海南省自動(dòng)土壤水分站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究

施晨曉，羊清雯，陳珍莉，劉霄燕，王小潔

（海南省氣象信息中心/海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

土壤水分是陸氣相互作用中重要的一環(huán)，它的變化不僅會(huì)影響地表水循環(huán)，而且對(duì)地表蒸發(fā)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。它可以直接影響陸氣間的水分與能量的交換，同時(shí)與地表反照率存在正負(fù)反饋的關(guān)系[1]，認(rèn)識(shí)土壤水分對(duì)理解和預(yù)測(cè)地表溫度、降水、旱澇以及未來氣候變化的影響起到至關(guān)重要的作用[2]。此外，土壤水分是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子之一，是監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱的重要依據(jù)之一，對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義[3-4]。因此，土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)于加強(qiáng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)控，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面開展了很多研究與討論。YILMAZ等[5]利用土耳其自2007年起，共149個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的每10分鐘觀測(cè)1次的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，從時(shí)間序列上討論數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性，并結(jié)合氣溫?cái)?shù)據(jù)輔助修正給出 “可靠”與“不可靠”的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)。LIAO等[6]發(fā)現(xiàn)用于NASMD（北美土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集）的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)控程序在凍土等情況下，不能很好地判別數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，基于78個(gè)土壤水分觀測(cè)站與已進(jìn)行質(zhì)控的土壤水分歷史數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有的質(zhì)控程序改進(jìn)。改進(jìn)后的質(zhì)控程序可以標(biāo)記出虛假和錯(cuò)誤的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，特別是高海拔和高緯度的土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)。DORIGO等[7]利用全球土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤水分觀測(cè)儀器不同以及受外界天氣影響不同會(huì)造成各站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)質(zhì)量有很大的差異，因此需建立一套合適的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制。2013年起，中國(guó)氣象局為了適應(yīng)和滿足土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)效和準(zhǔn)確需求，取消土壤水分人工觀測(cè)，在全國(guó)范圍內(nèi)正式開展自動(dòng)土壤水分觀測(cè)[8-13]。張志富[14]利用全國(guó)人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)土壤水分歷史資料，統(tǒng)計(jì)分析了不同土層、不同土壤水分要素值的分布特點(diǎn)，根據(jù)土壤水分自動(dòng)觀測(cè)原理，提出適用于自動(dòng)站土壤水分小時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)控方案。郭旭等[15]利用人工與自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料，分析統(tǒng)計(jì)不同土層，不同土壤水分要素的氣候極值和時(shí)變閾值，提出適用于四川地區(qū)自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)控方法。胡偉等[16]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，統(tǒng)計(jì)分析不同土層，不同土壤水分要素的歷年分布和極值情況，得到江西省不同土層，不同土壤水分要素的閾值范圍，提出適用于江西省自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)控方法。

目前，海南省業(yè)務(wù)上還沒有一套針對(duì)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效的質(zhì)量控制技術(shù)方案。主要問題在于土壤水分自動(dòng)觀測(cè)資料中的各種錯(cuò)誤，難以實(shí)時(shí)自糾，且驗(yàn)證參考不易衡量，缺少必要的依據(jù)。因此，海南省土壤水分資料實(shí)際應(yīng)用較少。基于這種現(xiàn)狀，根據(jù)土壤水分自動(dòng)站的觀測(cè)原理及觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)并結(jié)合本省氣候特征，提出一種適用于小時(shí)土壤水分觀測(cè)資料的可行質(zhì)量控制方案，試圖尋找土壤水分資料的質(zhì)控應(yīng)用，以提高資料在服務(wù)農(nóng)林、監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境等方面中的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 土壤水分資料

自動(dòng)觀測(cè)土壤水分主要觀測(cè)以下4種要素：土壤體積含水量、土壤重量含水率、土壤相對(duì)濕度、土壤有效貯水量。我省對(duì)土壤水分的觀測(cè)土層分為 5層，分別為 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm。

海南省自2010年起開始安裝建設(shè)自動(dòng)觀測(cè)土壤水分站，除海島臺(tái)站外，全省18個(gè)市縣已完成建設(shè)安裝，2012—2013年陸續(xù)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，2013年起開始對(duì)自動(dòng)觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行審核。全省18個(gè)站的具體站點(diǎn)分布情況見圖1。

