基于超聲波的蒸發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)誤差研究

呂玉嫦，黃飛龍，陳冰懷

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

自2012年全國(guó)地面氣象綜合觀測(cè)自動(dòng)化推進(jìn)以來(lái)，基于超聲波測(cè)距技術(shù)的蒸發(fā)量觀測(cè)項(xiàng)目替代人工蒸發(fā)，成為大規(guī)模推廣的業(yè)務(wù)自動(dòng)觀測(cè)的一部分。作為一種新的自動(dòng)觀測(cè)項(xiàng)目，數(shù)據(jù)對(duì)比分析和應(yīng)用已經(jīng)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。沈艷等［1］研究認(rèn)為自動(dòng)觀測(cè)值大于人工觀測(cè)值，但自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系；羅永祥等［2］對(duì)比分析認(rèn)為自動(dòng)蒸發(fā)與小型蒸發(fā)觀測(cè)差異較大，但自動(dòng)蒸發(fā)較為準(zhǔn)確。然而蒸發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)誤差分析以及改進(jìn)方法的研究很少。支詢等［3］認(rèn)為影響蒸發(fā)的主要?dú)庀笠蜃訛榈乇頊囟群拖鄬?duì)濕度，風(fēng)速在影響蒸發(fā)中起的作用較小，但這一結(jié)論明顯不適用于沿海及沿河風(fēng)大地區(qū)。方紅娟［4］發(fā)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)相比人工觀測(cè)蒸發(fā)量偏大，但僅在觀測(cè)員維護(hù)裝置和儀器方面作了論述，未深入分析誤差原因。實(shí)際上，蒸發(fā)量觀測(cè)要求精度高、水體容易滋生藻類、水面容易受環(huán)境影響產(chǎn)生波動(dòng)、觀測(cè)裝置復(fù)雜故障點(diǎn)多等因素導(dǎo)致自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性和可信度都受到很大的影響。本研究對(duì)蒸發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)的誤差進(jìn)行了分析，對(duì)主要問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)并探討解決辦法。

1 蒸發(fā)量自動(dòng)觀測(cè)方法

超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)采用的就是超聲波測(cè)距技術(shù)。傳感器探頭發(fā)出超聲波并接受被水面反射回來(lái)的超聲波，通過(guò)記錄發(fā)射和接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算水面離探頭的距離。超聲波蒸發(fā)傳感器選用高精度的超聲波探頭，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿內(nèi)水面高度變化進(jìn)行檢測(cè)之后轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)輸出。由于超聲波傳播速度受空氣溫度影響，傳感器還配置了PT100溫度校正部件，以保證在使用溫度范圍內(nèi)的測(cè)量精度。目前氣象自動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)采用的改進(jìn)型超聲波蒸發(fā)傳感器提高了抗干擾能力和測(cè)量性能，使氣象臺(tái)站能準(zhǔn)確獲取蒸發(fā)數(shù)據(jù)［5］。

使用超聲波蒸發(fā)傳感器的觀測(cè)裝置如圖1所示［6］，蒸發(fā)桶直徑為61.8 cm，溢流口離上邊沿6 cm，圓柱部分深60 cm，圓錐部分深8.7 cm。在離蒸發(fā)桶上邊沿40 cm的位置通過(guò)連通管將桶內(nèi)的水引導(dǎo)至3 m遠(yuǎn)的傳感器測(cè)量筒內(nèi)，位于測(cè)量筒上部的傳感器探頭通過(guò)測(cè)量筒內(nèi)水面的距離來(lái)確定蒸發(fā)桶的水位變化，傳感器放置在地面百葉箱內(nèi)，避免太陽(yáng)輻射和風(fēng)雨的干擾。

圖1 蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)裝置示意圖

蒸發(fā)傳感器的測(cè)量范圍為0～100 mm，即需要將蒸發(fā)桶的水位高度控制在傳感器下方垂直距離100 mm以內(nèi)。根據(jù)蒸發(fā)量的氣象觀測(cè)要求，數(shù)據(jù)采集器每分鐘進(jìn)行小時(shí)累計(jì)蒸發(fā)量的計(jì)算，計(jì)算方法是將小時(shí)初值水位減去當(dāng)前水位，若得到的數(shù)據(jù)為負(fù)值，則小時(shí)蒸發(fā)量按0記錄。

