樂都水文站RS-WS-GPRS-6系列自動氣溫儀器應用分析

摘 要：氣溫是水文氣象要素中較為重要的一個輔助觀測項目，其變化趨勢與流域降水、徑流量等水文要素有密切的聯(lián)系。在氣溫自動化監(jiān)測儀器的應用方面，現(xiàn)通過對比觀測試驗分析該領域的RS-WS-GPRS-6系列自動氣溫儀器是否適應某地區(qū)復雜的天氣條件和周邊環(huán)境，是否有很好的靈敏度和精確度，能否取代傳統(tǒng)人工觀測。

關鍵詞：水文站;自動氣溫;水文現(xiàn)代化

0? ? 引言

在同樣的觀測條件下，以測站氣溫表觀測的數(shù)據(jù)為標準開展自動化設備氣溫對比觀測試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和計算，從準確性、可靠性和穩(wěn)定性等方面對參試儀器的性能和適用性進行分析。

1? ? 基本情況

1.1? ? 測站及氣象觀測場情況

樂都水文站是湟水下游干流控制站，設在黃河流域湟水水系湟水上，地處青海省海東市樂都區(qū)碾伯鎮(zhèn)下教場村，距西寧市約70 km，位于東經(jīng)102°25′、北緯36°29′，集水面積13 025 km2，距河源245 km，距河口129 km。樂都水文站是國家重要水文站、中央報汛站。

觀測場場地面積為64 m2（8 m×8 m），防護欄為不銹鋼管，場內鋪設觀測小路，場地海拔1 971 m，場地地面平整，場地內的植物高度均不超過20 cm[1]。觀測場內各個儀器之間互不影響。

1.2? ? 對比觀測條件介紹

為了保證參試儀器的觀測具有可比性，本次對比觀測試驗的試驗環(huán)境選取與傳統(tǒng)氣溫觀測同樣地面高度的百葉箱，避免陽光直射以及空氣擾動對溫度和濕度觀測的影響;自動監(jiān)測設備的感應部位與氣溫表感應部位平齊，確保對比觀測試驗獲得的數(shù)據(jù)具有真實的可比性。

本次氣溫對比觀測試驗確定以人工觀測的水銀氣溫表作為參照標準的測量儀器，進行對比觀測。該氣溫表長期在測站用來觀測氣溫，本次參試儀器也已通過安全性試驗、環(huán)境適應性試驗等出廠檢驗標準，確認質量檢驗合格。

由于自動化設備的靈敏度較高，氣溫的分辨率為0.1 ℃，所以對比觀測時須做到即開箱門即讀數(shù)，保證試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

1.3? ? 儀器介紹

本次對比觀測試驗儀器RS-WS-GPRS-6系列自動氣溫儀器是一款采用新型傳感技術的數(shù)字化溫濕度變送器，其將溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測、信號處理、數(shù)字變換、串行數(shù)字接口及數(shù)字校準全部集合到同一個芯片模塊中，可以同時測量目標對象的溫度和濕度，實現(xiàn)數(shù)字式輸出，只需一張移動或者聯(lián)通的SIM卡，就可以通過網(wǎng)絡基站以GPRS方式將采集的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到服務器。

該儀器采用瑞士進口原裝高品質溫濕度測量單元，結構緊湊，具有測量精度高、抗干擾能力強等特點，保證了儀器的優(yōu)異測量性能;充分利用已架設好的GPRS通信網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，達到集中監(jiān)控溫濕度數(shù)據(jù)的目的。

該參試儀器具備穩(wěn)定的性能參數(shù)，感應探頭的溫度量程為-40～+80 ℃，濕度的量程為0%RH～100%RH，能適應極限氣候條件下的氣溫和濕度的觀測，數(shù)據(jù)遠程上傳默認設置為每2 s一次，溫度分辨率為0.1 ℃，數(shù)據(jù)刷新時間為1 s。

2? ? 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1? ? 資料選取

儀器安裝完成并配置好相應的參數(shù)之后，立即開始試驗對比觀測。從4月1日開始至9月30日，選擇每日08：00氣溫同步觀測[2]，氣溫對比觀測數(shù)據(jù)共183個，為了與人工整編資料做對比分析，自動氣溫摘錄08：00氣溫自動監(jiān)測值。

