GStar-I型自动土壤水分仪误差原因分析

2015-06-09许伟峰尹贞钤张丽娟马耀绒

陕西气象 2015年4期

关键词：介电常数土壤水分标定

许伟峰,尹贞钤,张丽娟,马耀绒

(渭南市气象局,陕西渭南 714000)

GStar-I型自动土壤水分仪误差原因分析

许伟峰,尹贞钤,张丽娟,马耀绒

(渭南市气象局,陕西渭南 714000)

为提高GStar-I型自动土壤水分观测仪数据质量,利用2012—2013年渭南市8个气象站土壤水分观测固定段自动与人工观测数据进行对比分析,并从标定区间及方法、土壤冻结、仪器跳变、观测环境、人工取土等6个方面分析误差原因,得出提高数据质量的方法与建议。

GStar-I型自动土壤水分仪；误差原因；建议

GStar-I型自动土壤水分观测仪是利用频域反射法原理测定土壤体积含水率的自动化测量仪器,可以方便、快速地在同一地点进行不同层次土壤水分观测。目前,渭南市投入业务化运行的GStar-I自动土壤水分仪13套,利用2012—2013年全市8个气象站土壤水分观测固定段自动与人工观测数据进行对比分析,发现两者误差较大,自动土壤水分观测数据存在部分数据失真的现象,不能满足干旱监测需求。因此,分析研究自动土壤水分数据误差原因,找出解决方法,以获取具有代表性、准确性和可比较性的土壤水分连续观测资料,为干旱监测、农业气象服务提供高质量的土壤水分监测数据。

1 误差原因分析

1.1 标定区间误差

自动土壤水分仪采集器标定由台站和厂家共同完成。《自动土壤水分观测规范 (试行)》规定[1],自动土壤水分仪传感器在进行田间标定时,以仪器观测的10cm土壤体积含水率(Q)变化为判断标准,在Q＜10%、10%≤Q＜15%、15%≤ Q＜20%、20%≤Q＜25%、25%≤Q＜30%、30%≤Q＜35%和Q＞35%等7个不同区间进行相应的人工对比观测,原则上每一个土壤体积含水率等级样本数不少于4个,总样本数不少于30个。但在实际对比观测中,由于受到业务管理部门规格的对比观测时段的限制,对比观测未跨越干湿两季,样本分布集中,部分区间未涉及或样本数少于4个,未满足标定要求,造成标定后数据在此区间误差较大,部分失真。如蒲城站2009年12月—2010年7月标定时段对比观测期间,自动土壤体积含水率2.5%～21.7%,数据集中在4%～20%,包含4个土壤体积含水率区间(表1), 20%～25%区间样本数2个,25%以上无对比样本。

表1 蒲城站2009年12月—2010年7月标定时段对比观测样本区间分布

1.2 标定方法误差

自动土壤水分仪采集器由厂家采用D值标定法 (即平移法)进行数据标定。D值法是建立在相同土壤性质具有相同标定曲线的基础上,人工数据与自动数据误差在不同土壤含水率区间均匀分布,标定效果较好,误差分布不均标定效果较差。如蒲城站2013年3月8日—9月18日(土壤水分逢8观测,共20组数据)、白水站2013年3月8日—8月8日(共16组数据)0～10cm人工和自动土壤体积含水率曲线趋势一致(图1、图2),蒲城站差值均匀,白水站差值分布不均。依据文献 [2]中干旱指数划分标准(轻旱、中旱、重旱三个等级土壤相对湿度各相差10%),将D值标定后自动站土壤相对湿度与人工观测的误差≤10%作为达到标定效果的判定标准,蒲城站标定后误差≤10%的数据占75%,标定效果良好；白水站标定后误差≤10%的数据占25%,标定效果较差。

图1 蒲城站2013-03-08—09-18人工、自动观测及D值标定的体积含水率序列

图2 白水站2013-03-08—08-18人工、自动观测及D值标定的体积含水率序列

1.3 土壤冻结误差

基于FDR频域反射原理的土壤水分传感器利用LC振荡电路产生的高频电磁波,在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的相对介电常数,进而通过一定的对应关系反演土壤水分[3],由于水的介电常数远大于冰的介电常数[4](水的介电常数为81,冰为3.2),根据土壤介电常数Dobson半经验模型[5],土壤介电常数的公式为