2 誤差分析

在國(guó)際氣象組織的氣象觀測(cè)指南里，簡(jiǎn)要概括了采用蒸發(fā)器觀測(cè)的誤差主要來(lái)源有額外的輻射能、材料的腐蝕和漏水增加了蒸發(fā)量，水面的濺落波動(dòng)、大雨及強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致測(cè)量無(wú)效等［7］?；诔暡ǖ淖詣?dòng)觀測(cè)方法考慮了上述誤差來(lái)源：通過(guò)百葉箱保護(hù)和連通管消除太陽(yáng)輻射、水面濺落、大雨和強(qiáng)風(fēng)的影響，通過(guò)采用先進(jìn)的材料和成熟的工藝避免腐蝕和漏水影響。然而實(shí)際使用中，大型蒸發(fā)桶和蒸發(fā)傳感器是處于惡劣的野外露天環(huán)境，各個(gè)臺(tái)站的氣候環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和維護(hù)頻次又有所區(qū)別，蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)的準(zhǔn)確性仍然受多種因素影響。

2.1 水溫變化

任意選取8月12日19：52—14日18：32（北京時(shí)，下同）晴朗無(wú)雨時(shí)廣州市國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)，畫出蒸發(fā)桶水位日變化趨勢(shì)如圖2所示，水位沒(méi)有隨著蒸發(fā)量的增加直線下降，而是具有一定的反復(fù)漲落變化，其漲落的局部低點(diǎn)和局部高點(diǎn)與氣溫的最高、最低出現(xiàn)的時(shí)間基本一致，顯示出水位與氣溫具有相關(guān)性。

圖2 8月12日19：52—14日18：32水位和氣溫隨時(shí)間變化

地面觀測(cè)站的設(shè)備都在檢定有效期內(nèi)工作，在確定沒(méi)有降雨增水和觀測(cè)員人工補(bǔ)水的情況下，水位隨氣溫的緩慢上升和緩慢下降，初步判斷是由于蒸發(fā)桶內(nèi)的液態(tài)水隨氣溫的變化冷縮熱漲造成的。通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證如下。

蒸發(fā)桶圓錐形部分為高8.7 cm，體積相當(dāng)于其高的1/3（即2.9 cm）圓柱體。蒸發(fā)桶整體按圓柱體模型來(lái)計(jì)算，高度為62.9 cm。正常情況下水位應(yīng)該保持在溢流口以下10 cm范圍內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)觀測(cè)，即水位應(yīng)當(dāng)在整體圓柱體模型的46.9～56.9 cm范圍內(nèi)。設(shè)早晨水溫在25℃的時(shí)候（水密度為0.997 048 g/cm3）水位為50 cm，在中午33℃的時(shí)候（水密度為0.994 707 g/cm3），水位為50.12 cm。由于水的密度隨水溫變化，水位跟隨水溫（水溫與氣溫密切相關(guān)）變化，會(huì)呈現(xiàn)明顯的漲落，變化量的絕對(duì)值與蒸發(fā)桶的水深度有關(guān)，與蒸發(fā)桶的水平截面積無(wú)關(guān)。水位上漲量ΔL（mm）計(jì)算如下：

其中，L0、ρ0分別為初始時(shí)刻水位高度（cm）和水密度（g/cm3）；Lt、ρt分別為t時(shí)刻的水位高度（cm）和水密度（g/cm3）。

該過(guò)程中水位跟隨水溫的變化為1.2 mm，對(duì)于日蒸發(fā)量而言是一個(gè)不小的誤差。該過(guò)程中如果真實(shí)蒸發(fā)量＞1.2 mm，則自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，水位上漲將抵消掉1.2 mm的蒸發(fā)量；如果真實(shí)蒸發(fā)量＜1.2 mm，則自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)記蒸發(fā)量為0 mm。

