常德地区土壤水分自动站数据质量控制的阈值确定

张喜英， 罗 敏， 李德华

(常德市气象局，湖南常德 415000)

常德地区土壤水分自动站数据质量控制的阈值确定

张喜英， 罗 敏*， 李德华

(常德市气象局，湖南常德 415000)

统计分析常德地区9个土壤水分自动站关于土壤体积含水量、土壤相对湿度、土壤重量含水率、土壤有效水分贮存量逐小时资料，得到各层土壤水分分布特征。根据9个站点地理环境以及四要素分布、变化特点，针对作物地段和固定地段两种不同自动站，分汛期和非汛期两时段得到适合当地条件的各层土壤水分阈值和质量控制方案。通过质量评估结果的分析，发现有必要分别对固定地段和作物地段站点进行质量控制。土壤水分自动站小时资料的质量控制方案具有很好的适用性。各个要素各层在汛期和非汛期时段可用率很高，均超过95%。

土壤水分自动站;质量控制;阈值

常德市于2010年11月建设完成9个土壤水分自动观测站，投入业务化应用，并且获取土壤水分数据。9个自动站包含2个作物地段土壤水分站和7个固定地段土壤水分站，实现每小时上传数据，分 20层。常德市土壤水分自动站分布较多，观测得到大量的土壤水分资料。为了能有效利用土壤水分资料和实现土壤水分质量自动化监控、数据异常分析，需要对土壤水分资料进行统计分析，确定其阈值。土壤水分制约着土壤养分的溶解、转移和吸收，是植物耗水的主要来源，也是联系地表水和地下水的纽带，具有重要的物理意义，对农业生产具有重要的实际意义[1]。土壤水分资料对掌握土壤水分变化规律、气象防灾减灾都具有重要意义[2]。随着土壤水分自动站的普及以及业务工作对土壤水分资料要求的提高，自动站土壤水分数据的准确性显得格外重要。笔者将对常德作物地段和固定地段土壤水分自动站数据进行分析，统计得到自动观测站水分数据的阈值，以便规范土壤水分数据，得到正确、合理的土壤水分数据。

1 材料与方法

土壤水分物理量包括土壤体积含水量、土壤相对湿度、土壤重量含水率、土壤有效水分贮存量，主要采用变量8个层次逐小时数据。8层分为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm。时段为2010年11月～2014年6月。该资料严格按照规范操作而取得的土壤湿度数据。

常德市土壤水分自动站点分布如图1所示。9个站点分别为石门站(57562)、临澧站(57566)、澧县固定地段(57565)、澧县作物地段(P2155)、安乡站(57577)、汉寿站(57663)、常德鼎城区固定地段(57662)、常德鼎城区作物地段(P2154)、桃源站(57661)。由图可知，自动站海拔高度均处于第一阶梯中，差别不大，且各站点间距最小为30 km左右。根据各站点的地理环境以及地下水位、土壤质地等因素，将澧县固定地段和作物地段2个站阈值应用于全市其余7个土壤水分站，实现土壤水分质量自动化检测和数据质量控制。自动站分布于澧水流域和沅水流域，地下水位普遍较高，50 cm以下土层土壤水分含量变化小，因此50～100 cm均考虑使用50 cm 阈值。据统计，常德市汛期和非汛期土壤水分差异较明显，故分汛期(3～9月)和非汛期(10月～次年2月)2个时段研究土壤水分阈值。

图1 常德地区土壤水分自动站分布

2 结果与分析

2.1 各层土壤水分数据变化趋势分析采用澧县固定和作物地段作为代表个例，分析土壤水分数据的变化。由图1可知，澧县(57565/P2155)处在常德市北部，相比于常德鼎城区站点，澧县纬度较高，处于澧水流域平原，气候背景、地貌、海拔和地下水水位等因素基本能代表常德各站的情况，故着重分析澧县固定和作物地段土壤水分信息。

由图2可知，固定地段各层数据较接近，波动变化，一、二层变化幅度大，中低层土壤湿度变化较平缓。在降水较少的两个时段(8～9月、9～10月)内，土壤湿度的降至极小值，各层土壤湿度以不同的速度流失水分，表层土壤湿度的下降速度快。作物地段相对于固定地段，第一层湿度小，其他各层湿度均大于固定地段，尤其在降水较多时段作物能吸收更多的水，保水能力更强，在干旱时段，土壤表层更易失去水分，深层土壤变化幅度小，深层土壤保水能力强。由此可知固定地段和作物地段土壤水分数据的异同。由于作物地段资料包含作物对土壤湿度的影响，与实际情况也更接近，因此需将二者分别进行质量控制，确定不同的阈值范围。

