GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀數(shù)據(jù)標(biāo)定方法研究

尹貞鈐，田中偉，許偉峰，馮　偉

(渭南市氣象局，陜西渭南　714000)

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GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀數(shù)據(jù)標(biāo)定方法研究

尹貞鈐，田中偉，許偉峰，馮偉

(渭南市氣象局，陜西渭南714000)

摘要：采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)渭南市蒲城、白水、韓城、華陰4站人工與GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀觀測(cè)的土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和多項(xiàng)式擬合，結(jié)果顯示：自動(dòng)觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)顯著相關(guān)，擬合方程標(biāo)定效果優(yōu)于D值標(biāo)定效果，方程標(biāo)定后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率提高，可滿足干旱監(jiān)測(cè)和服務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)；相關(guān)分析；多項(xiàng)式擬合；數(shù)據(jù)標(biāo)定方法

GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀可以快速、便捷獲取同一地點(diǎn)不同層次土壤水分連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際業(yè)務(wù)服務(wù)中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D值標(biāo)定后，雖然滿足規(guī)范要求，但部分?jǐn)?shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差較大，無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)和服務(wù)需求。通過(guò)對(duì)比分析研究渭南市蒲城、白水、韓城、華陰4個(gè)固定土壤水分觀測(cè)站2010—2013年人工和自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，得出進(jìn)一步提高自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)標(biāo)定方法。

1資料及方法

1.1資料來(lái)源

蒲城、白水、韓城、華陰0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm人工和自動(dòng)土壤體積含水量數(shù)據(jù)來(lái)源于渭南市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心資料室,數(shù)據(jù)均為逢8觀測(cè)(遇降水順延)。蒲城站資料的起止時(shí)間為2011-03-08—2013-09-18，白水站為2011-03-08—2013-08-08，韓城站為2010-03-28—2013-11-08，華陰站為2010-07-08—2012-05-28。

1.2資料處理

首先，剔除儀器故障造成的異常值；然后，用D值標(biāo)定值(自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采集器標(biāo)定包含A、B、C、D四個(gè)參數(shù)項(xiàng)，廠家利用自動(dòng)和人工對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)求算標(biāo)定參數(shù)，其中A、B均設(shè)為0，C設(shè)為1，D值分站分層次各不相同，自動(dòng)土壤水分原始數(shù)據(jù)加D值得到標(biāo)定值。)減去D值得到自動(dòng)土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)。

1.3標(biāo)定方法

采用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)人工與自動(dòng)土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，提高自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。

2自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可用性

自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)能否準(zhǔn)確反映土壤水分變化情況是目前業(yè)務(wù)化使用中最為關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)蒲城(74組數(shù)據(jù))、白水(68組數(shù)據(jù))、韓城(92組數(shù)據(jù))、華陰(59組數(shù)據(jù))人工與自動(dòng)站0～50 cm五個(gè)層次土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示，4站五個(gè)層次人工與自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)顯著相關(guān)(見(jiàn)表1)，最大相關(guān)系數(shù)為0.987(白水站30～40 cm)，最小相關(guān)系數(shù)為0.884(蒲城站40～50 cm、韓城站20～30 cm)，表明自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，通過(guò)合適的標(biāo)定方法，可以取代人工觀測(cè)，投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

表1　渭南各縣市0~50 cm五個(gè)層次人工與自動(dòng)土壤體積含水量相關(guān)分析

注：各層相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)

