圍內的蒸發量是氣象學、地理學、土壤學、水利水文學等科研人員應用的重要數據。影響蒸發量的因素較多，精確計算困難，國內外科研工作者研究了一些估算方法，但估算出的蒸發量與實際蒸發量存在差異，因此，獲取蒸發量的根本途徑應是直接觀測[5-7]。

2020年全國地面氣象觀測實現了自動化，包括氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、降水、能見度、地溫、大型蒸發、日照、輻射和降水類天氣現象等19項氣象要素[8]，上述氣象要素數據實現了實時采集、實時質量控制、實時傳輸，經過臺站、省級、國家級資料業務部門控制后推送給天氣預報、災害預警和氣候預測等業務科研人員應用。臺站觀測數據質量控制由設備端軟件實時自動完成，并將質控后觀測數據實時上傳至省級，省級利用氣象資料業務系統(MDOS)開展數據多級質量控制[9-11]，將實時質控后的觀測數據上傳至國家級。中國自2003年啟用氣象自動觀測以來，很多從事氣象資料工作的業務工作者已經對氣壓、氣溫、相對濕度、降水、風和土壤水分濕度等氣象要素人工與自動觀測數據進行了對比分析，分析了其差異及產生原因[12-22]。為了提高自動氣象站實時氣溫、降水等觀測數據質量和可用性，一些專家研制了相關質控方法和處理系統[23-29]。楊志彪[30]等評估了更換氣溫、相對濕度傳感器對觀測資料整體質量的影響。沈艷、任芝花等應用2005年全國130個臺站蒸發量自動與人工觀測的平行觀測月數據，進行了自動與人工觀測蒸發量的對比分析，但這些分析數據都是省級質量控制后的數據，并非自動蒸發量觀測實時數據。杜麗英[31]等討論了MDOS系統質控過程中發現的蒸發自動觀測異常記錄，但未對較長時期自動觀測實測蒸發量資料的質量情況進行全面評估，對自動蒸發量觀測數據異常質控的相關研究較少。文章應用2019年貴州50個國家氣象觀測站自動蒸發觀測實時小時、日數據，對數據質量進行評估，發現了自動蒸發觀測出現異常數據的主要原因和影響因素，提出質控方案，供質量控制人員參考，期望自動觀測蒸發量有統一的質控標準，提高自動觀測蒸發量數據的可用性和實用性。

1 自動蒸發觀測原理

氣象站測定的蒸發量是水面蒸發量，現用測量蒸發的自動觀測儀器是超聲波蒸發傳感器。超聲波蒸發傳感器是基于連通器和超聲波測距的原理，選用高精度超聲波探頭，根據超聲波脈沖發射和返回的時間差測量水面水位變化，并轉換成電信號輸出，計算某一時段的水位變化得到該時段的蒸發量。超聲波蒸發傳感器由E-601B型蒸發桶、超聲波傳感器、水圈、百葉箱、測量筒、連通管和溢流桶等部件組成。為了減少降雨時蒸發桶內的水濺出，使蒸發量偏大，增加了水圈，但降雨時水圈內的水濺入到蒸發桶內，連通器可減少風對蒸發桶內水面高度的影響，減少測量誤差[32]。

自動蒸發觀測是在觀測分鐘蒸發量基礎上，計算小時蒸發量、日蒸發量，以毫米(mm)為單位，保留1位小數。蒸發傳感器測量范圍0～100 mm，分辨力0.1 mm，測量準確度±1.5%，采樣頻率10次/min，因降雨等其他原因導致小時和日蒸發量為負值時，按0.0 mm處理[33]，結冰時停止觀測。每分鐘蒸發量采用該分鐘內正確采樣值算術平均求得。

(1)

2 自動蒸發觀測資料誤差

2.1 蒸發量實測數據錯誤實例

貴州省氣象資料質控人員應用氣象資料質控軟件對月歸檔數據文件進行質量控制時，發現日蒸發量數據偏大的疑誤提示較多，提示雨中和雨后小時蒸發量數據異常偏大，小時蒸發量明顯與實況天氣不符。如表1中織金氣象站2019-07-13降雨量8.2 mm，日平均氣溫19.7 ℃，日平均相對濕度89%，平均風速0.3 m/s，計算可能蒸發量0.7 mm，實測蒸發量14.0 mm，其中降雨時段蒸發量累計11.3 mm，計算值與實測值相差很大。雨后天氣，實測蒸發量與計算蒸發量出現較大誤差的情況較多，2020-06-25，修文站日可能蒸發量計算值2.0 mm，實測蒸發量27.0 mm，相差很大。表2是當日修文站各小時要素實測數據及質控前后小時蒸發量數據。

表1 織金氣象站2019-07-13小時蒸發量、降雨量

1)La：實測蒸發量mm；2)R：降水量mm。

表2 修文氣象站2020-06-25小時蒸發量、降雨量、相對濕度、風速實測值及蒸發量質控值

1)La：實測蒸發量mm；2)R：降水量mm；3)T：氣溫℃；4)U：相對濕度%；5)V：風速(m/s)；6)LA：質控蒸發量mm。

2.2 蒸發量誤差

應用貴州省50個國家氣象觀測站2019年臺站實時傳輸的自動蒸發觀測小時、日數據和經過人工質控后的自動蒸發觀測小時、日數據對比評估(人工質控主要是對降水時段小時蒸發量按0.0 mm計入日蒸發量)，基于上述兩組數據評估1個臺站年、月蒸發量的絕對、相對誤差。相對誤差采用公式(2)計算，式中Z0為臺站自動蒸發觀測實時小時數據累計的月、年蒸發量，Z1為經過人工質控后的自動蒸發觀測小時數據累計的月、年蒸發量。