考慮水的冷縮熱漲，自動(dòng)測(cè)量的小時(shí)蒸發(fā)量Em（mm）為

其中，Ea為真實(shí)的小時(shí)蒸發(fā)量（mm），為正值；ΔL為小時(shí)內(nèi)水位的上漲量（mm），若ΔL為負(fù)則表示水溫下降，水位收縮。

大多數(shù)情況下，小時(shí)內(nèi)只有水位收縮量或者上漲量。隨著氣溫升高，水溫升高，水位上漲，這個(gè)過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量的蒸發(fā)量偏小甚至為0；隨著下午和晚上水溫下降，水位下落，這個(gè)過(guò)程自動(dòng)測(cè)量的蒸發(fā)量必然偏大。因此小時(shí)蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)受水溫變化的影響，具有較大的偏差。

水溫從日最低升到日最高每1 h內(nèi)，水位上漲，自動(dòng)小時(shí)蒸發(fā)量都比真實(shí)蒸發(fā)量偏小：ΔL＞0，Em＜Ea。特別地，如果升溫時(shí)速度很快，上漲時(shí)真實(shí)蒸發(fā)量小于水位上漲量，自動(dòng)蒸發(fā)量將會(huì)被記為0，即Ea＜ΔL時(shí)，按照觀測(cè)要求記Em=0。

當(dāng)水溫從日最高降到日最低，水溫逐步下降，水位逐步收縮，期間每1 h的自動(dòng)蒸發(fā)量都比真實(shí)蒸發(fā)量偏大，即ΔL＞0，Em＞Ea。

日蒸發(fā)量是以20：00為日界的24 h的小時(shí)蒸發(fā)量之和。水溫上升階段累計(jì)的小時(shí)蒸發(fā)量比真實(shí)蒸發(fā)量偏小，水溫下降階段累計(jì)的小時(shí)蒸發(fā)量比真實(shí)蒸發(fā)量偏大，當(dāng)偏小和偏大剛好抵消，日蒸發(fā)量是準(zhǔn)確的。否則日蒸發(fā)量將會(huì)偏大，因?yàn)闇厣俣瓤斓臅r(shí)候，小時(shí)蒸發(fā)量被記為0而非負(fù)值，而溫度下降的時(shí)候偏大的小時(shí)蒸發(fā)量一直被正常記錄。

為了進(jìn)一步證實(shí)水溫變化對(duì)自動(dòng)測(cè)量的小時(shí)蒸發(fā)量的影響，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：使用DZZ1-2型區(qū)域自動(dòng)氣象站對(duì)廣州市黃埔區(qū)地面氣象觀測(cè)站的大型蒸發(fā)池進(jìn)行水溫測(cè)量，記錄每天正點(diǎn)時(shí)刻的水溫和蒸發(fā)水位。通過(guò)式（1）計(jì)算水位上漲量ΔL，再通過(guò)式（2）得到消除了水溫變化影響的真實(shí)蒸發(fā)量，總結(jié)水溫上升階段和下降階段蒸發(fā)量的特點(diǎn)。

表1 1月分段的小時(shí)等溫蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量

如表1所示，取1月2—5日的小時(shí)蒸發(fā)量分析，由于在水溫連續(xù)上升或者連續(xù)下降的幾個(gè)小時(shí)中，真實(shí)的蒸發(fā)量和自動(dòng)測(cè)量誤差都會(huì)積累，采用連續(xù)幾個(gè)小時(shí)的分段累計(jì)數(shù)據(jù)分析更容易發(fā)現(xiàn)小時(shí)蒸發(fā)量的誤差規(guī)律。表1中記錄了每日20：00日水溫最大值和最小值對(duì)應(yīng)的水溫和水位，計(jì)算每日水位上升時(shí)段和下降時(shí)段的實(shí)測(cè)蒸發(fā)量和等溫蒸發(fā)量。表1中實(shí)測(cè)水位指地面業(yè)務(wù)自動(dòng)氣象站測(cè)量的蒸發(fā)水位在蒸發(fā)桶的實(shí)際高度。實(shí)測(cè)蒸發(fā)量指前1個(gè)時(shí)刻實(shí)測(cè)水位與當(dāng)前時(shí)刻實(shí)測(cè)水位之差，即為這一時(shí)段內(nèi)的自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)量。

