深層地溫傳感器檢定維護(hù)及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

王延?xùn)|　鄔昀　孫志娟

摘要? ? 本文對(duì)谷城縣國(guó)家基本氣象觀測(cè)站檢定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的備份站深層地溫套管內(nèi)積水問(wèn)題進(jìn)行了處理，對(duì)深層地溫溫度傳感器進(jìn)行了周期檢定，并對(duì)檢定前后的深層地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，備份站深層地溫80、320 cm套管積水主要是由于降水引起的，套管內(nèi)積水會(huì)引發(fā)深層地溫?cái)?shù)據(jù)異常偏高，其中80 cm深層地溫偏高13.21 ℃，320 cm深層地溫偏高13.18 ℃。在對(duì)積水進(jìn)行處理后，備份站深層地溫恢復(fù)正常，兩站深層地溫?cái)?shù)據(jù)一致性較好。同時(shí)，為了確保深層地溫傳感器的正常運(yùn)行和觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)按照規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行周期檢定和維護(hù)工作，尤其要做好日常維護(hù)和降水后檢查深層地溫進(jìn)水情況。

關(guān)鍵詞? ? 自動(dòng)氣象站;深層地溫;傳感器檢定;套管積水

中圖分類號(hào)? ? P414.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）02-0185-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? This article dealt with the problem of water accumulation in the deep ground temperature casing at the backup station of the National Basic Meteorological Observation Station of Gucheng County.The deep ground temperature sensor was periodically checked，and the deep ground temperature data before and after the verification were compared and analyzed.The results showed that the water accumulation in the casing of 80 cm and 320 cm was mainly caused by precipitation.The water accumulation in the casing causing abnormal high ground temperature data in the deep layer，the ground temperature was 13.21 ℃ higher than normal in the 80 cm and 13.18 ℃ higher in the 320 cm.After the treatment of the accumulated water，the deep ground temperature of the backup station returned to normal，the data of the two stations had good consistency.At the same time，in order to ensure the normal operation of the deep ground temperature sensor and the accurate and reliable observation data，periodic verification and maintenance should be carried out according to the prescribed time，especially the daily maintenance and inspection of deep ground temperature water intake after precipitation.

Key words? ? automatic weather station;deep ground temperature;sensor verification;casing water

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和氣象現(xiàn)代化建設(shè)的不斷投入，我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)了地面氣象觀測(cè)的自動(dòng)化或半自動(dòng)化，提高了地面氣象觀測(cè)的質(zhì)量和效率。目前，湖北省已建成80多個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站和2 500多個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站，形成了較為完善的氣象觀測(cè)網(wǎng)。

自動(dòng)氣象站觀測(cè)設(shè)備由于長(zhǎng)期暴露在空氣、雨雪、土壤中，周圍環(huán)境變化劇烈，容易發(fā)生故障，影響觀測(cè)質(zhì)量[1-3]。其中，深層地溫傳感器發(fā)生故障及異常尤為突出。許多氣象工作者對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了研究，成喜良[4]對(duì)采集器接地不規(guī)范引起的深層地溫傳感器故障進(jìn)行了總結(jié);任麗梅等[5]針對(duì)梅河口市氣象站深層地溫傳感器采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)間歇性故障進(jìn)行了分析處理;張運(yùn)洲等[6]運(yùn)用電阻測(cè)量法和數(shù)據(jù)分析法對(duì)鉑電阻溫度傳感器的故障進(jìn)行了分析;曾? 濤等[7]從電磁干擾角度入手分析了自動(dòng)氣象站溫度傳感器的常見(jiàn)故障，更多的氣象工作者從傳感器性能老化、設(shè)備故障及觀測(cè)場(chǎng)地形、土壤方面進(jìn)行分析[8-10]。從套管積水方面入手的研究比較少，對(duì)由積水引起的深層地溫?cái)?shù)據(jù)異常的研究也處于空白。

1? ? 故障排查

根據(jù)《中華人民共和國(guó)計(jì)量法》《中華人民共和國(guó)氣象法》和《JJG（氣象）002—2015自動(dòng)氣象站鉑電阻溫度傳感器》[11]（以下簡(jiǎn)稱：檢定規(guī)程）的要求，每2年對(duì)溫度傳感器進(jìn)行1次周期檢定，以保證氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文對(duì)襄陽(yáng)市谷城縣國(guó)家基本氣象觀測(cè)站深層地溫傳感器套管內(nèi)積水問(wèn)題進(jìn)行了處理，并對(duì)檢定前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以確定深層地溫套管內(nèi)積水對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

1.1? ? 資料來(lái)源

為了確定深層地溫套管內(nèi)積水對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，選取2套自動(dòng)站2018年5月1—25日期間逐小時(shí)的深層地溫?cái)?shù)據(jù)。其中，檢定前對(duì)比時(shí)間為5月1—12日，檢定后的對(duì)比時(shí)間為5月14—25日，13日對(duì)地溫傳感器進(jìn)行檢定及積水處理，不進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，各深度層分別為40、80、160、320 cm。同時(shí)，為了確認(rèn)降水與套管積水的關(guān)系，還調(diào)用了5月1—25日的日累計(jì)降水量。

