乐都水文站RS-WS-GPRS-6系列自动气温仪器应用分析

摘 要：气温是水文气象要素中较为重要的一个辅助观测项目，其变化趋势与流域降水、径流量等水文要素有密切的联系。在气温自动化监测仪器的应用方面，现通过对比观测试验分析该领域的RS-WS-GPRS-6系列自动气温仪器是否适应某地区复杂的天气条件和周边环境，是否有很好的灵敏度和精确度，能否取代传统人工观测。

关键词：水文站;自动气温;水文现代化

0    引言

在同样的观测条件下，以测站气温表观测的数据为标准开展自动化设备气温对比观测试验。通过对试验数据的统计分析和计算，从准确性、可靠性和稳定性等方面对参试仪器的性能和适用性进行分析。

1    基本情况

1.1    测站及气象观测场情况

乐都水文站是湟水下游干流控制站，设在黄河流域湟水水系湟水上，地处青海省海东市乐都区碾伯镇下教场村，距西宁市约70 km，位于东经102°25′、北纬36°29′，集水面积13 025 km2，距河源245 km，距河口129 km。乐都水文站是国家重要水文站、中央报汛站。

观测场场地面积为64 m2（8 m×8 m），防护栏为不锈钢管，场内铺设观测小路，场地海拔1 971 m，场地地面平整，场地内的植物高度均不超过20 cm[1]。观测场内各个仪器之间互不影响。

1.2    对比观测条件介绍

为了保证参试仪器的观测具有可比性，本次对比观测试验的试验环境选取与传统气温观测同样地面高度的百叶箱，避免阳光直射以及空气扰动对温度和湿度观测的影响;自动监测设备的感应部位与气温表感应部位平齐，确保对比观测试验获得的数据具有真实的可比性。

本次气温对比观测试验确定以人工观测的水银气温表作为参照标准的测量仪器，进行对比观测。该气温表长期在测站用来观测气温，本次参试仪器也已通过安全性试验、环境适应性试验等出厂检验标准，确认质量检验合格。

由于自动化设备的灵敏度较高，气温的分辨率为0.1 ℃，所以对比观测时须做到即开箱门即读数，保证试验数据的稳定性。

1.3    仪器介绍

本次对比观测试验仪器RS-WS-GPRS-6系列自动气温仪器是一款采用新型传感技术的数字化温湿度变送器，其将温度监测、湿度监测、信号处理、数字变换、串行数字接口及数字校准全部集合到同一个芯片模块中，可以同时测量目标对象的温度和湿度，实现数字式输出，只需一张移动或者联通的SIM卡，就可以通过网络基站以GPRS方式将采集的温湿度数据上传到服务器。

该仪器采用瑞士进口原装高品质温湿度测量单元，结构紧凑，具有测量精度高、抗干扰能力强等特点，保证了仪器的优异测量性能;充分利用已架设好的GPRS通信网络实现数据采集和传输，达到集中监控温湿度数据的目的。

该参试仪器具备稳定的性能参数，感应探头的温度量程为-40～+80 ℃，湿度的量程为0%RH～100%RH，能适应极限气候条件下的气温和湿度的观测，数据远程上传默认设置为每2 s一次，温度分辨率为0.1 ℃，数据刷新时间为1 s。

2    监测数据分析

2.1    资料选取

仪器安装完成并配置好相应的参数之后，立即开始试验对比观测。从4月1日开始至9月30日，选择每日08：00气温同步观测[2]，气温对比观测数据共183个，为了与人工整编资料做对比分析，自动气温摘录08：00气温自动监测值。

2.2    数据处理

每次同步观测完之后，及时收集数据进行初步分析，进行数据质量控制并确认数据的有效性。由于参试仪器测量温度的感应探头灵敏度较高，分辨率为0.1 ℃，为了与标准气温表（分辨率为0.5 ℃）的计量基准进行比较，将参试仪器的观测数据做进位处理，进位成0.5 ℃的观测值，确保对比观测数据的可比性。

2.3    套绘气温过程线分析

以日期为横坐标，气温为主纵坐标，套绘自动气温监测仪与人工观测气温过程线，在同一张图上，以绝对误差作为次纵坐标轴绘制绝对误差分析图，如图1所示。

从图1来看，自动气温监测与人工同步观测的气温趋势一致，在气温发生突变时会出现绝对误差。

2.4    误差统计分析

对自动气温监测仪与人工对比观测数据进行误差统计分析，如表1所示。

绝对误差为0的样本占比为86.34%，绝对误差为±0.5 ℃的样本占比为13.11%，绝对误差为±1 ℃的样本占比为0.55%，从样本占比来看，两种仪器的观测数据误差均较小。

2.5    月平均气温误差统计

对自动气温监测仪与人工对比观测月平均气温数据进行误差及合格率统计，气温数据绝对误差小于等于±0.5 ℃为合格，统计对比观测时段内的合格天数，计算月、时段合格率，如表2所示。

经仪器对比观测，月合格率在96.7%～100%，时段合格率达到了99.5%，仪器合格率较高。

2.6    特征值误差统计

对自动气温监测仪与人工对比观测月特征值数据及发生时间进行统计，气温数据绝对误差小于等于±0.5 ℃为合格，如表3所示。

从对比观测的数据分析来看，对比观测数据无系统偏差，各月特征值误差也都符合评定标准，各月特征值发生时间一致。

2.7    系统误差分析

系统误差由以下公式计算：

P=∑（Ai-A）

式中：P为系统误差;Ai为某个量的观测值（采用新仪器或新方法的观测值）;A为某个量的真值（采用传统仪器或方法的观测值）;n为观测次数。

P≤±0.5 ℃则符合评定标准[3]，经计算得出P=0.03 ℃，符合评定标准。

3    结论与建议

紧随水文现代化的脚步，自动化监测设备的分析研究与应用势必成为传统水文新的发展思路。从监测数据统计分析可以看出，RS-WS-GPRS-6系列自动气温仪器可以代替人工观测。在批复正式投入使用之后应加强日常检查维护保养，对于观测中存在的问题，查找原因，及时解决，根据本站需求设置好设备采集量的上限值和下限值，并开启温湿度上下限短信告警，温湿度超限后会收到短信告警。断电或供电恢复应设置短信或振铃告警，以及时了解设备的运行情况。在比对过程中仪器之间的数据偏差太大，則需设置温湿度偏差值，校准设备的温湿度值。须及时为SIM卡缴费，以保证数据可以完整、不间断地上传至服务器，使先进仪器发挥最大的作用，为水文信息现代化提供参考依据。

[参考文献]

[1] 青海省水文水资源测报中心.2020年乐都水文站气温对比报告[R].西宁：青海省水文水资源测报中心，2020.

[2] 降水量观测规范：SL 21—2015[S].

[3] 关于印发《青海省水文仪器对比观测分析规程（试行）》的通知：青水文〔2020〕15号[A].

收稿日期：2021-08-19

作者简介：马桂芳（1991—），女，青海人，工程师，研究方向：水文测报。