恰拉水文站自動(dòng)觀測(cè)儀器對(duì)比分析

阿里木·吐木爾

（新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量的水文自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)常規(guī)觀測(cè)設(shè)備。由于技術(shù)和精度的原因，新舊2 種觀測(cè)系統(tǒng)之間存在一定的差異。為使觀測(cè)精準(zhǔn)、規(guī)范，需對(duì)2種觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 概況

恰拉水文站于2004 年9 月設(shè)立，位于新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣塔里木鄉(xiāng)，是內(nèi)陸河湖流域葉爾羌河、塔里木河區(qū)水系塔里木河上的大河重要控制站，觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水、蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)等[1]。該站屬省級(jí)重要水文站，測(cè)驗(yàn)方式為駐測(cè)，測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約500 m，河槽近似于梯形，主槽寬度約50 m，高水控制較好，高、低水位時(shí)無(wú)岔流、串流、逆流、回水、死水等情況；河床由細(xì)砂組成，高、中水受沖淤變化較大；兩岸植被較差，河岸無(wú)坍塌及河道開(kāi)挖治理情況，上下游沒(méi)有對(duì)水流及測(cè)驗(yàn)有影響的支流、彎道、引排水工程、堤防、橋梁及阻水建筑物，附近無(wú)支流匯入。該站多年平均年徑流量為6.461×108m3，多年平均年降水量為30.8 mm，實(shí)測(cè)最大流量為188 m3/s（2017年9月22日）。

塔里木河流域?qū)僦袦貛Т箨懶愿珊禋夂?，冬冷夏熱，日溫差較大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發(fā)量大[2]。降水年際變化不大，年內(nèi)降水主要集中在5—9月。多年平均年蒸發(fā)量為1 926 mm（20 cm蒸發(fā)量）[3]。

該站蒸發(fā)場(chǎng)設(shè)于水文站院內(nèi)。蒸發(fā)場(chǎng)地面積320 m2，場(chǎng)內(nèi)設(shè)有百葉箱、雨量器、E601 型蒸發(fā)器、20 cm 口徑蒸發(fā)器、自動(dòng)氣象站，全年2 種蒸發(fā)器同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)場(chǎng)四周為1.0 m高的圍欄，場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)道寬0.5 m，地表植物高度低于0.2 m。2種蒸發(fā)器設(shè)置于氣象場(chǎng)內(nèi)，各蒸發(fā)器的設(shè)置符合規(guī)范要求。

2 比對(duì)觀測(cè)的方法和意義

恰拉水文站采用自動(dòng)化氣象觀測(cè)儀器，用以感知自然界風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量。該站進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，每隔5 min進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳輸，以滿(mǎn)足信息保存和顯示的需要。

2.1 選用資料與方法

1 月為冬季枯水期，4、7 月為高溫天氣和降雨較多時(shí)節(jié)。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，選取恰拉水文站2020 年1、4、7 月自動(dòng)儀器和人工觀測(cè)的氣溫、2020年5—9月降水、2020年6—10月20 cm口徑蒸發(fā)資料，探析自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間差值的特征和產(chǎn)生差異原因，進(jìn)而規(guī)范自動(dòng)氣象觀測(cè)儀器的精準(zhǔn)性。

2.2 比對(duì)觀測(cè)的意義

目前，全國(guó)地面自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)正在取代常規(guī)主要?dú)庀笠氐挠^測(cè)，即人工觀測(cè)的器測(cè)項(xiàng)目逐步實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)化觀測(cè)。為了尋找出新舊2 種觀測(cè)方法之間的差異，將它們所獲取的資料進(jìn)行對(duì)比是至關(guān)重要的。因此，在進(jìn)行氣象要素觀測(cè)自動(dòng)化進(jìn)程中，需要一定時(shí)間的平行觀測(cè)，通過(guò)對(duì)比分析新舊儀器是否存在同步性、一致性和相關(guān)性，而且在統(tǒng)一的氣候資料存檔和管理原則下，來(lái)確保觀測(cè)資料的客觀性和科學(xué)性。