2.2 统计分析土壤水分阈值土壤水分物理量中的土壤体积含水量(Q)、土壤重量含水率(W)、土壤相对湿度(R)、土壤有效水分储存量(U)之间可相互影响，相互转化。通过先求得Q的阈值，再根据关系式求得其他3个要素的阈值，关系式如下：

W=Q/P

(1)

R=W/F×100%=Q/(P×F)×100%

(2)

U=P×H×(W-K)×10=P×H×(Q/P-K)×10

(3)

式中，P为土壤容重；F为田间持水量；K为凋萎湿度均为土壤参数；H为固定值10 cm。常用的各层土壤参数见表1。

表1 澧县(固定地段/作物地段)土壤水分自动站各层土壤湿度参数

文中将常德澧县固定(57565)和作物地段(P2155)土壤阈值应用于全市土壤水分资料质量控制。在质量控制过程中，0～50 cm土层土壤水分变化较明显，应分层计算其阈值，但常德市地下水较高，50 cm以下土层水分含量变化较小，故均采用50 cm土壤层的阈值代替。经统计分析，得到澧县汛期、非汛期各层土壤水分阈值(表2、表3)。

注：a1,b1,c1,d1为57565固定地段数据，a2,b2,c2,d2为57565作物地段数据；土壤体积含水量、相对湿度、重量含水率、土壤有效水分存储量的单位分别×10-3 g/cm3、%、%、mm。红色0～10 cm，绿色10～20 cm，深蓝色20～30 cm，灰蓝色30～40 cm，紫红色40～50 cm。图2 土壤水分各变量五层数据随时间的变化情况

表2 澧县固定地段非汛期、汛期各层土壤水分阈值 g/cm3

表3 澧县作物地段非汛期、汛期各层土壤水分阈值 g/cm3

2.3 阈值适用性的检验分别用澧县固定地段、作物地段土壤体积含水量汛期、非汛期界定阈值对常德鼎城区站点土壤水分资料进行质量控制，通过质量控制得出各层数据的正常率、可疑率、错误率，发现正常率、可疑率之和特别高，而错误几乎为0。

表4 检验阈值在鼎城区固定地段非汛期、汛期的适应性

表5 检验阈值在鼎城区固定地段非汛期、汛期的适应性

由表4可知，该阈值在固定地段汛期和非汛期的第一层、第二层的正常率达到100%，第三层的正常率值相对有所减小，错误为0，第四层、第五层正常率和可疑率之和几乎为100%。由表5可知，作物地段0～30 cm的正常率很高，可疑率较低，错误率低于1%；40～50 cm土壤层正确率和可疑率之和依然占95%以上，错误率相当低。所以，该阈值适用，可用来对该站点自动土壤水分资料进行质量订正。

3 总结

对土壤水分自动站资料进行质量控制，得知土壤0～50 cm土层水分变化较大。由于地下水位较高，50 cm以下土层水分变化较小。0～50 cm土层分层计算阈值，其余各层均采用50 cm阈值进行质量订正。对该质量控制方案进行统计检验，检验得出的错误值相当低，几乎为0，正常率很高，故该阈值能满足土壤水分自动站资料的质量订正。

[1] 张志富.自动站土壤水分资料质量控制方案的研制[J].干旱区地理,2013(1):101-108.

[2] 黄飞龙,何艳丽,陈武框.FDR土壤水分自动站三级标定的方法[J].广东气象,2011(6):60-63.

[3] 胡伟,熊凌云,熊雄,等.自动土壤水分数据质量控制中的阈值确定[J].气象水文海洋仪器,2012(3):14-16.

[4] 孙娟,胡平.上海自动气象站实时质量控制系统研究[J].气象水文海洋仪器,2009(4):38-41.

[5] 鞠晓慧,任芝花,张强.自动站小时气压的质量控制方法研究[J].安徽农业科学,2010(27):15130-15133.

The Threshold Determination for Data Quality Control of Soil Moisture Automatic Stations in Changde Area

ZHANG Xi-ying, LUO Min*， LI De-hua

(Changde Meteorological Bureau, Changde, Hunan 415000)

By analyzing nine soil moisture automatic stations of Changde about the volume of soil moisture, soil humidity, soil moisture by weight, available soil moisture storage capacity of hourly data, the distribution characteristics of each layer soil moisture were obtained. According to the site geography, the distribution of elements, changes in the characteristics of the crop site and fixed site for two different automatic stations, during flood and non-flood periods, to give water thresholds and quality control programs layers of soil suited to local conditions. It was found that soil moisture quality control scheme has good applicability, the various elements of the layers in the flood season and non-flood periods available rate is high, more than 95%.

Soil moisture automatic stations; Quality control; Threshold

张喜英(1981- )，女，湖南常德人，工程师，从事地面气象测报业务工作。*通讯作者，助理工程师，硕士，从事短期天气预报工作。

2015-08-14

S 152.7

A

0517-6611(2015)28-109-03