圖3 蒸發(fā)量隨溫差的變化

圖3 直觀地表現(xiàn)了表1中自動(dòng)儀器實(shí)測(cè)蒸發(fā)量隨水溫變化產(chǎn)生的偏差規(guī)律。從圖3可見在水溫下降時(shí)段，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量比真實(shí)蒸發(fā)量大，幅度與水溫下降幅度成正比；在水溫上升時(shí)段，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量比真實(shí)蒸發(fā)量小，幅度與水溫上升幅度成正比。

綜上所述，根據(jù)當(dāng)前觀測(cè)方法要求所計(jì)算的小時(shí)蒸發(fā)量誤差較大，水溫升降時(shí)段的自動(dòng)觀測(cè)趨勢(shì)與實(shí)際情況相反：水溫上升階段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏小，水溫下降階段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏大，溫差越大，誤差越大。而日蒸發(fā)量誤差主要由日水溫差決定：溫差為正，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏小，溫差為負(fù)，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏大，溫差越大差異越大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)里面并沒(méi)有出現(xiàn)水溫上升時(shí)段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量為0的情況，因?yàn)樵囼?yàn)期間沒(méi)有快速升溫天氣；如果出現(xiàn)這種情況，溫升階段的小時(shí)蒸發(fā)量誤差和日蒸發(fā)量誤差更加明顯。因此，使用水溫修正蒸發(fā)量是有效的而且是必要的，對(duì)于數(shù)據(jù)的對(duì)比和應(yīng)用都具有很大的意義。

2.2 降雨量

根據(jù)觀測(cè)要求，蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)要考慮降雨的影響［8-9］，若因降雨使小時(shí)和日蒸發(fā)量出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，該值將按0.0 mm處理［1］?？紤]降雨影響的時(shí)候需要使用雨量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，但由于降雨在空間分布實(shí)際上是不均勻的，并且儀器誤差不同，同一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的兩個(gè)雨量傳感器觀測(cè)到的數(shù)據(jù)也有所不同［10］。雨量觀測(cè)最大允許誤差為±4%［11］，但對(duì)于測(cè)量分辨力要求為0.1 mm、最大允許誤差為±2%的蒸發(fā)量來(lái)說(shuō)，雨量測(cè)量誤差可能會(huì)大于實(shí)際的蒸發(fā)量。再加上雨量傳感器和蒸發(fā)桶的承水器高度和承水器邊沿風(fēng)速變化不同，承接降雨的差別很大。當(dāng)出現(xiàn)降雨，尤其是南方多雨季節(jié)，普遍出現(xiàn)的有兩種情況：一種是蒸發(fā)桶承接降雨比雨量傳感器少，小時(shí)蒸發(fā)量（小時(shí)初值水位+降雨量-當(dāng)前水位）偏大很多；另一種則相反，蒸發(fā)桶承接降雨比雨量傳感器多，造成蒸發(fā)觀測(cè)偏少。珠江流域年平均蒸發(fā)量為1 615.6 mm［12］，日平均蒸發(fā)量?jī)H為4.4 mm，廣州地面氣象觀測(cè)站夏季小時(shí)蒸發(fā)量一般不超過(guò)1.5 mm，因此使用雨量傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算蒸發(fā)量，可能出現(xiàn)觀測(cè)誤差比實(shí)際蒸發(fā)量更大的情況。

降雨會(huì)迅速降低氣溫，增加濕度，進(jìn)而減少蒸發(fā)［13］，在降雨期間停止觀測(cè)雖然會(huì)損失一小部分蒸發(fā)量測(cè)量值，但能夠保證蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和可用性。

