吳蘇 李鵬 闕艷紅 朱東紅
摘要:農(nóng)業(yè)干旱是我國(guó)最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,因農(nóng)業(yè)干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超過(guò)任何其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。相對(duì)其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害而言,農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生頻率高、致災(zāi)范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、損失影響大。在全球氣候變化背景下,近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生更為頻繁,干旱持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、影響地域之廣為歷史所罕見,引起了中央和各級(jí)政府的高度關(guān)注,目前農(nóng)業(yè)干旱已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的嚴(yán)重障礙。為了更好地防災(zāi)減災(zāi),全國(guó)建立了一套科學(xué)完善的旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)在各地合理地布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)降水量、土壤含水率,科學(xué)、合理地分析預(yù)測(cè)土壤墑情變化,并依此來(lái)指導(dǎo)抗旱工作的進(jìn)行。土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制工作是氣象系統(tǒng)土壤水分觀測(cè)業(yè)務(wù)管理、服務(wù)和科研工作的重要組成部分,合理、有效的質(zhì)量控制策略和算法對(duì)于進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)應(yīng)用分析具有重要意義。
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)干旱;土壤水分;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);質(zhì)量控制
中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2018)15-0253-04
The Design of Data Quality Control Algorithm for Automatic Soil Moisture Observation Station
WU Su, LI Peng, QUE Yan-hong, ZHU Dong-hong
(The 27th Research Institute of China Electronics Technology, Group Corporation, Zhengzhou 450047, China)
Abstract: Agricultural drought is the most important agricultural meteorological disaster in China. The economic loss caused by agricultural drought is far greater than any other agro meteorological disasters. Compared with other agro meteorological disasters, the frequency of agricultural drought is high, the scope of disaster is wide, the duration is long, and the loss is great. In the context of global climate change, the agricultural drought in China has been more frequent in recent years, the length of the drought duration and the wide impact of the region are rare in history, which has attracted the attention of the central government and the governments at all levels. At present, the agricultural drought has become a serious obstacle to the sustainable and stable development of agriculture in our country. In order to better prevent and reduce disaster and disaster reduction, a set of scientific and perfect drought monitoring system has been set up in the whole country. Through the reasonable layout of monitoring stations in various places, the precipitation and soil moisture content are monitored in time and accurately, and the soil moisture changes are scientifically and reasonably analyzed and predicted, and the drought resistance work is guided. The quality control of soil moisture observation data is an important part of the management, service and scientific research work of soil moisture observation in the meteorological system. The reasonable and effective quality control strategy and algorithm are of great significance to the monitoring of equipment operation and the analysis of data application.
Key words: Agricultural Drought; Soil Moisture; Monitoring System; Quality Control
1 綜述