3數(shù)據(jù)標(biāo)定

自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)D值標(biāo)定，基本滿足《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范(試行)》要求，人工觀測(cè)土壤體積含水量與器測(cè)土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對(duì)誤差≤5%[1]。但在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，部分自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差較大。以白水站2013年5—7月0～10 cm土壤水分觀測(cè)為例(表2)，人工與D值標(biāo)定后自動(dòng)土壤體積含水量平均絕對(duì)誤差為4.7%，單次絕對(duì)誤差≥5%的數(shù)據(jù)對(duì)占44%，最大絕對(duì)誤差為7.1%。為降低誤差，利用多項(xiàng)式法對(duì)自動(dòng)土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。以人工觀測(cè)數(shù)據(jù)[2]為標(biāo)準(zhǔn)建立擬合方程，使標(biāo)定后數(shù)據(jù)更接近人工觀測(cè)值。蒲城站、白水站以2011年3月8日—2012年11月28日0～50 cm人工與自動(dòng)土壤數(shù)據(jù)做五個(gè)層次標(biāo)定方程，韓城站以2010年3月28日—2012年12月18日0～50 cm人工與自動(dòng)土壤數(shù)據(jù)做五個(gè)層次標(biāo)定方程，華陰站以2010年7月9日—2011年11月28日人工與自動(dòng)土壤數(shù)據(jù)做四個(gè)層次標(biāo)定方程(40～50 cm D值標(biāo)定效果良好，未重新標(biāo)定)。標(biāo)定結(jié)果(表3)顯示，各站各層多項(xiàng)式標(biāo)定方程擬合度均達(dá)0.8以上，擬合度高，方程可信。白水站2013年5—7月人工和采用多項(xiàng)式標(biāo)定后自動(dòng)土壤體積含水量的平均絕對(duì)誤差為2.5%，較D值標(biāo)定的平均絕對(duì)誤差降低2.2%，單次絕對(duì)誤差≥5%數(shù)據(jù)對(duì)占11%，較D值標(biāo)定比例降低33%。

表2　白水站2013年5—7月0～10 cm自動(dòng)土壤體積含水量標(biāo)定誤差　%

表3　渭南各縣市0～50 cm自動(dòng)土壤體積含水量多項(xiàng)式標(biāo)定方程

注：y為擬合后自動(dòng)土壤體積含水量，x為自動(dòng)土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)。

4結(jié)果驗(yàn)證

數(shù)據(jù)標(biāo)定完成后，利用蒲城、白水、韓城2013年3月8日—9月18日及華陰2012年3月8日—5月28日數(shù)據(jù)驗(yàn)證標(biāo)定方程。運(yùn)用標(biāo)定方程將自動(dòng)土壤體積含水量數(shù)據(jù)換算為土壤相對(duì)濕度，依據(jù)干旱指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)[3]，將人工和標(biāo)定后自動(dòng)土壤相對(duì)濕度絕對(duì)誤差≤10%作為判斷標(biāo)定效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示(表4)：方程標(biāo)定后各站各層自動(dòng)土壤體積含水量平均絕對(duì)誤差為1.0%～2.7%，符合規(guī)范要求，與D值標(biāo)定平均絕對(duì)誤差比較，除華陰站20～30cm平均絕對(duì)誤差增加0.1%外，其余減小0.5%～4.6%；人工和多項(xiàng)式標(biāo)定后自動(dòng)土壤相對(duì)濕度絕對(duì)誤差≤10%數(shù)據(jù)比例占67%～100%，較D值標(biāo)定后數(shù)據(jù)比例增加10%～100%，方程標(biāo)定結(jié)果明顯優(yōu)于D值標(biāo)定且效果優(yōu)良。

表4　渭南0～50 cm自動(dòng)土壤體積含水量標(biāo)定誤差　%

5小結(jié)

(1)采用相關(guān)分析方法研究人工和自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。結(jié)果顯示，自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)能夠真實(shí)反映土壤水分變化情況，可以在業(yè)務(wù)中推廣使用。

(2)自動(dòng)土壤水分原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式擬合方法標(biāo)定，結(jié)果較D值標(biāo)定優(yōu)良，能夠滿足干旱監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)服務(wù)需求。

(3)自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)差異較大臺(tái)站，采用相關(guān)分析結(jié)合多項(xiàng)式擬合方法，可提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可用性。

參考文獻(xiàn)：

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賀音.國(guó)家自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西氣象，2015(6)：38-40.

基金項(xiàng)目：陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2012Z-7)

作者簡(jiǎn)介：賀音(1981—)，女，陜西西安人，碩士，工程師，從事氣象數(shù)據(jù)資源開發(fā)與應(yīng)用氣象工作。

收稿日期：2015-02-02

文章編號(hào)：1006-4354(2015)06-0038-03

中圖分類號(hào)：P415.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A