1.2? ? 故障現(xiàn)象

故障地點(diǎn)為湖北省襄陽(yáng)市谷城縣國(guó)家基本氣象觀測(cè)站，該站主要有2套觀測(cè)系統(tǒng)，在用站型號(hào)為DZZ5，備份站型號(hào)為ZQZ-CⅡ。在檢定過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是備份站80、320 cm深層地溫套管內(nèi)嚴(yán)重積水，在對(duì)木桿插拔過(guò)程中有水從套管內(nèi)溢出，且備份站數(shù)據(jù)存在異常偏高問(wèn)題。

1.3? ? 原因分析

深層地溫套管內(nèi)積水多為觀測(cè)場(chǎng)場(chǎng)地造成的，場(chǎng)地不平整及植被覆蓋不均勻，容易造成部分地方積水，使觀測(cè)數(shù)據(jù)異常[12];場(chǎng)地土壤成分復(fù)雜，有石塊等雜質(zhì)也會(huì)引起套管內(nèi)積水;或者地溫傳感器安裝不當(dāng)，套管與地下土層貼合不好，有空隙，這種情況建議重新安裝，并用質(zhì)地均勻的細(xì)土進(jìn)行填充;可能是套管口防水效果不好，雨水從套管口流入套管內(nèi)，或者是套管有破損，雨水從土壤滲入套管內(nèi)。

1.4? ? 故障排除

深層地溫套管內(nèi)積水會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)不具備代表性，要將積水清理干凈，用一根頭部綁敷棉花或海綿的細(xì)竹竿插入管內(nèi)將水吸出，反復(fù)多次進(jìn)行，直至將套管內(nèi)的積水吸干。同時(shí)，對(duì)套管口做好防水措施，比如在提環(huán)上扣上塑料瓶。如果發(fā)現(xiàn)深層套管內(nèi)頻繁積水，則需要檢查是套管口進(jìn)水還是套管破損，如果是套管破損，則需要更換新管。

1.5? ? 溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定

根據(jù)檢定規(guī)程要求，深層地溫傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定設(shè)備采用RTC-158B型溫度校準(zhǔn)儀，使用無(wú)水乙醇作為控溫介質(zhì)，設(shè)備波動(dòng)度為0.015 ℃/30 min，均勻度為0.015 ℃。標(biāo)準(zhǔn)器采用RCY-1A型二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，設(shè)備具體性能參數(shù)見(jiàn)表1。

選取-10、0、20、50 ℃共4個(gè)溫度作為檢定點(diǎn)，采用比較法的方式，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和備份站ZQZ-CⅡ深層地溫傳感器插入到控溫介質(zhì)中，使被檢溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在同一溫度環(huán)境下進(jìn)行測(cè)溫，并將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯?10 ℃檢定點(diǎn)最大誤差絕對(duì)值為0.1 ℃，在0、20、50 ℃檢定點(diǎn)最大誤差絕對(duì)值為0.2 ℃，均小于規(guī)定的最大允許誤差±0.3 ℃。由此表明，4支溫度傳感器符合檢定規(guī)程要求，性能良好，備份站深層地溫?cái)?shù)據(jù)異常與溫度傳感器無(wú)關(guān)，其數(shù)據(jù)異常是套管內(nèi)積水引起的。

2? ? 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1? ? 方法

本文主要采用分析方法，利用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)中的差值平均值、超差率、相關(guān)系數(shù)，對(duì)兩站深層地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[13-15]。

2.2? ? 結(jié)果分析

由于將在用站和備份站數(shù)據(jù)按照同一日期進(jìn)行比較才有意義，故備份站所缺測(cè)的數(shù)據(jù)不做分析。在用站有效樣本數(shù)為1 152個(gè)（缺測(cè)率為0），備份站80 cm深層地溫由于采集器故障造成5月21—25日數(shù)據(jù)缺測(cè)，總有效樣本數(shù)為1 032個(gè)（缺測(cè)率為10.42%）。40 cm深層，檢定前兩站地溫一致性好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.976 5，備份站比在用站平均高0.009 4 ℃。檢定后，兩站地溫變化基本一致，但是由于備份站5月25日的數(shù)據(jù)異常，出現(xiàn)了較高的超差率，為27.43%，檢定后兩站的相關(guān)系數(shù)也比較低，為0.201 6。80 cm深層，由于套管內(nèi)積水使備份站與在用站的差值均值為6.742 0，超差率為52.43%，致使相關(guān)系數(shù)也很低，為0.682 4，檢定后，超差率降低為21.43%，相關(guān)系數(shù)提高為0.748 1。160 cm深層，檢定前后變化不大，兩站地溫一致性強(qiáng)，超差率為0，相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.99以上。320 cm深層，檢定前備份站地溫長(zhǎng)期異常偏高，差值均值為13.238 2，超差率為100%，經(jīng)過(guò)檢定及處理積水后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，兩站差值均值為-0.236 4，超差率為0，相關(guān)系數(shù)也恢復(fù)至正常水平，為0.933 9（表3）。