近年來(lái),中國(guó)氣象局通過(guò)多次考核定型了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀器,并開展了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)工作。目前,氣象部門在全國(guó)已建立2000多套自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站,其中投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的有1900多套,初步實(shí)現(xiàn)了土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和傳輸,顯著地改善了我國(guó)土壤水分的觀測(cè)能力。根據(jù)《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范(試行)》要求,各?。▍^(qū)、市)氣象局從2010年6月開始逐時(shí)上報(bào)土壤水分報(bào)文文件,全國(guó)臺(tái)站的土壤墑情變化動(dòng)態(tài)得到了及時(shí)反映。目前,自動(dòng)土壤水分觀測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行情況如下:
1)在國(guó)家級(jí)和省級(jí)氣象部門建立數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)了全國(guó)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站的組網(wǎng)。通過(guò)組網(wǎng),自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站能夠?qū)崟r(shí)主動(dòng)地將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)傳輸失敗,能夠在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后,及時(shí)補(bǔ)傳缺傳的數(shù)據(jù);同時(shí),中心站能夠遠(yuǎn)程控制各自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)采集器,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2)完成了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)報(bào)文的定時(shí)分級(jí)傳輸。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)報(bào)文每小時(shí)00分01秒至05分00秒生成,并采取有線或無(wú)線傳輸至省級(jí)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心,再由省級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)中心將數(shù)據(jù)報(bào)文打包后通過(guò)ftp上傳至國(guó)家氣象信息中心。上傳報(bào)文內(nèi)容有各層土壤的土壤體積含水量、土壤相對(duì)濕度、土壤重量含水率、土壤有效水分貯存量等氣象要素?cái)?shù)據(jù)。
3)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料在農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)中已廣泛應(yīng)用。一是在農(nóng)業(yè)氣象周報(bào)中的土壤墑情監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和土壤墑情預(yù)報(bào)的初始值由人工測(cè)墑?wù)居^測(cè)資料更改為自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料;二是應(yīng)用于夏收夏種、秋收秋種、春耕春播、抗旱、春季農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等專題農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中;三是應(yīng)用于降水前后墑情變化對(duì)比分析、降水入滲深度分析等重大天氣過(guò)程影響評(píng)估中;四是在重要的農(nóng)事活動(dòng)時(shí)期或有重大災(zāi)害發(fā)生時(shí),用于制作一些臨時(shí)性的決策服務(wù)材料。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料每小時(shí)上傳一次,具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,觀測(cè)站點(diǎn)密度大幅增加,制作的實(shí)際墑情和預(yù)報(bào)墑情分布圖的空間精細(xì)化程度大大提高。
2 質(zhì)量控制策略
運(yùn)行自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站的目的不僅僅是進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ),而是能夠基于獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)指導(dǎo)。為了保證業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)指導(dǎo)源數(shù)據(jù)的有效性和正確性,必須制定和實(shí)施一套合理完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方案,以便對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和質(zhì)量標(biāo)識(shí)。文章制定并實(shí)施了一套完整的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方案,主要包括不同級(jí)別的數(shù)據(jù)分析和標(biāo)識(shí),包括設(shè)備級(jí)(采集器軟件)和中心站級(jí)(中心站軟件),整個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要針對(duì)中心站級(jí)質(zhì)量控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),內(nèi)容包括:格式檢查、缺測(cè)檢查、觀測(cè)數(shù)據(jù)值域檢查、土壤常數(shù)值域檢查、內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間一致性檢查。
3 算法設(shè)計(jì)
3.1 格式檢查
檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)的類型以及記錄的長(zhǎng)度,主要包括:臺(tái)站編號(hào)、觀測(cè)日期和時(shí)間、要素?cái)?shù)目、要素編碼、要素觀測(cè)值等內(nèi)容的數(shù)據(jù)類型和長(zhǎng)度的檢查。如果格式檢查未通過(guò),則該條數(shù)據(jù)不進(jìn)行存儲(chǔ),即不產(chǎn)生Z報(bào)文文件和不進(jìn)行入庫(kù)處理。
3.2 缺測(cè)檢查
3.2.1 整站缺測(cè)
從省級(jí)土壤水分中心數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取某一自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站某一時(shí)刻的體積含水量數(shù)據(jù),從而確定該站該時(shí)刻有無(wú)到報(bào)數(shù)據(jù),標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0缺測(cè),1不缺測(cè),9未檢查。
3.2.2 單層缺測(cè)
從省級(jí)土壤水分中心數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取某一自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站某一時(shí)刻的體積含水量數(shù)據(jù),并根據(jù)該臺(tái)站基本參數(shù)設(shè)置(觀測(cè)層次設(shè)置)來(lái)確定該站某一觀測(cè)層次的數(shù)據(jù)缺失與否,標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0缺測(cè),1不缺測(cè),2未配置,9未檢查。
3.3 土壤體積含水量界限值檢查
3.3.1 體積含水量下限
自然狀態(tài)下的土壤含水量一般都在最大吸濕量以上。在水汽飽和的空氣中,土壤吸濕水達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水率被稱為吸濕系數(shù)或最大吸濕量([mh])。在實(shí)踐中,凋萎濕度可以用土壤最大吸濕量的1.5-2.0倍的土壤濕度來(lái)近似確定(花子昌等,1980)。為此,0.5倍土壤凋萎濕度(體積含水量[φ]表達(dá))可作為土壤最大吸濕量的估計(jì)值,也即土壤水分下限,當(dāng)觀測(cè)到的體積含水量低于此值即可認(rèn)為土壤水分觀測(cè)結(jié)果異常。
[φ≥0.5×wk×ρ] (1)
3.3.2 體積含水量上限
當(dāng)土壤達(dá)到飽和含水量,此時(shí)土壤吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水全部達(dá)到飽和,也即是土壤的所有空隙均被水所充填。土壤空隙一般用孔隙度([sp])來(lái)表示,是指土壤空隙的體積占土壤總體積的百分比,可以通過(guò)土壤密度([sd])和容重([ρ])進(jìn)行計(jì)算得出:
[ sp%=1-ρ÷sd*100%]
[φ≤sp] (2)
絕大多數(shù)礦物質(zhì)土壤的密度([sd])為2.6~2.7g/cm3(秦耀東,2003)。預(yù)警時(shí)可取礦物質(zhì)土壤的密度([sd])的低值2.7g/cm3以計(jì)算出監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤孔隙度高值。此土壤孔隙度(%)可被看作土壤飽和時(shí)的體積含水量(%),也即監(jiān)測(cè)到體積含水量的理論上限值,當(dāng)監(jiān)測(cè)到的土壤體積含水量高于該值時(shí)可以認(rèn)為測(cè)站數(shù)據(jù)異常。從省級(jí)土壤水分中心數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取某一自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站某一時(shí)刻某一層次的體積含水量數(shù)據(jù)與該站對(duì)應(yīng)層次的土壤容重參數(shù)設(shè)置,并根據(jù)公式(2),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該臺(tái)站體積含水量值域的檢查,標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0低于下限,1正常,2未配置,3高于上限,9未檢查。
3.4 土壤常數(shù)分析
利用監(jiān)測(cè)土層的土壤體積含水量([φ])、土壤相對(duì)濕度([R])、土壤重量含水率([ω])、土壤有效水分貯存量([μ])數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出該土層的容重([ρ])、田間持水量([fc])、凋萎濕度數(shù)據(jù)([ωk])。它們之間的關(guān)系可以用下來(lái)關(guān)公式予以表達(dá)(《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》,1993)。
[φ=ω×ρ] (3)
[R=ωfc×100%] (4)
[μ=ρ×h×(ω-ωk)×10] (5)
[ρ=φω] (6)
[fc=ωR×100%] (7)
[ωk=ω-μρ×h×10] (8)
[h]:土層厚度(米),當(dāng)層為10cm時(shí)公式(8)可以簡(jiǎn)化為:
[ωk=ω-μρ] (9)
土壤常數(shù)一般來(lái)講是穩(wěn)定的,自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀也將其作為常數(shù)參加要素間運(yùn)算;一旦土壤常數(shù)異常時(shí),自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀觀測(cè)結(jié)果也將一定存在要素值異常的情況。
3.4.1 田間持水量[fc]
給定[fc]的范圍為6.0-50.0之間,超出該范圍為異常,標(biāo)識(shí)結(jié)果:0異常,1正常,2未配置,9未檢查。
3.4.2 容重[ρ]
給定[ρ]的范圍為1.0-30之間,標(biāo)識(shí)結(jié)果:0異常,1正常,2未配置,9未檢查。
3.4.3 凋萎濕度[ωk]
給定[ωk]的范圍為1.0-50.0,超出該范圍為異常,標(biāo)識(shí)結(jié)果:0異常,1正常,2未配置,9未檢查。
3.5 整體水勢(shì)降幅異常分析(內(nèi)部一致性檢查)
3.5.1 水勢(shì)系數(shù)計(jì)算
土壤吸濕系數(shù)是指在水汽飽和的空氣中,土壤吸濕水達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水率被稱為吸濕系數(shù)或最大吸濕量,土壤吸濕水最大時(shí)的土水勢(shì)代表了自然狀態(tài)下土壤水勢(shì)可以達(dá)到的最高值([ψw_max])。