圖1 海南島自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)分布圖

2 質(zhì)量控制方法設(shè)計(jì)

為建立適用于海南省自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法，本研究以2013—2018年海南土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先，結(jié)合海南省土壤水分分布特點(diǎn)[17]及本地氣候條件，分析出質(zhì)控要素的整體數(shù)據(jù)特點(diǎn)，并參考觀測(cè)原理初步確定質(zhì)控步驟；其次，對(duì)質(zhì)控要素的歷史資料分不同土層、不同土壤水分要素，同時(shí)結(jié)合不同天氣特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到相應(yīng)的閾值范圍；再者，對(duì)初步設(shè)定的閾值范圍進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，將閾值范圍及質(zhì)控步驟進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使設(shè)定的閾值范圍及質(zhì)控步驟更加合理；最后，擬形成一套完整且符合海南省的土壤水分質(zhì)控方案。

通過分析海南省自動(dòng)站土壤水分小時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)觀測(cè)土壤水分出現(xiàn)異常錯(cuò)誤數(shù)據(jù)情況大致有以下幾種：某一時(shí)次數(shù)據(jù)跳變；儀器不穩(wěn)定或接觸不良造成觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)常出現(xiàn)波動(dòng)；土壤水文物理常數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)異常；因各種客觀原因造成數(shù)據(jù)大量缺測(cè)；由于土壤類型、土壤質(zhì)地等不同，即使在同一地區(qū)，土壤水分也可能存在較大差異[18]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)定以下4種質(zhì)量控制過程：數(shù)據(jù)缺測(cè)處理；土壤體積含水量界限值檢查；各土壤水分要素氣候極值檢查；時(shí)間一致性檢查。

2.1 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制碼的規(guī)定 在質(zhì)控設(shè)計(jì)方案過程中，參考任之花等[19]、張志富[14]研制的全國(guó)自動(dòng)站小時(shí)降水資料、全國(guó)自動(dòng)站土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的質(zhì)控方法，對(duì)海南省自動(dòng)觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控的進(jìn)程中，需要不斷對(duì)待檢數(shù)據(jù)設(shè)置或是修改質(zhì)量控制（QC）碼。QC碼0、1、2、8、9的含義分別為數(shù)據(jù)正確、數(shù)據(jù)可疑、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、無觀測(cè)數(shù)據(jù)/缺測(cè)數(shù)據(jù)、未作質(zhì)量控制[19]。

2.2 質(zhì)控方法及質(zhì)控碼的設(shè)置 首先給每個(gè)即將進(jìn)行質(zhì)控的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)分配一個(gè)初始質(zhì)控碼9（QC碼=9），按照下列質(zhì)控步驟進(jìn)行檢查。每一步的檢查對(duì)象均是QC碼為9的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，是否修改QC碼則是根據(jù)檢查結(jié)果來決定。

2.2.1 數(shù)據(jù)缺測(cè)檢查 數(shù)據(jù)的缺測(cè)情況是反映觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性的重要指標(biāo)之一，數(shù)據(jù)缺測(cè)量越少說明數(shù)據(jù)的完整性越高。在對(duì)2013—2018年S文件和實(shí)時(shí)土壤水分觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，海南省存在大量數(shù)據(jù)缺測(cè)的現(xiàn)象，是所有疑誤數(shù)據(jù)類型中不可忽視的問題。因此，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺測(cè)情況是有必要的。主要方法是逐小時(shí)對(duì)所有土層的土壤體積含水量、土壤重量含水率、土壤相對(duì)濕度、土壤有效貯水量進(jìn)行檢查，當(dāng)遇到缺測(cè)符號(hào)“-”，直接判為某時(shí)次某土層某要素缺測(cè)，QC碼=8，之后的檢查也無需再做。

表1為2013—2018年全省土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)的情況。從表1可看出，年缺測(cè)總數(shù)在逐年增加，其中，2018年全省土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)年缺測(cè)數(shù)達(dá)26 860個(gè)，為6 a最多。1年中缺測(cè)數(shù)最多臺(tái)站的缺測(cè)數(shù)最多月的缺測(cè)率為10%～32%。由此看出，土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性較差，但造成完整性較差的原因是多方面的[18]。

表1 2013—2018 年海南省土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)情況

2.2.2 界限值檢查 界限值檢查主要的質(zhì)控對(duì)象是自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀器直接觀測(cè)的土壤體積含水量，即檢查該土壤水分要素是否超出允許值范圍，即檢查是否存在土壤水分特征上、理論上不可能出現(xiàn)的異常值。