2.3 附著氣泡

蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)裝置強(qiáng)調(diào)了連接蒸發(fā)桶和測(cè)量筒之間的水管要略有傾斜，主要是防止在換水和清洗蒸發(fā)桶的時(shí)候，新灌水產(chǎn)生的氣泡會(huì)附著在水管內(nèi)壁。但即使做到這一點(diǎn)，也難以完全避免氣泡附著。氣泡的來(lái)源有幾個(gè)：水管內(nèi)壁并不光滑且難以清潔，時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)長(zhǎng)青苔和其他藻類從而產(chǎn)生氣體；新灌的自來(lái)水包裹著氣泡；氣壓降低或溫度升高時(shí)水體逸出氣體。因此水管內(nèi)壁附著氣泡的概率很大。附著氣泡將對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生兩種影響：隨著外部氣壓變化，氣泡會(huì)膨脹或收縮，造成水位測(cè)量誤差；氣泡不斷變大，浮力增大后從水管冒出來(lái)，造成測(cè)量筒水位突降，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

對(duì)于藻類產(chǎn)生氣體的情況，除了經(jīng)常清洗蒸發(fā)桶，還可以使用硫酸銅等藥物破壞藻類生長(zhǎng)，但是藥物對(duì)于水面張力和附著力的改變對(duì)蒸發(fā)的影響尚待研究。附著氣泡的情況難以完全消除。

2.4 蒸發(fā)表面積

利用連通器原理將大型蒸發(fā)桶的水引導(dǎo)至百葉箱里再測(cè)量，確實(shí)避免了太陽(yáng)輻射帶來(lái)的溫度變化對(duì)超聲波測(cè)量的干擾，也避免了大風(fēng)造成的水面波動(dòng)和雨水濺落造成測(cè)量誤差。由于增加了傳感器測(cè)量筒處的液面，當(dāng)探測(cè)到蒸發(fā)桶水位下降1 mm，實(shí)際是蒸發(fā)桶和測(cè)量筒兩個(gè)容器的液面同時(shí)下降了1 mm。蒸發(fā)桶截面積與兩個(gè)容器截面積之和的比為0.981。儀器廠家通過(guò)調(diào)整傳感器輸出信號(hào)大小，補(bǔ)償了測(cè)量筒容積增大帶來(lái)的影響。實(shí)際變化量用Ca=Cm/0.981來(lái)表示，其中，Cm為測(cè)量得到的變化量（m2）。

但測(cè)量筒增加的不僅僅是液面，由于它不是密封的，還增加了蒸發(fā)量。測(cè)量筒液面蒸發(fā)的速度與蒸發(fā)桶并不成正比，這一部分的蒸發(fā)量所占比例很小并且難以量化，成為系統(tǒng)測(cè)量不確定度來(lái)源的一部分。

3 結(jié)論

1）自動(dòng)測(cè)量誤差的主要因素有水溫變化、降雨量、附著氣泡和蒸發(fā)表面積。

2）小時(shí)蒸發(fā)量誤差較大，水溫升降時(shí)段的自動(dòng)觀測(cè)趨勢(shì)與實(shí)際情況相反：水溫上升階段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏小，水溫下降階段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏大，溫差越大，誤差也越大。

3）日蒸發(fā)量誤差主要由日水溫差決定：溫差為正，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏小，溫差為負(fù)，實(shí)測(cè)蒸發(fā)量偏大，溫差越大差異越大。

由于試驗(yàn)臺(tái)站并非處于晝夜溫差大的地區(qū)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有劇烈升溫情況，尚未觀察到水溫迅速上升時(shí)段實(shí)測(cè)蒸發(fā)量為負(fù)（記為0.0）的情況，如果出現(xiàn)這種情況，溫升階段的小時(shí)蒸發(fā)量誤差和日蒸發(fā)量誤差更加明顯。其次水溫采用平均值來(lái)計(jì)算，不夠精確，進(jìn)一步可以采用插值計(jì)算得到不同深度的水溫，利用積分公式求得精確的水體體積變化量和水位高度。后續(xù)工作將對(duì)水溫變化和蒸發(fā)量的訂正關(guān)系開展進(jìn)一步研究。