冻土自动观测仪与冻土器数据对比分析

赵晓英

(锡林浩特国家气候观象台,锡林浩特 026000)

0 引言

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或0 ℃以下而呈冻结状态[1]。冻土观测是中国气象局统一布局观测项目,观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度,观测方式主要采用人工观测,使用TB1-1型冻土器(达尼林冻土器),人工每天定时将深达0.5～4.5 m的注水软胶管提到地面之上,用手摸测软管中水的冻结情况,判断冻土层次和深度。人工观测方式劳动强度大,内管提取、摸测过程中易产生折断,并且受观测人员的主观感知程度影响,观测结果存在人为误差。随着气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境监测等领域对冻土观测数据需求的日益增多,传统的观测仪器和测量方式会造成冻土深度数据的准确度低,难以适应气象观测现代化对高精度自动观测的需要[2-4]。当前气象预报和服务工作需要具有观测精度高、性能稳定、维护方便等特点的冻土自动观测仪。鉴于以上原因,中国气象局于2020年年底在全国有冻土观测任务的气象台站安装不同厂家不同型号的冻土自动观测仪,并于2021-01-01正式开展冻土平行观测。通过平行观测,发现自动观测和人工观测冻结深度和冻融日期均存在一定的差异,且二者观测数据差异较大。因此,有必要对自动观测和人工观测冻土深度数据做进一步的对比分析。文章通过对内蒙古锡林郭勒盟7个开展平行观测的台站的观测数据进行对比分析,客观地评估冻土自动观测仪的性能及业务适用性,为冻土自动观测仪后期算法改进提供参考。

1 冻土平行观测仪器的工作原理

锡林郭勒盟开展冻土平行观测的气象台站安装的冻土自动观测仪型号均为DTD4型,该仪器属于测温式冻土自动观测仪,原理是根据水凝结成冰或冰融化成水的温度变化特性,结合冻点确定算法,获得冻结层次和上下限深度[5]。DTD4型冻土自动观测仪由软件和硬件2部分组成。软件为嵌入式软件,硬件主要由传感器、数据采集器、供电单元和外围设备等组成,可接入综合集成硬件控制器。人工观测仪器均采用冻土器,冻土器由外管和内管组成。外管为一根标有0 cm刻度线的硬橡胶管;内管为一根有厘米刻度的橡皮管,底端封闭,顶端与短金属管、木棒及铁盖相连。内管中灌注当地的水(河水、井水、自来水等)至0刻度线处。根据内管冰柱所在位置,读出冰柱上下两端的相应刻度数,即为冻结层的上、下限深度值。

2 冻土平行观测数据对比分析

2.1 平行观测数据趋势分析

2021年10月—2022年4月对锡林郭勒盟开展冻土平行观测的7个气象台站(锡林浩特市、西乌珠穆沁旗、二连浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、多伦县、朱日和镇)的人工观测与自动观测冻土期数据进行总体趋势分析。从锡林浩特市冻土人工与自动对比观测结果(图1)可知,冻土自动观测与人工观测深度数据趋势基本一致。除此之外,二连浩特市冻土自动观测与人工观测数据趋势较一致,冻结前期自动观测有冻土,而人工观测有14 d无冻土;多伦县冻土自动观测与人工观测数据趋势基本一致,冻结前期自动观测有冻土,而人工观测有6 d无冻土;朱日和镇冻土自动观测与人工观测数据趋势基本一致,冻结前期自动观测有冻土,而人工观测有15 d无冻土;西乌珠穆沁旗冻土自动观测与人工观测数据趋势相差较大,趋势线中间段差值大,冻结前期自动观测有冻土,而人工观测有7 d无冻土;苏尼特左旗冻土自动观测与人工观测数据相差较大,冻土深度最大相差39 cm,在整个冻土观测期最大冻土深度人工观测值(193 cm)与自动观测值(228 cm)差值大;阿巴嘎旗冻土自动观测与人工观测数据趋势相差较大,冻结前期自动观测有冻土,而人工观测有22 d无冻土。总体来看,锡林浩特市、二连浩特市、多伦县、朱日和镇冻土自动观测与人工观测数据一致率较高,西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、阿巴嘎旗冻土数据一致率较低。除苏尼特左旗外,其他6个站在整个冻土观测期最大冻土深度人工观测值与自动观测值均接近,说明人工观测和自动观测最大冻土深度一致率高。胡树贞等[6]在冻土自动观测仪外场比对试验中对冻土自动观测仪性能进行比对分析,认为冻土自动观测仪取代人工冻土观测是可行的。