式中,εs为土壤中固态物质介电常数,ε′fw为自由水介电常数实部,ρb为土壤体积质量,ρs为土壤中固态物质密度,mv为土壤体积含水率,α为常数,β′为参数。冬季土壤冻结后,土壤中水分由液态变为固态,冰的介电常数小,测量到的土壤体积含水率也变小。土壤解冻后,土壤中冰融化为水,水的介电常数大,测量到的土壤体积含水率也变大。因此,在土壤开始冻结至完全解冻这一区间,土壤水分监测数据较土壤实际含水率明显偏小,土壤完全冻结时误差最大。从华阴站2013年冬季0～40cm土壤水分变化曲线 (图3)可看出,曲线受土壤冻结变化影响,温度降低曲线下降；土壤完全冻结,曲线维持在固定范围；温度升高曲线上升；土壤融化,曲线恢复正常。

图3 华阴站2012-12-15—2013-02-13自动观测0～40cm土壤水分变化

1.4 仪器跳变误差

自动土壤水分仪在业务运行中,数据常出现跳变,跳变幅度较大时,影响数据质量。一是更换仪器造成数据跳变。2015年1月5日14—15时,白水站更换自动土壤水分仪新型传感器一套,由于新旧传感器标定参数不同,造成数据跳变,其中10～20cm土层,体积含水率变化8.3%,土壤墒情2h内由轻旱变为湿润(图4)。二是仪器故障造成跳变。2012年7月31日00—02时,蒲城站自动土壤水分仪遭受雷击,0～100cm8个层次土壤水分数据均出现跳变,0～10cm数据跳变幅度最大,跳增12.5%。三是跳变原因不明。2012年10月1日10—11时,白水站0～20cm自动土壤水分数据出现小幅度跳变,0～10cm跳变1.3%、10～20cm跳变-0.6%,由于台站未建立仪器更换、故障、维修,维护等记录档案,仪器跳变原因无法查明。

图4 白水站2015-01-05T20—06T08自动观测土壤水分变化

1.5 观测环境误差

自动土壤水分固定观测场地应选择在长期固定的、反映当地自然下垫面、无灌溉状态[1]下的地段,土层应均匀,无炉渣、石块、砖块等杂质。大荔自动土壤水分仪安装在观测场内外围栏之间,满足长期固定和无灌溉要求,但下垫面存在小石块、楼板碎块垫层,造成自动土壤水分曲线常年在固定范围内变化,土壤过湿和干旱时段数据误差大(图5)。2012年3月8日—2013年9月18日,30～40cm人工观测体积含水率变化范围为10.3%～28.0%,数据跨度达17.7%,自动观测体积含水率为13.4%～18.9%,数据跨度5.5%,跨度相差12.2%；40～50cm人工测值变化范围为9.2%～24.5%,数据跨度

图5 大荔站2012-03-08—2013-09-08人工和自动站

土壤体积含水率曲线(a30～40cm；b40～50cm) 15.3%,自动测值为12.2%～17.1%,数据跨度4.9%,跨度相差10.4%。可见,观测环境对自动土壤水分仪器的灵敏度影响较大。

1.6 人工取土误差

农业气象观测规范规定[6],人工取土时提出土钻,应将钻头零刻度以下和土钻开口处的土壤及钻头口外表的浮土去掉,然后将土钻放平,采用剖面取土的方法,迅速刮取土样40～60g,放入盒内。实际工作中部分业务人员取土方法不正确,造成人工与自动数据误差。一是提出土钻时将钻孔周围土壤碰落孔内；二是未去掉钻头零刻度以下和土钻开口处土壤及钻头口外表的浮土；三是将土钻直立或倾斜,用小刀从上至下刮取土样,未采用刨面取土；四是土样重量大于60g,个别达90～100g。