為了確定套管內(nèi)積水與降水的關(guān)系，用備份站與在用站地溫溫度差值與日累計(jì)降水量進(jìn)行了對(duì)比分析（圖1），深層地溫處于地下深處，周圍環(huán)境比較穩(wěn)定，溫度日變化不大[16]，因而選取8：00數(shù)據(jù)作為當(dāng)日的溫度代表值。40 cm深層，檢定前后兩站地溫差值比較小，由于25日的降水，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)發(fā)現(xiàn)備份站地溫套管內(nèi)發(fā)生了積水，使得40 cm數(shù)據(jù)異常偏高15.5 ℃，這也是檢定后兩站數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)較低的原因，見(jiàn)圖1（a）。80 cm深層，由于6日的降水導(dǎo)致套管內(nèi)積水，使得備份站地溫異常偏高，差值平均值為12.87 ℃，13日經(jīng)過(guò)檢定及處理積水后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，兩站數(shù)據(jù)差值平均值為0.14 ℃，在經(jīng)過(guò)17日、18日的降水后，發(fā)現(xiàn)備份站地溫套管積水，數(shù)據(jù)持續(xù)異常，兩站數(shù)據(jù)差值平均值為14.25 ℃，之后由于采集器故障，數(shù)據(jù)缺測(cè)。2次降水都會(huì)引起套管內(nèi)積水并導(dǎo)致溫度異常偏高，說(shuō)明80 cm深層地溫?cái)?shù)據(jù)異常偏高與降水導(dǎo)致的套管積水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其套管內(nèi)反復(fù)積水，有可能是套管破損，建議進(jìn)行更換，見(jiàn)圖1（b）。160 cm深層，檢定前后兩站數(shù)據(jù)一致性較好，降水對(duì)兩站數(shù)據(jù)影響不大，日地溫平均差值為0.12 ℃，見(jiàn)圖1（c）。320 cm深層，備份站由于持續(xù)受積水的影響，使其測(cè)得的溫度值長(zhǎng)期異常偏高，其數(shù)值比較穩(wěn)定，與在用站相比平均高13.18 ℃，由于5月6日的降水，套管內(nèi)有溫度高于積水溫度的雨水注入，備份站與在用站的差值增加至15.5 ℃，隨著積水溫度的降低，7日又減小至12.8 ℃，降至平均值左右，說(shuō)明320 cm深層地溫異常與降水導(dǎo)致的套管積水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在檢定及維護(hù)處理后，兩站地溫?cái)?shù)據(jù)一致性很高，平均差值為0.22 ℃，經(jīng)過(guò)數(shù)次降水天氣后沒(méi)有出現(xiàn)異常值，說(shuō)明其防水措施取得了較好的效果，見(jiàn)圖1（d）。

3? ? 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)備份站ZQZ-CⅡ深層地溫傳感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定，得出的檢定數(shù)據(jù)符合檢定規(guī)程的要求，深層地溫傳感器性能良好，其數(shù)據(jù)異常與溫度傳感器無(wú)關(guān)，是由套管內(nèi)積水引起。

（2）通過(guò)對(duì)日降水量與兩站深層地溫差值的分析和現(xiàn)場(chǎng)檢查，確定谷城縣國(guó)家基本氣象觀測(cè)站備份站ZQZ-CⅡ深層地溫套管內(nèi)積水主要是由降水引起的，在用站DZZ5深層地溫沒(méi)有發(fā)生進(jìn)水現(xiàn)象，其防水措施要優(yōu)于備份站深層地溫。備份站80 cm深層地溫反復(fù)積水，有可能是套管破損，導(dǎo)致雨水從裂縫處流進(jìn)套管，建議進(jìn)行更換;320 cm深層地溫排除積水后并在提環(huán)上扣上塑料瓶后，防水性能得到提高，深層地溫?cái)?shù)據(jù)恢復(fù)了正常。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)深層地溫溫度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定及檢定前后兩站深層地溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析，確定備份站ZQZ-CⅡ深層地溫80、320 cm套管內(nèi)積水會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)異常偏高，且其數(shù)據(jù)異常偏高與降水導(dǎo)致的套管內(nèi)積水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中80 cm偏高13.21 ℃，320 cm偏高13.18 ℃。

（4）為了確保深層地溫的正常運(yùn)行和觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)按照規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行周期檢定和相關(guān)維護(hù)工作，尤其是要做好日常維護(hù)和降水后檢查深層地溫進(jìn)水情況。

4? ? 展望

本文對(duì)氣象觀測(cè)站由套管積水引起的深層地溫傳感器故障進(jìn)行了分析，提出了保障建議，并闡明了定期進(jìn)行檢定和維護(hù)工作的必要性。通過(guò)對(duì)深層地溫?cái)?shù)據(jù)和降水資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)深層地溫?cái)?shù)據(jù)異常偏高與降水引起的套管內(nèi)積水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于使用的分析數(shù)據(jù)有限，所得到的由降水引起的深層地溫?cái)?shù)據(jù)偏高結(jié)論具有一定的局限性，后期需要對(duì)更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以得到更有代表性的結(jié)論。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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