田間持水量是在地下水位較低(毛管水不與地下水相連接)情況下,土壤所能保持的毛管懸著水的最大量,是植物有效水的上限(農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范)。土壤達(dá)到田間持水量時(shí)的基質(zhì)勢(shì)約為0.1Mp土壤水勢(shì)約在-50至-350毫巴之間,可以代表排除重力水影響后土水勢(shì)的最低值([ψw_min])。
在業(yè)務(wù)實(shí)踐中,由于凋萎濕度與土壤吸濕系數(shù)間存在較好的線性關(guān)系,在業(yè)務(wù)實(shí)踐中可以用凋萎濕度([ωk])代替土水勢(shì)最低值,而田間持水量([fc])可代替土水勢(shì)最高值([ψw_min]),如此,公式(10)可近似表達(dá)具體土壤濕度(重量含水率[ω]表示)下土水勢(shì)偏高或偏低的程度([ψwd]),文中暫用“水勢(shì)系數(shù)”表示這種偏差。水勢(shì)系數(shù)([ψwd]),可以反映土壤水勢(shì)的高低狀況。
[ψwd=ω-ωkfc-ωk] (10)
3.5.2 水勢(shì)系數(shù)分析方法
由于土壤水分總是從水勢(shì)系數(shù)高的土層向低的土層移動(dòng),可以利用水勢(shì)系數(shù),針對(duì)土層之間土壤濕度的高低變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。
水勢(shì)系數(shù)大于1時(shí),土壤含水量高于田間持水量。受到重力水向下滲透的影響,其下層土壤水分在下一時(shí)刻應(yīng)該會(huì)有所補(bǔ)充;在下層水勢(shì)系數(shù)也大于1時(shí),水分還會(huì)繼續(xù)向下傳遞;直至出現(xiàn)水勢(shì)系數(shù)小于1的土層,該層土壤水分應(yīng)該增加。如果所有土層水勢(shì)系數(shù)均大于1,水分繼續(xù)向下滲透(接近地下水位時(shí)的情況有待進(jìn)一步分析)。
水勢(shì)系數(shù)小于0時(shí),土壤含水量低于凋萎濕度。土壤水分變小的壓力變大,有水分補(bǔ)充時(shí),土壤濕度會(huì)明顯增大。
當(dāng)前一小時(shí)10cm土壤水分重量含水率相對(duì)下降5%時(shí),土壤10-50cm總體水勢(shì)不降反而上升,且相對(duì)增幅達(dá)5%以上,即報(bào)警。
[ψt1wd-ψt0wdψt1wd≥5%] [15ψt0wd-15ψt1wd15ψt1wd] (11)
標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0不合理,1合理,9未檢查。
3.6 時(shí)間一致性檢查
3.6.1 恒值分析
土壤濕度受地氣交換、土壤水分持續(xù)運(yùn)動(dòng)等影響,一段時(shí)間內(nèi)的高低值是有差異的,如果在一段時(shí)間內(nèi)高低值相等,即可認(rèn)為儀器故障而導(dǎo)致觀測(cè)值存在異常。平臺(tái)對(duì)10-20cm以及30-50cm的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0異常,1正常,9未檢查。
l 10-20cm分析
對(duì)于10-20cm來(lái)說(shuō),觀測(cè)值異??捎?4小時(shí)內(nèi)高低值進(jìn)行檢測(cè)。即:
[Val24hmax=Val24hmin] (12)
l 30-50cm分析
對(duì)于30-50cm來(lái)說(shuō),觀測(cè)值異??捎?0天內(nèi)高低值進(jìn)行檢測(cè)。即:
[Val10dmax=Val10dmin] (13)
3.6.2 降幅異常分析
24小時(shí)內(nèi),某層體積含水量相對(duì)降幅達(dá)到20%以上,視為不合理降幅,應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行必要檢查。標(biāo)識(shí)結(jié)果為:0不合理,1合理,9未檢查。
[Val1dmax=Val1dmin] (14)
4 質(zhì)量控制綜合分析
在進(jìn)行質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)后,能夠根據(jù)標(biāo)識(shí)結(jié)果進(jìn)行了設(shè)備級(jí)和中心站級(jí)兩種級(jí)別的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)綜合分析。設(shè)備級(jí)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)綜合分析可以針對(duì)某一臺(tái)站不同時(shí)間段、不同觀測(cè)要素、不同質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)結(jié)果進(jìn)行查詢、過(guò)濾、分組、匯總,而且針對(duì)分析結(jié)果可以導(dǎo)出為Excel格式的文件。中心站級(jí)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)綜合分析可以針對(duì)臺(tái)站編號(hào)、臺(tái)站名稱、監(jiān)測(cè)時(shí)間、入庫(kù)時(shí)間、區(qū)域(省/市/縣)、到報(bào)狀況檢查結(jié)果(整站檢查、單層檢查)、土壤常數(shù)檢查結(jié)果(各層次田間持水量、各層次土壤容重、各層次凋萎濕度)、各層次體積含水量值域檢查結(jié)果、恒值預(yù)警檢查結(jié)果(10-20cm恒值檢查、30-50cm恒值檢查)、各層次降幅異常檢查結(jié)果、整層水勢(shì)降幅異常檢查結(jié)果進(jìn)行查詢、過(guò)濾、分組與匯總,而且針對(duì)分析結(jié)果可以導(dǎo)出為Excel格式的文件。
5 應(yīng)用效果
基于該算法的質(zhì)量控制系統(tǒng)已在河南、安徽、山東、北京、內(nèi)蒙等多省試用,業(yè)務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定,取得了較好的應(yīng)用效果。通過(guò)該系統(tǒng)的使用,農(nóng)業(yè)氣象技術(shù)保障人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本區(qū)域內(nèi)土壤水分觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況,并據(jù)此進(jìn)行維護(hù)指導(dǎo),而業(yè)務(wù)服務(wù)人員也可方便地進(jìn)行土壤水分信息的檢索、查詢和統(tǒng)計(jì),并以圖形化地方式呈現(xiàn),顯著提升了基層臺(tái)站人員設(shè)備技術(shù)保障以及農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)服務(wù)能力。
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