在對(duì)2013—2018年小時(shí)土壤體積含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，海南省大部分臺(tái)站各層土壤體積含水量的上限值可達(dá)60%以上，下限值可至5%以下，結(jié)合DORIGO等[7]、吳東麗等[20]、XIA等[21]的研究，土壤體積含水量一般不能大于60%，因此，將各土層的土壤體積含水量的界限值范圍設(shè)為0%～60%。當(dāng)某一土層的土壤體積含水量超過這一界限范圍，判定該土層的土壤體積含水量錯(cuò)誤（QC 碼=2）。圖2 為瓊山站 2016 年 40 ～50 cm土壤體積含水量的界限值檢查結(jié)果，可以看出，該站在10月18日04:00和06:00出現(xiàn)全年土壤體積含水量的最大值 69.1 g·cm-3（圖2 紅線），數(shù)據(jù)存在超出界限值。經(jīng)核實(shí)，該日受到1 621號(hào)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”的影響，出現(xiàn)較大的強(qiáng)降水導(dǎo)致儀器周邊積水，需等雨水下滲后回落后，值的變化趨于平穩(wěn)才算正常。經(jīng)界限值檢查，數(shù)據(jù)處于較合理的范圍內(nèi)，受降水影響、超出界限的異常值則剔除（圖2藍(lán)線）。

圖2 2016 年瓊山站（59 757）40～50 cm 土壤體積含水量界限值檢查個(gè)例

在該項(xiàng)檢查中，有2點(diǎn)需要說明，一是當(dāng)判定某土層的土壤體積含水量為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)，由于其他土壤水分要素值均是由土壤體積含水量為基礎(chǔ)計(jì)算得來，因此，其相應(yīng)的其他土壤水分要素值均不做其他的后續(xù)檢查。二是如果土壤水分物理常數(shù)本身錯(cuò)誤，那么將直接影響上限和下限值的統(tǒng)計(jì)判斷，從而影響該項(xiàng)檢查的誤判。因此，當(dāng)某臺(tái)站的土壤體積含水量在經(jīng)過此項(xiàng)檢查后，大量數(shù)據(jù)被判定為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，那么應(yīng)首先確認(rèn)土壤水文物理常數(shù)是否正確。

2.2.3 氣候極值檢查范圍的確定 自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)中的氣候極值，指的是在氣候或理論的范圍內(nèi)，某一固定的土壤水分觀測(cè)站的某土壤水分要素值在歷史上出現(xiàn)過的最大或最小值，這類似于地面質(zhì)控中對(duì)氣候?qū)W界限值的定義，即在氣候?qū)W的角度上，不可能出現(xiàn)的臨界值[21-22]。由于考慮到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料的時(shí)效性，該檢查采取的方法是針對(duì)海南省的氣候、各土層土壤水分分布等特點(diǎn)，合理選擇極值的上下界限范圍，如果范圍太大，則會(huì)導(dǎo)致異常偏大或異常偏小的值無法檢查出來；如果范圍太小，則會(huì)造成大量合理的數(shù)據(jù)被誤檢，無法達(dá)到質(zhì)控程序能夠合理和便捷檢查數(shù)據(jù)的目的。

挑取和確定氣候極值的數(shù)據(jù)集主要是2013—2018年的S文件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于萬寧站和陵水站數(shù)據(jù)從2016年1月起才有完整的數(shù)據(jù)序列，因此這2個(gè)站的數(shù)據(jù)集時(shí)間是2016—2018年。挑取和確定的具體方法步驟[23-24]：

（1）根據(jù)上一項(xiàng)界限值檢查，剔除不在界限范圍內(nèi)的土壤體積含水量，利用公式（1）對(duì)其他要素值進(jìn)行計(jì)算[25]，并大致挑取各土層各要素氣候極值范圍（圖3）：