图1 锡林浩特市2021年10月—2022年4月冻土人工与自动对比观测结果

2.2 平行观测差异性分析

2.2.1 冻结前期

在冻结前期,冻土白天融化,夜晚冻结。锡林浩特市冻结前期时间为2021-10-16/11-12,由图2可知,冻结前期人工和自动观测数据相差不大,临近冻结期数据差异增大,冻结前期绝对偏差均在5 cm以内。除此之外,西乌珠穆沁旗冻结前期绝对偏差在0～7 cm,绝对偏差>5 cm的有1 d;苏尼特左旗冻结前期绝对偏差在0～12 cm,绝对偏差>5 cm的有6 d,绝对偏差>10 cm的有5 d;多伦县冻结前期绝对偏差在0～8 cm,绝对偏差>5 cm的有2 d;二连浩特市冻结前期绝对偏差在0～7 cm,绝对偏差>5 cm的有7 d;阿巴嘎旗冻结前期绝对偏差在4～16 cm,绝对偏差>5 cm的有23 d,绝对偏差>10 cm的有4 d;朱日和镇冻结前期绝对偏差在2～21 cm,绝对偏差>5 cm的有30 d,绝对偏差>10 cm的有21 d,绝对偏差>20 cm的有1 d。总体来看,锡林浩特市、西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、多伦县人工观测和自动观测冻结前期绝对偏差较小,朱日和、二连浩特市、阿巴嘎旗人工观测和自动观测冻结前期绝对偏差较大。

图2 锡林浩特市冻结前期冻土深度绝对偏差对比

2.2.2 冻结期

按照业务规定,当冻土深度稳定达到10 cm后进入冻结期。锡林浩特市冻土深度冻结期时间为2021-11-13/2022-03-24,冻结期133 d。由图3可知,锡林浩特市冻结期绝对偏差在1～16 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有39 d,占整个冻结期29%,其中有19 d人工观测值大于自动观测值,其余时间人工观测值均小于自动观测值。除此之外,西马珠穆沁旗冻结期128 d,冻结期绝对偏差在0～16 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有80 d,占整个冻结期63%,人工观测值全部大于自动观测值;阿巴嘎旗冻结期144 d,冻结期绝对偏差在2～31 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有104 d,占整个冻结期72%,人工观测值均小于自动观测值;二连浩特市冻结期136 d,冻结期绝对偏差在0～8 cm,冻结期绝对偏差均<10 cm,人工观测值小于自动观测值的时间为126 d;多伦县冻结期137 d,冻结期绝对偏差在1～13 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有11 d,占整个冻结期8%,人工观测值均大于自动观测值;朱日和镇冻结期97 d,冻结期绝对偏差在1～17 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有14 d,占整个冻结期14%,人工观测值均小于自动观测值;苏尼特左旗冻结期131 d,冻结期绝对偏差在10～39 cm,冻结期绝对偏差>10 cm的有128 d,占整个冻结期98%,人工观测值均小于自动观测值。总体来看,锡林浩特市、西乌珠穆沁旗、阿巴嘎旗冻土深度人工观测和自动观测在冻结期绝对偏差较大,二连浩特市、多伦县、朱日和镇冻土深度人工观测和自动观测在冻结期绝对偏差较小,苏尼特左旗冻土深度人工观测和自动观测在冻结期绝对偏差太大。

图3 锡林浩特市冻结期冻土深度绝对偏差对比

2.2.3 融化期

随着气温逐渐升高,冻土开始融化,融化期为冻土开始融化至冻土全部融化的日期。锡林浩特市冻土融化期时间为2022-03-25/04-26,共33 d。由图4可知,锡林浩特市融化期冻土深度上限绝对偏差在8～107 cm,上限绝对偏差>10 cm的有28 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在1～36 cm,下限绝对偏差>10 cm的有4 d。阿巴嘎旗冻土融化期42 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在14～78 cm,上限绝对偏差>10 cm的有23 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在0～18 cm,下限绝对偏差>10 cm的有3 d,自动观测比人工观测早融化19 d。多伦县冻土融化期30 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在2～41 cm,上限绝对偏差>10 cm的有15 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在0～8 cm,下限绝对偏差均<10 cm。朱日和镇冻土融化期8 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在0～19 cm,上限绝对偏差>10 cm的有7 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在3～8 cm,下限绝对偏差均<10 cm。西乌珠穆沁旗冻土融化期42 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在0～13 cm,上限绝对偏差>10 cm的有2 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在0～9 cm,下限绝对偏差均<10 cm,自动观测比人工观测早融化2 d。二连浩特市冻土融化期13 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在5～52 cm,上限绝对偏差>10 cm的有11 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在7～16 cm,下限绝对偏差>10 cm的有8 d,自动观测比人工观测早融化2 d。苏尼特左旗冻土融化期38 d,融化期冻土深度上限绝对偏差在8～60 cm,上限绝对偏差>10 cm的有22 d;融化期冻土深度下限绝对偏差在1～33 cm,下限绝对偏差>10 cm的有22 d,自动观测比人工观测早融化12 d。总体来看,锡林浩特市、阿巴嘎旗、朱日和镇冻土深度人工观测和自动观测在融化期上限绝对偏差较大,下限绝对偏差较小;西乌珠穆沁旗融化期上、下限绝对偏差均较小;二连浩特市、苏尼特左旗融化期上、下限绝对偏差均较大。