(2)

式中，Zd表示相對誤差；Z0表示臺站自動蒸發觀測實時小時數據累計的月、年蒸發量；Z1表示經過質控后的自動蒸發觀測小時數據累計的月、年蒸發量。

2.2.1 年蒸發量相對誤差

蒸發量受多種氣象要素影響，基于蒸發量的月值和年值進行評估。貴州共有84個國家地面氣象觀測站，根據評估數據的完整性和一致性原則，只有50個觀測站觀測數據符合評估要求，其余34個站有大、小型蒸發分月觀測和數據缺測現象，不參與評估。參與評估的50個觀測站2019年年蒸發量實時數據平均值833.5 mm，標準差96.4 mm；質控后平均值808.9 mm，標準差84.3 mm，50個觀測站中年蒸發量最大相對誤差33%，其絕對誤差282.6 mm。其中有17個站年蒸發量相對誤差在3%以上，占比超三分之一，50個觀測站中有29個站年蒸發量最大相對誤差達2%以上。50個評估站年蒸發量質控前后的平均絕對誤差24.6 mm，相對誤差3%。

2.2.2 月蒸發量相對誤差

用于年蒸發量評估數據來自臺站蒸發量觀測實時和質控后的小時、日數據，有必要分析自動蒸發觀測數據質控前后相對誤差的月分布情況。經統計，評估站質控前后逐月蒸發量平均相對誤差最大值出現在7月，相對誤差9%，最小值出現在4月，相對誤差0.0%，相對誤差較大的月份包括1，6，7，9，10，11，12月，相對誤差達到3%以上，2，3，4，5，8月相對誤差不足2%。

3 誤差產生原因與質控

3.1 短時蒸發量計算

蒸發是水汽分子從水面、冰面或其他含水物質表面逸出的過程，當蒸發面與其環境中的水汽分子交換趨于一致時，系統內的水量和水汽分子含量都不再改變，可以認為分子交換過程停止，或蒸發過程停止，基于這一理論基礎，地面氣象觀測規范將降水過程中(可看作是蒸發面與環境水汽趨于飽和狀態)的蒸發量按0.0 mm計算。道爾頓通過實驗提出了反映蒸發面的蒸發速率與影響蒸發諸因素的關系式：

(3)

式中，W為水面蒸發速率；(E-e)為空氣的飽和差，其中E為水面溫度下的飽和水汽壓，e為水面上空氣的實際水汽壓；P為氣壓；C為分子擴散系數，C不便于測定，氣象上常用道爾頓經驗公式(4)計算日蒸發量[34]，現有業務質量控制軟件通過對比觀測值與可能蒸發量公式(5)計算誤差提示疑誤信息，人工要對提示疑誤信息的日蒸發觀測值根據實時天氣狀況進行質控修正。

W=0.187(E0-E150)×(1+0.392V)

(4)

或

W=0.195(Es-E150)×(1+0.41V)

(5)

式中，W為日水面蒸發量；(E0-E150)為日平均飽和水汽壓力差；Es為平均地面溫度與平均氣溫兩者平均溫度下的飽和水汽壓；E150為日平均水汽壓；V為10 min日平均風速(m/s)。

3.2 影響日蒸發量的主要因素及質控

根據計算短時水面蒸發量的道爾頓經驗公式(4)可知，日水面蒸發量主要決定于日平均飽和水汽壓差和日平均風速。飽和水汽壓取決于氣溫，水汽壓取決于氣溫和相對濕度。由表2、表3可知，雨中、雨后實測蒸發量與計算蒸發量差異較大，尤其是陣性降水、持續性較強降水期間和其后一段時間內，實時蒸發量出現明顯異常。其原因是陣性降水較大雨滴產生蒸發桶水面浪涌、持續性較強降水導致蒸發桶水滿未及時取水換水，蒸發桶內水有雜質和逐漸溢出，引起實時蒸發量數據異常偏大。

用道爾頓公式(4)計算，氣溫在1.0～40.0 ℃變化，相對濕度變化區間93%～99%，飽和水汽壓差的變化0.01～0.98，平均風速1.0～5.0 m/s時，蒸發量計算值0.003～0.54 mm。相對濕度傳感器具有不確定性，并且在高濕條件下測得的相對濕度偏干[35](相對濕度小于實際值3%～8%)，因此，雨中及雨后，實測相對濕度大于92%，可以認為空氣中水汽基本處于飽和狀態，如果平均風速較小，小時蒸發量按0.0 mm計入日蒸發量統計是合理的。

氣溫較高、風速3 m/s以上的無雨天氣，用道爾頓公式(4)計算的蒸發量小于實測蒸發量較多，應以實測蒸發量為準。

4 結束語

隨著2020年地面氣象觀測實現自動化，日蒸發量觀測取消了每日20：00人工觀測，日蒸發量采用自動蒸發觀測小時數據合計值，通過對貴州2019年50個自動氣象站自動蒸發量實時數據統計分析，得出如下結論：

1)陣性降水引起蒸發桶水面浪涌，持續性較強降水引起蒸發桶水滿未及時取水換水，導致自動蒸發觀測實測蒸發量異常偏大，參與統計評估的50個臺站，年平均絕對值偏大24.6 mm，年平均相對誤差偏大3%，年最大相對誤差達到33%；

2)氣溫較高、風速3 m/s以上的無雨天氣，計算蒸發量小于實測蒸發量較多，應以實測蒸發量為準；

3)對于雨中及雨后相對濕度大于92%的時段，自動蒸發觀測實測小時蒸發量應按0.0 mm處理。因其他不明原因引起的實測蒸發量異常數據，應用相關氣象要素和道爾頓經驗公式(3.3)計算的可能蒸發量代替。