圖3 土壤質(zhì)量含水率 (a)、土壤相對(duì)濕度 (b)和土壤有效貯水量(c)不同土層的極值分布大致范圍

土壤質(zhì)量含水率w(%)可以用土壤體積含水量與土壤容重的比值來表示。

其中，Q表示土壤體積含水量(%)，ρ表示土壤容重(g·cm-3)。

土壤相對(duì)濕度R(%)可以用質(zhì)量含水率占田間持水量的百分比來表示，計(jì)算后取整數(shù)。

其中，fc表示田間持水量(%，用質(zhì)量含水率表示)。

土壤有效貯水量u(mm)是指土壤中含有的大于凋萎濕度的水分貯存量。

其中，h表示土層間的厚度，wk表示凋萎濕度(%，用重量含水率表示)。

（2）由于歷史極值可能存在質(zhì)量問題，直接利用現(xiàn)有的氣候極值設(shè)定的范圍，可能存在一定的誤差、誤檢或漏檢問題。因此為了獲得較準(zhǔn)確的氣候極值的上下界限范圍，應(yīng)先求得各站各土層各土壤水分要素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差 σ，當(dāng)某要素值在 (-3σ,3σ)內(nèi)，保留；反之，則作為粗大值，剔除。剔除后剩下的值再次計(jì)算各站各土層各土壤水分要素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差 σ。

0%＜ 30 cm 以上（含 30 cm）各層小時(shí)平均土壤相對(duì)濕度≤200%；

0%＜30 cm以下各層小時(shí)平均土壤相對(duì)濕度≤150%；

0%＜ 0～10 cm層土壤質(zhì)量含水率≤60%；

0%＜ 10～40 cm層土壤質(zhì)量含水率≤55%；

0%＜ 40～50 cm層土壤質(zhì)量含水率≤50%；

-5 mm＜0～30 cm 層土壤有效貯水量≤60 mm；

-10 mm＜30～50 cm 層土壤有效貯水量≤60 mm。

當(dāng)不同土壤水分要素值超出其相應(yīng)的閾值范圍時(shí)，判定該土層某土壤水分要素錯(cuò)誤（QC碼=2）。

2.2.4 時(shí)間一致性檢查參數(shù)的建立 時(shí)間一致性檢查包括時(shí)變檢查和持續(xù)性檢查兩部分。

（1） 時(shí)變檢查

在無降水的情況下，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，小時(shí)間的變化較小。若有降水發(fā)生、傳感器外壁破裂滲水等其他外界因素影響，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)或跳變。因此，時(shí)變檢查就是檢查某時(shí)次土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的前一小時(shí)變化是否在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。該項(xiàng)檢查在理論上可以確保土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和連貫性。

經(jīng)過界限值檢查和氣候極值檢查后，剔除合理范圍外的數(shù)據(jù)，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)變檢查。由于澄邁站和南濱站的數(shù)據(jù)存在長(zhǎng)期異常的情況，為不影響時(shí)變檢查閾值范圍的挑取，故剔除兩站的數(shù)據(jù)，僅對(duì)剩下的有降水發(fā)生且序列較為穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的16個(gè)臺(tái)站，進(jìn)行全月數(shù)據(jù)的個(gè)例統(tǒng)計(jì)和分析。

以昌江站2015年6月各土層的土壤體積含水量與不同降水過程的對(duì)應(yīng)變化情況為例（圖4）。16 日累積降水量為 13.1 mm，造成 0～10 cm 的土壤體積含水量增加了6.2%；其次是10～20 cm增加了0.1%，其余各層均未受到影響。由于在降水初期，當(dāng)小時(shí)雨量達(dá)到足夠大時(shí)，雨水會(huì)往下滲透，至10～20 cm有小幅度的變化；隨著雨量的增加，雨水不斷向下滲透，至降水過程結(jié)束后，20～30 cm才有小幅度的變化。20日累積降水量為9.0 mm，造成0～10 cm的土壤體積含水量增加了1.2%，其余各層均未受到影響。22日11:00～23日18:00累積降水量達(dá)到59.9 mm，各土層隨時(shí)間均有明顯的變化。其中，22日15時(shí)降水量達(dá)17.0 mm，該小時(shí)各層的土壤體積含水量間分別增加了2.3%、2.8%、3.7%、6.3%、6.4%。這與降水量、水分下滲速度有關(guān)。降水初期累積降水雖較少，但仍存在下滲現(xiàn)象，加之土壤本身涵養(yǎng)的水分，對(duì)20 cm以下土層造成的影響相較于20 cm以上的要小，但也導(dǎo)致了當(dāng)出現(xiàn)較大的降水量時(shí)20 cm以下土層的土壤體積含水量會(huì)迅速增加。通過以上分析可知，不同的累積降水量對(duì)各土層的土壤水分影響有較大的差別，以10～20 cm為界，當(dāng)累積降水量在10.0 mm以下時(shí)，20 cm以下土層均不會(huì)受到影響；由于土壤對(duì)降水有一定的滯后性[17]，當(dāng)累積降水量在 10.0～15.0 mm 時(shí)，30～40 cm 土層由于雨水下滲，在降水發(fā)生后1～2 h內(nèi)，會(huì)有小幅度的變化，40～50 cm土層不會(huì)受到影響；當(dāng)累積降水量在 15.0 mm 以上（含 15.0 mm）時(shí)，則各土層均會(huì)受到影響，且當(dāng)降水一直持續(xù)發(fā)生時(shí)，所觀測(cè)到的各土層的土壤體積含水量的值也會(huì)相應(yīng)增大。