2.2? ? 數(shù)據(jù)處理

每次同步觀測完之后，及時收集數(shù)據(jù)進行初步分析，進行數(shù)據(jù)質量控制并確認數(shù)據(jù)的有效性。由于參試儀器測量溫度的感應探頭靈敏度較高，分辨率為0.1 ℃，為了與標準氣溫表（分辨率為0.5 ℃）的計量基準進行比較，將參試儀器的觀測數(shù)據(jù)做進位處理，進位成0.5 ℃的觀測值，確保對比觀測數(shù)據(jù)的可比性。

2.3? ? 套繪氣溫過程線分析

以日期為橫坐標，氣溫為主縱坐標，套繪自動氣溫監(jiān)測儀與人工觀測氣溫過程線，在同一張圖上，以絕對誤差作為次縱坐標軸繪制絕對誤差分析圖，如圖1所示。

從圖1來看，自動氣溫監(jiān)測與人工同步觀測的氣溫趨勢一致，在氣溫發(fā)生突變時會出現(xiàn)絕對誤差。

2.4? ? 誤差統(tǒng)計分析

對自動氣溫監(jiān)測儀與人工對比觀測數(shù)據(jù)進行誤差統(tǒng)計分析，如表1所示。

絕對誤差為0的樣本占比為86.34%，絕對誤差為±0.5 ℃的樣本占比為13.11%，絕對誤差為±1 ℃的樣本占比為0.55%，從樣本占比來看，兩種儀器的觀測數(shù)據(jù)誤差均較小。

2.5? ? 月平均氣溫誤差統(tǒng)計

對自動氣溫監(jiān)測儀與人工對比觀測月平均氣溫數(shù)據(jù)進行誤差及合格率統(tǒng)計，氣溫數(shù)據(jù)絕對誤差小于等于±0.5 ℃為合格，統(tǒng)計對比觀測時段內的合格天數(shù)，計算月、時段合格率，如表2所示。

經(jīng)儀器對比觀測，月合格率在96.7%～100%，時段合格率達到了99.5%，儀器合格率較高。

2.6? ? 特征值誤差統(tǒng)計

對自動氣溫監(jiān)測儀與人工對比觀測月特征值數(shù)據(jù)及發(fā)生時間進行統(tǒng)計，氣溫數(shù)據(jù)絕對誤差小于等于±0.5 ℃為合格，如表3所示。

從對比觀測的數(shù)據(jù)分析來看，對比觀測數(shù)據(jù)無系統(tǒng)偏差，各月特征值誤差也都符合評定標準，各月特征值發(fā)生時間一致。

2.7? ? 系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)誤差由以下公式計算：

P=∑（Ai-A）

式中：P為系統(tǒng)誤差;Ai為某個量的觀測值（采用新儀器或新方法的觀測值）;A為某個量的真值（采用傳統(tǒng)儀器或方法的觀測值）;n為觀測次數(shù)。

P≤±0.5 ℃則符合評定標準[3]，經(jīng)計算得出P=0.03 ℃，符合評定標準。

3? ? 結論與建議

緊隨水文現(xiàn)代化的腳步，自動化監(jiān)測設備的分析研究與應用勢必成為傳統(tǒng)水文新的發(fā)展思路。從監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以看出，RS-WS-GPRS-6系列自動氣溫儀器可以代替人工觀測。在批復正式投入使用之后應加強日常檢查維護保養(yǎng)，對于觀測中存在的問題，查找原因，及時解決，根據(jù)本站需求設置好設備采集量的上限值和下限值，并開啟溫濕度上下限短信告警，溫濕度超限后會收到短信告警。斷電或供電恢復應設置短信或振鈴告警，以及時了解設備的運行情況。在比對過程中儀器之間的數(shù)據(jù)偏差太大，則需設置溫濕度偏差值，校準設備的溫濕度值。須及時為SIM卡繳費，以保證數(shù)據(jù)可以完整、不間斷地上傳至服務器，使先進儀器發(fā)揮最大的作用，為水文信息現(xiàn)代化提供參考依據(jù)。

[參考文獻]

[1] 青海省水文水資源測報中心.2020年樂都水文站氣溫對比報告[R].西寧：青海省水文水資源測報中心，2020.

[2] 降水量觀測規(guī)范：SL 21—2015[S].

[3] 關于印發(fā)《青海省水文儀器對比觀測分析規(guī)程（試行）》的通知：青水文〔2020〕15號[A].

收稿日期：2021-08-19

作者簡介：馬桂芳（1991—），女，青海人，工程師，研究方向：水文測報。