自動蒸發傳感器故障時段測量值可代替性研究

黨雪妮，冉光輝

林芝市氣象局，西藏林芝 860000

氣象站測定的蒸發量是水面（含結冰時）蒸發量，它是指一定口徑的蒸發器中，在一定時間間隔內因蒸發而失去的水層深度，以毫米（mm）為單位，取1位小數[1]。蒸發量對氣候變化研究、探討水分循環變化規律具有十分重要的意義，蒸發資料的不完整會嚴重影響科研工作的結果。氣象臺站日常觀測工作中，常會出現因自動蒸發傳感器故障導致蒸發量小時或者日蒸發量缺測，影響觀測資料的連續性。按照地面氣象觀測業務技術規定（2016版）當新型自動站蒸發設備故障時，若連續缺測2 h以上,用安裝在蒸發桶內的傳感器數據代替。根據相關研究文獻表明：備份站數據可用性較差，基本不可用[3-5]。利用林芝國家基準氣候站2020年4—7月，每日08:00、14:00、20:00人工（測針讀數）與對應時次的自動超聲波蒸發分鐘水位。將所獲得的兩組數據采用一元線性回歸方法確定其對應關系，可計算缺測時段蒸發量，避免了蒸發傳感器故障造成日蒸發缺測，造成蒸發量缺測，提高觀測資料的準確性和連續性。此方法為使用AG2.0蒸發傳感器的臺站參考使用。

1 工作原理與數據獲取

安裝在E601B型蒸發器內的測針原理采用螺旋測微器。安裝在蒸發桶內北面百葉箱內的自動蒸發傳感器AG2.0根據超聲波測距原理（圖1）[6]。

圖1 林芝國家基準氣候站蒸發觀測儀器

人工觀測日測量值每天20:00進行觀測，即測量時水面高度，當天的測量水面高度記入次日觀測薄。計算蒸發量的公式為：蒸發量=前一日水面高度+降水量（以雨量器觀測值為準）-測量時水面高度。自動蒸發傳感器AG2.0能夠采集蒸發桶內水面的連續變化（1 min），自動計算出1 h（60 min的水位高度，去除1個高水位值，1個低水位值，用加權平均后處理過后的高水位減去低水位），累計20:00至翌日20:00的小時蒸發量即為1 d蒸發量。

2 數據來源與分析方法

儀器性能主要技術參數和指標。a.人工測針測量范圍：0～70 mm；分辨力：0.1 mm；測量的準確度：±0.1 mm，≤5 mm；±2%，＞5 mm。b.自動蒸發傳感器AG2.0最大測量范圍：0～100 mm；分辨力：0.1 mm；最大允許誤差：±0.3 mm（當蒸發量≤10 mm時）；≤±（0.3 mm+1%FS）（當 蒸 發 量＞10 mm時）。a、b 2種儀器性能雖不相同，但均符合《地面氣象觀測規范》要求。利用林芝國家基準氣候站2020年4—8月，每日08:00、14:00、20:00人工（測針讀數）與對應時次的自動超聲波蒸發分鐘水位（來源于地面綜合觀測業務軟件Ver 3.0.2.330的分鐘要素查詢里的當前蒸發水位）。將所獲得的2組數據采用一元線性回歸方法確定其對應關系。

3 結果與分析

3.1 公式來源

利用林芝國家基準氣候站4—7月，08:00、14:00、20:00人工、自動水位讀數樣本數據各100個，建立一元線性回歸方程：

其中，x為自動超聲波蒸發分鐘水位，y為公式計算出相對應的測針讀數；式（1）、（2）、（3）分別08:00、14:00、20:00一元線性回歸方程；式（4）為08:00、14:00、20:00人工、自動樣本各300個數據建立的總方程。

3.2 回歸方程驗證

利用一元性線回歸方程，分時次、分段落驗證林芝國家基準氣候站7月1—10日數據，結果見表1～表3，用一元線性回歸方程計算結果與人工讀數結果相比較：絕對值最大誤差為0.3 mm，最小誤差為0.0 mm，符合《地面氣象觀測規范》要求。表明該方法所建立方程可用。

表1 林芝站7月1—10日08:00驗證表 mm

表3 林芝站7月1—10日20:00驗證表 mm

3.3 絕對誤差、相對誤差及t檢驗

使用公式y= 0.9662x-40.723對林芝國家基準氣候站2019年4－9月份人工日蒸發量和該月的自動蒸發量進行絕對誤差和相對誤差及t檢驗。

3.3.1 2種方法計算月蒸發量結果比較以自動蒸發傳感器AG2.0測量值為標準值，自動觀測水位與人工讀數對應所求公式計算出的月蒸發量合計值比較見表4。經比較分析得出4—9月絕對偏差和相對偏差都十分小，7月和8月差較大原因是降水頻繁且量大維護不當造成。

表2 林芝站7月1—10日14:00驗證表 mm

表4 公式計算得出的日蒸發量（20:00至翌日20:00）與自動蒸發傳感器AG2.0測量值比較

3.3.2 顯著性檢驗采用t檢驗，顯著水平0.01，用本站近20年月蒸發量對2019年4—9月用公式計算求得月蒸發量進行t檢驗，結果見表5。

表5 t檢驗（顯著水平0.01的標準值為2.58）

由表5可以看出。利用自動蒸發水位和人工測針讀數確定的公式計算出的日蒸發量，可與自動觀測日蒸發量可以合并使用。

具體方法：計算所得的日蒸發量與自動日蒸發量的差值（百分比），用1減去差值，確定合并使用獲取蒸發量的換算系數，用計算所得蒸發量乘以換算系數[6]。

4 結論與建議

（1）用自動蒸發水位和人工讀數所確定的方程，計算所得的日蒸發量絕對偏差和相對偏差都非十分小。

（2）顯著性t檢驗結果表明：利用自動蒸發水位和人工測針讀數確定的公式計算出的日蒸發量，可與自動觀測日蒸發量可以合并使用。

（3）當自動蒸發傳感器故障或維護不當時，可利用自動蒸發水位和人工讀數對應的關系，計算缺測蒸發量。

（4）日常工作中嚴格按照《地面氣象觀測規范》進行蒸發器維護。

（5）該方法適用于AG2.0自動蒸發傳感器所使用的臺站。樣本數據越多所得公式越精準。