圖4 昌江站2015年6月小時(shí)降水量及各土層小時(shí)土壤體積含水量變化

通過對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有的自動(dòng)觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析后，將當(dāng)前時(shí)次與其前一時(shí)次進(jìn)行差值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，確定各土層當(dāng)前時(shí)次與其前一時(shí)次差值的上下界限值范圍，即時(shí)變檢查的閾值范圍（表2）。若超出時(shí)變檢查的閾值范圍，則判定該時(shí)次與其前一時(shí)次的該土層該土壤水分要素值為可疑（QC碼=1）。

表2 各層土壤水分要素當(dāng)前時(shí)次與前一時(shí)次差值上下限

（2）持續(xù)性檢查

持續(xù)性檢查與時(shí)變檢查不同，時(shí)變檢查關(guān)注的是各小時(shí)間土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的變化，從而判定數(shù)據(jù)是否有跳變。持續(xù)性檢查則關(guān)注的是土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間是否有變化，它是從數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的另一個(gè)角度去判定數(shù)據(jù)是否合理，即當(dāng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間不變時(shí)，可能是由于儀器故障、觀測(cè)環(huán)境變化或是人工對(duì)比觀測(cè)錯(cuò)誤等原因造成，那么可認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間不變的數(shù)據(jù)序列是可疑的。

通過分析全省2013—2018年S文件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各土層土壤水分要素值經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間維持一個(gè)值不變。這里說的“不變”可分為正常的“不變”（如圖5-a）和異常的“不變”（如圖5-b）。從圖5-a可以看出，臨高站2015年5月10～20 cm出現(xiàn)相對(duì)濕度維持某一恒定值不變，但恒定值維持的時(shí)間長(zhǎng)度有長(zhǎng)短之分。在降水或是長(zhǎng)時(shí)間無降水致土壤中的水分蒸發(fā)等影響下，相對(duì)濕度會(huì)有上升或是下降的過程，數(shù)據(jù)變化正常。從圖5-b可以看出，澄邁站2015年5月10～20 cm無論是否有降水發(fā)生，相對(duì)濕度一直維持100%不變，數(shù)據(jù)異常變化。

圖5 臨高站（a）、澄邁站（b）2015年5月10～20 cm 相對(duì)濕度正常個(gè)例

在該項(xiàng)檢查中對(duì)“長(zhǎng)時(shí)間不變”的時(shí)間長(zhǎng)度的設(shè)定很重要。若設(shè)置時(shí)間過短，會(huì)出現(xiàn)大量的疑誤信息，無法提高質(zhì)控的效率；反之，會(huì)漏檢疑誤數(shù)據(jù)，無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。假設(shè)t時(shí)次的某土層的土壤水分Q未缺測(cè)，那么從該時(shí)次往前推，若連續(xù)n個(gè)時(shí)次維持一個(gè)值不變，那么t-n至t-1時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)值均為該檢查對(duì)象。若t-n時(shí)次或t-1時(shí)次的土壤水分Q判定為疑誤（QC碼=1）或錯(cuò)誤（QC碼=2），那么該時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)值均判為疑誤（QC碼=1）或錯(cuò)誤（QC碼=2）。該項(xiàng)檢查也可以作為土壤水分觀測(cè)儀器是否故障的重要依據(jù)。

