基于TEZ-23 遙測技術的頭道溝自動氣象站蒸發(fā)研究

裴晶晶

(哈密水文勘測局,新疆 哈密 839000)

0 引言

氣溫是氣象學中最基本、最普遍的氣象要素之一,氣溫變化對人類、動物和植物的生活和生存都有深刻的影響,因此對氣溫進行監(jiān)測和預測具有非常重要的意義。當前氣溫監(jiān)測主要手段為自動氣象站監(jiān)測和人工觀測。其中,自動氣象站是一種自動采集氣象要素數(shù)據(jù)的儀器,通常使用傳感器和電子設備來測量溫度、濕度、氣壓、風速和風向等氣象要素。自動氣象站不需要人工干預即可進行測量,并可以將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒霘庀缶只蚱渌麣庀髾C構,其優(yōu)點是能夠連續(xù)不間斷地測量氣象要素,并且可以在很短的時間內提供數(shù)據(jù)[1-3]。相比之下,人工氣象站是由人工操作的,通常由氣象專業(yè)人員使用標準設備測量氣象要素,這些人員通常會在固定的時間間隔內進行觀測,并將測量結果記錄在手動記錄表格或電腦中。人工氣象站的意義在于提供高質量的氣象數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以用于校準自動氣象站的測量結果,因此對比、分析、探討自動氣象站與人工站氣象要素具有重要價值,以確保歷史資料的均一性[4-5]。

當前國內學者對自動氣象站與人工站氣象要素對比進行了相關研究。楊勇[6]對五臺山中臺新建自動氣象站觀測資料和歷史人工觀測資料的降水、氣溫、相對濕度、風速、氣壓氣象要素的分析,研究了降水量、氣溫和相對濕度等差異變化;樊萬珍等[7]在人工與自動觀測資料對比差值分析的基礎上,建立人工與自動觀測要素間的回歸方程,對年序列差異顯著的要素進行回歸訂正和效果對比分析;張琳依等[8]對新津縣氣象站提供的2006年多要素氣象觀測資料進行觀察分析,對相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,主要包括不同月份及不同時間的氣壓及氣溫情況,分析其人工觀測方法與自動觀測方法所存在的不同差異;鐘超[9]針對氣溫、降水量等氣象因素自動站和人工站觀測結果差異及其原因進行了分析;孟慶勇等[10]比較新型日照觀測儀器和暗筒式日照計所獲取資料的差值,給出人工觀測資料的換算系數(shù)概念,并進一步分析不同差值的形成原因和規(guī)律。

本文以伊吾水文站為例,以TEZ-23遙測技術為自動監(jiān)測手段,選取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自動站觀測和人工觀測的氣溫,通過對自動站和人工站觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比及相關分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因,并給出了氣象要素間的回歸方程,研究成果可為相關工程提供參考。

1 測站概況

伊吾水文站于2011年1月設立,領導機關為新疆維吾爾自治區(qū)水文局,位于新疆維吾爾自治區(qū)伊吾縣吐葫蘆鄉(xiāng)拜其爾村,地理坐標為東經(jīng)94°45′,北緯43°16′,是內陸河湖流域哈密、吐魯番地區(qū)諸河水系伊吾河上的控制站,流入峽溝水庫。該站是省級重要水文站,測驗方式為駐巡測。伊吾水文站觀測項目主要有水位、流量、普通測量、降水量、氣溫、水質等。測驗斷面位于站房17 km其中8 km為沙石土路,河段順直長度約為150 m,河漫灘發(fā)育,階地不明顯,兩岸為柳樹林和紅柳灌木叢。高水期有逆流、回水、死水等現(xiàn)象,低水期有岔流、串溝、死水等現(xiàn)象。該站多年年平均徑流量0.841億 m3、最大年徑流1.1858 m3(2018年)、實測最大流量241 m3/s(2018年7月31日)。根據(jù)2014-2019年觀測資料反映,多年平均氣溫為 5.0℃,夏季極端最高氣溫為 33℃,冬季極端最低氣溫為-24.9℃。場內設有百葉箱、雨量器、20 cm口徑蒸發(fā)器、自動氣象站(氣象六要素包括氣溫、降水、蒸發(fā)),全年兩種蒸發(fā)器同時進行觀測。觀測場四周為1.0 m高的圍欄,場內觀測道寬0.5 m,地表植物高度低于0.2 m。兩種蒸發(fā)器設置于氣象場內,各蒸發(fā)器的設置符合規(guī)范要求。

2 TEZ-23遙測技術

TEZ-23遙測技術是一種基于無線通信技術和微處理器控制技術的遙測系統(tǒng),由遙測終端、通訊網(wǎng)絡和監(jiān)控中心三部分組成。遙測終端是指在被監(jiān)測對象附近安裝的傳感器、控制器和數(shù)據(jù)采集器等設備,負責采集和傳輸被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù);通訊網(wǎng)絡是指將遙測終端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的無線通訊網(wǎng)絡,通常采用GSM/GPRS或者CDMA等通信技術;監(jiān)控中心則是指接收、處理和分析來自遙測終端的數(shù)據(jù),實現(xiàn)對被監(jiān)測對象的遠程監(jiān)控和控制。