图4 锡林浩特市融化期冻土深度绝对偏差对比

2.3 平行观测相关性分析

对2021年10月—2022年4月锡林郭勒盟开展冻土平行观测的7个气象台站冻土人工观测与自动观测数据的相关性进行分析可知,锡林浩特冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化0.96 cm,冻土人工观测和自动观测相关系数为0.9976;西乌珠穆沁旗冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化0.97 cm,相关系数为0.9954;二连浩特冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化0.96 cm,相关系数为0.9980;阿巴嘎旗冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化0.95 cm,相关系数为0.9931;苏尼特左旗冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化1.10 cm,相关系数为0.9940;多伦县冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化1.00 cm,相关系数为0.9973;朱日和镇冻土人工观测数据每变化1 cm,自动观测数据变化0.95 cm,相关系数为0.9973。以上各站自动观测和人工观测数据均存在显著的正相关关系,且相关性显著,说明冻土自动观测仪测量的冻土深度和冻土器测量的冻土深度数据之间有较高的相关性。

3 差异原因分析

3.1 外套管周围土壤密实度不够或0 cm刻度线不准确

部分台站在冻结期安装冻土仪,且安装时间较短,土壤较松弛,一段时间后出现沉降现象,导致0 cm刻度线偏低;另有部分台站对地下岩石层采用开挖后填埋的方式,导致冻土仪外套管周围土壤密实度与人工冻土器不同,使观测数据准确性降低。

3.2 冻土自动观测仪和冻土器周围环境不同

多数台站冻土器附近无踏板,业务人员每日进行冻土观测时,会踩踏冻土器周边积雪使积雪融化加快,导致冻土器四周土壤裸露,地温较低,土壤冻结深度明显偏大。部分台站人工冻土器或冻土自动观测仪附近有其他设备遮挡,使冻土器或冻土自动观测仪长期处于背阴地带,导致冻土数据持续偏大。

3.3 冻土自动观测仪和冻土器测量原理不同

自动观测仪器测量和人工测量原理的不同是产生数据差异的主要原因[7-9]。冻土自动观测仪最近几年才投入应用,采集器算法软件还需不断改进,可通过平行观测数据校正自动观测算法,使观测数据更准确。

4 结束语

文章通过对2021年10月—2022年4月锡林郭勒盟开展冻土平行观测7个气象台站的冻土人工观测与自动观测数据进行分析,得出以下结论:

1)冻土自动观测与人工观测数据一致率高的台站有锡林浩特市、二连浩特市、多伦县、朱日和镇,数据一致率低的台站有西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、阿巴嘎旗。

2)冻结前期冻土人工观测值与自动观测值相差不大,出现冻结前期自动观测有冻土,而人工观测没有冻土情况的台站有二连浩特市(14 d)、阿巴嘎旗(22 d)、西乌珠穆沁旗(7 d)、多伦县(6 d)、朱日和镇(15 d)。

3)在冻结期大部分台站冻土人工观测值与自动观测值相差较大,其中苏尼特左旗观测值相差最大(33 cm),阿巴嘎旗观测值相差31 cm,且人工观测值低于自动观测值。

4)在融化期冻土人工观测和自动观测数据上限绝对偏差较大,下限绝对偏差较小。从冻融日期分析,自动观测比人工观测融化日期提前,阿巴嘎旗自动观测比人工观测早融化19 d,冻土自动观测和人工观测在融化期差异性最大,一致性较低。

5)最大冻土深度自动观测和人工观测的数据一致率高。

6)自动观测和人工观测存在正相关关系,且相关性显著。