圖5-b中澄邁站10～20 cm的相對(duì)濕度的錯(cuò)誤值均可被有效判定，均判定為錯(cuò)誤值。

3 質(zhì)量控制結(jié)果

為了檢驗(yàn)質(zhì)控方案對(duì)本省土壤水分自動(dòng)站數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果，利用缺測(cè)率、可用率、可疑率和錯(cuò)誤率對(duì)海南省18個(gè)土壤水分站2019年小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。各項(xiàng)質(zhì)量控制檢查方法的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可以看出，2019年數(shù)據(jù)缺測(cè)量為22 224個(gè)，缺測(cè)率為0.70%；數(shù)據(jù)可疑量為8 398個(gè)，可疑率為0.27%；數(shù)據(jù)錯(cuò)誤量為10 495個(gè)，錯(cuò)誤率為0.33%。與現(xiàn)用的RASM（自動(dòng)土壤水分觀測(cè)報(bào)表系統(tǒng)）的審核結(jié)果比較（表3），本質(zhì)控方案不僅遍歷了所有土壤水分要素及臺(tái)站參數(shù)，并且針對(duì)不同的土壤水分要素值從歷史氣候、小時(shí)等不同時(shí)間維度進(jìn)行質(zhì)控；而RASM僅對(duì)一個(gè)土壤水分要素值進(jìn)行質(zhì)控，閾值范圍設(shè)置較為寬泛，將一些正確的數(shù)據(jù)也判斷為疑誤數(shù)據(jù)，且錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并未指出。

從圖6-a1、a2可知，2019年全年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)平均可用率為97.80%，除9月外，其余各月數(shù)據(jù)可用率較高，均在平均可用率以上。結(jié)合各月缺測(cè)率、錯(cuò)誤率和可疑率來看，6月以后的缺測(cè)率、錯(cuò)誤率和可疑率均較高，特別是9月的缺測(cè)率、錯(cuò)誤率和可疑率分別為0.76%、3.21%、2.24%。經(jīng)核實(shí)發(fā)現(xiàn)，是由于瓊海站在6月遷站，相對(duì)應(yīng)的土壤水文物理參數(shù)并未進(jìn)行及時(shí)修改，且安裝土壤觀測(cè)儀器時(shí)不規(guī)范，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量缺測(cè)、錯(cuò)誤和可疑。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，將瓊海站的數(shù)據(jù)剔除后，重新對(duì)全年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控和統(tǒng)計(jì)（圖6-b1、b2）發(fā)現(xiàn)，2019年全年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)平均可用率為98.84%，較未刪除瓊海站數(shù)據(jù)前有所提高，全年各月均在平均可用率以上；各月的缺測(cè)率、錯(cuò)誤率和可疑率均有所下降，特別是錯(cuò)誤率，下降了77.72%。由此說明，提出的質(zhì)控方法能夠提出疑誤數(shù)據(jù)。

圖6 2019 年各月土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量狀況

4 結(jié)論與討論

本研究提出一套適合海南省自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法。首先，通過分析S文件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料，得到18個(gè)土壤水分站的各土層各土壤水分要素的氣候極值和時(shí)變檢查的閾值范圍；其次，結(jié)合土壤水分自動(dòng)觀測(cè)儀器原理及本省的氣候特點(diǎn)，設(shè)置和確定了參數(shù)檢查、數(shù)據(jù)缺測(cè)檢查、界限值檢查、氣候極值范圍檢查、時(shí)變檢查、持續(xù)性一致性檢查6項(xiàng)檢查；最后，利用2019年海南省土壤水分自動(dòng)觀測(cè)資料對(duì)質(zhì)量控制方法的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明：

（1）6項(xiàng)檢查均能夠檢查和判斷出自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料中相應(yīng)的疑誤、錯(cuò)誤和缺測(cè)數(shù)據(jù)；

（2）與現(xiàn)行的RASM審核軟件相比，遍歷所有土壤水分要素及臺(tái)站參數(shù)，針對(duì)不同的土壤水分要素值從歷史氣候、小時(shí)等不同時(shí)間維度設(shè)置閾值范圍，降低了漏檢率和錯(cuò)檢率。

除天氣影響外，澆水、農(nóng)業(yè)灌溉、地下水位的升高或降低、植被的覆蓋率等客觀因素都會(huì)對(duì)土壤水分造成一定的影響，因此，在后續(xù)的研究中還需針對(duì)不同地區(qū)、不同的植被覆蓋類型、不同的土壤類型、不同的天氣條件等方面，對(duì)海南省土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行更加細(xì)致的質(zhì)量控制。