TEZ-23遙測技術具有以下優(yōu)點:實時性強:遙測終端可以實時采集被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù),并通過無線通信技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,實現(xiàn)對被監(jiān)測對象的實時監(jiān)控。精度高:遙測終端采用了高精度的傳感器和控制器,可以對被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)進行高精度的采集和控制。范圍廣:TEZ-23遙測技術可以監(jiān)測和控制各種類型的被監(jiān)測對象,包括水文、氣象、環(huán)境、能源、安防等領域。維護成本低:由于TEZ-23遙測技術采用了無線通信技術,可以避免傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)的布線和維護成本。因此,TEZ-23遙測技術在農業(yè)、水利、環(huán)保、能源、安防等領域得到了廣泛的應用。圖1為TEZ-23系列全自動水面遙測蒸發(fā)站。

圖1 TEZ-23系列全自動水面遙測蒸發(fā)站

3 氣溫相關性及誤差分析

本站采用TEZ-23設備感知自然界氣溫,同時將其轉換為模擬信號、開關信息量輸出,以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示的需要,進行時時觀測,每隔5 min進行數(shù)據(jù)處理并傳輸。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的要求,選取伊吾水文站 2022年6月、7月、8月自動站觀測和人工觀測的氣溫,通過對自動站和人工站觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比及相關分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因。表1給出了部分伊吾站自動與人工氣溫觀測資料統(tǒng)計。

表1 伊吾站自動與人工氣溫觀測資料統(tǒng)計

3.1 相關性分析

根據(jù)表1 伊吾站自動與人工氣溫觀測資料統(tǒng)計分別繪制6月、7月、8月8時、14時、20時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫相關圖。6月5日26日27日因數(shù)據(jù)傳輸有誤刪除。通過圖2～圖6可以看出,8時、14時、20時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫相關系分別為y=1.022x-1.486(R2= 0.940)、y=0.961x+0.185(R2=0.977)、y=0.902x+1.464(R2=0.957)、y=0.893x+1.943(R2=0.938)、y=0.949x-1.320(R2=0.968),人工觀測與自動觀測的相關點在圖上分布密集,呈直線趨勢,兩者的相關系數(shù)很高,說明兩種觀測方式取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在明確的線性關系,斜率接近1,且相關關系顯著。這種趨勢可以說明人工觀測與自動觀測之間的數(shù)據(jù)存在較高的一致性和可比性,兩種觀測方式的數(shù)據(jù)在某些方面具有相似的趨勢和特征,可以相互印證和驗證。同時,由于兩種觀測方式的數(shù)據(jù)具有明顯的線性關系,可以使用一種觀測方式的數(shù)據(jù)來預測或估算另一種觀測方式的數(shù)據(jù),從而更好地理解和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。在某些情況下,如果自動觀測設備不能正常運行,人工觀測數(shù)據(jù)可以作為替代數(shù)據(jù)使用,以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準確性。值得一提的是,如果人工觀測數(shù)據(jù)和自動觀測數(shù)據(jù)存在較大差異,需要進一步分析原因并進行校準,以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

圖2 伊吾站8時自動與人工氣溫相關圖

圖4 伊吾站20時自動與人工氣溫相關圖

圖6 伊吾站自動與人工最低氣溫相關圖

3.2 誤差分析

分別點繪6月、7月、8月8時、14時、20時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫的偏差圖見圖7～圖9。產(chǎn)生差異的主要原因有:自動站采用鉑電阻作為溫度傳感器,其輸出電量隨溫度變化而變化,而溫度表則靠液體熱脹冷縮來指示溫度變化。另外,鉑電阻的感應時間常數(shù)比溫度表更小,對溫度變化更為靈敏; 人工站的觀測時間是在正點前10 min對各氣象要素逐項進行觀測,而自動站則是在正點瞬時完成各要素的觀測。兩種觀測體制的時間上存在明顯差異,人工觀測距正點的時間相差約5分鐘;自動站的每個數(shù)據(jù)都是通過多個樣本值求平均得到,而人工站只是在觀測時讀取一次儀器值。這使得自動站數(shù)據(jù)更接近真實狀況,排除了人工站儀器慣性的影響; 人工觀測需要打開百頁箱,會產(chǎn)生空氣對流對溫度記錄產(chǎn)生影響,而自動站觀測不存在此情況;自動站能連續(xù) 24 h對氣象要素進行觀測,雖然人工站也有部分要素的自記儀器,但各時次的數(shù)據(jù)都要通過人工訂正,且自記值的示值也較粗略,資料的代表性不如自動站。人工站觀測數(shù)據(jù)存在氣象觀測員的讀數(shù)視差。最后,由圖6～圖8以及樣本數(shù)據(jù)得出,自記氣溫與人工偏差較小,最大為±3.8°,最小為±0.0°系統(tǒng)偏差為0.82～1.13之間,標準差在0.6～0.9之間。

圖7 6月自動與人工觀測氣溫的偏差圖

圖8 7月自動與人工觀測氣溫的偏差圖

圖9 8月自動與人工觀測氣溫的偏差圖

4 結語

本文以伊吾水文站為例,以TEZ-23遙測技術為自動監(jiān)測手段,選取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自動站觀測和人工觀測的氣溫,通過對自動站和人工站觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比及相關分析,探討兩者差值的特征,分析形成差異的原因,并給出了氣象要素間的回歸方程。研究結果表明,自動站與人工觀測值相關度很高,最高可達0.977,最低為0.938,可以認伊吾站人工氣溫和電子氣溫的系數(shù)為0.96,兩者相關可以達到0.96,接近于1。這一結果說明,自動站測量數(shù)據(jù)理論精度較高,同時能實現(xiàn)自動站的可靠測量,滿足相應規(guī)范的技術要求,所以伊吾站自動站觀測的氣溫完全可代替人工觀測值,并應用于伊吾站氣溫觀測及資料整編。