3 氣溫觀測(cè)對(duì)比分析

根據(jù)恰拉水文站和當(dāng)?shù)貧鉁貙?shí)際，選取2020 年1、4、7 月氣象觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》第2.4條規(guī)定，對(duì)每日8、14、20時(shí)的自動(dòng)、人工觀測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，8時(shí)和14時(shí)偏差為-0.1，20時(shí)偏差為0，日最高偏差為-0.1，日最低偏差為0.3，均小于標(biāo)準(zhǔn)差0.4 的要求。

3.1 相關(guān)性分析

根據(jù)恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫資料統(tǒng)計(jì)分別繪制1、4、7 月的8、14、20 時(shí)、日最高、日最低自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫相關(guān)性，如圖1—5 所示，得到相關(guān)關(guān)系分別為y=0.986 7x+0.010 4（R2=0.999 4）、y=0.985 7x+0.159 8（R2=0.999 3）、y=0.990 6x+0.151 6（R2=0.999 5）、y=0.995 6x+0.023 4（R2=0.999 4）、y=1.000 4x+0.273 2（R2=0.999 2）。從圖1—5 可以看出，人工與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線(xiàn)趨勢(shì)，斜率為1，說(shuō)明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖1 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)8時(shí)氣溫相關(guān)性

圖2 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)14時(shí)氣溫相關(guān)性

圖3 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)20時(shí)氣溫相關(guān)性

圖4 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)日最高氣溫相關(guān)性

圖5 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)日最低氣溫相關(guān)性

3.2 誤差分析

分別點(diǎn)繪1、4、7 月的8、14、20 時(shí)、日最高、日最低自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的偏差圖，經(jīng)分析得出自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫偏差較小，最大為±0.9°，最小為0，系統(tǒng)偏差為-0.1～0.3，標(biāo)準(zhǔn)差均為0.4。產(chǎn)生差異的主要原因如下。

（1）設(shè)備儀器的構(gòu)造不同。自動(dòng)儀器采集鉑電阻輸出電量的變化，用來(lái)反映溫度表感應(yīng)部分的水銀或乙醇變化。隨著溫度高低的變化，鉑電阻的輸出電量很快被采集器采集成線(xiàn)性化進(jìn)行定標(biāo)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要素變量的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)感應(yīng)時(shí)間更精確、反映溫度變化更及時(shí)和靈敏。而人工觀測(cè)的溫度表是靠液體的熱脹冷縮來(lái)反映氣溫的變化，雖然溫度表的刻度是等距離的，但液體的變化卻并非是固定的，而且反映較慢，計(jì)數(shù)沒(méi)有溫度傳感器精準(zhǔn)。

（2）觀測(cè)時(shí)間上存在誤差。因?yàn)橛^測(cè)需要花費(fèi)時(shí)間，所以人工觀測(cè)一般會(huì)提前10 min 對(duì)各氣象要素進(jìn)行觀測(cè)。自動(dòng)儀器則是自動(dòng)計(jì)時(shí)，到正點(diǎn)會(huì)按氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、地溫的順序瞬時(shí)完成觀測(cè)。一般情況下，人工觀測(cè)距正點(diǎn)的時(shí)間相差5 min 左右，而自動(dòng)儀器則沒(méi)有時(shí)間誤差，其觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)更加精準(zhǔn)、具有代表性。所以，時(shí)間上的不同步會(huì)造成氣溫不同程度的變化。

（3）觀測(cè)樣本數(shù)存在較大差異。人工觀測(cè)時(shí)只讀取1次儀器值，不可避免地存在視覺(jué)和讀數(shù)視差。而自動(dòng)儀器的每1個(gè)數(shù)據(jù)都是通過(guò)多個(gè)樣本值求平均得到的，更接近氣象要素真實(shí)狀況，排除了人工造成的干擾和誤差。

（4）觀測(cè)連續(xù)精準(zhǔn)水平具有差異。自動(dòng)儀器能連續(xù)24 h 對(duì)氣象要素進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、精準(zhǔn)。雖然人工觀測(cè)也有部分要素的自記儀器，但各時(shí)次的數(shù)據(jù)都要通過(guò)人工修正，且自記值也較粗略，資料的代表性較差。人工觀測(cè)要打開(kāi)百頁(yè)箱，會(huì)受到空氣、風(fēng)力的影響，造成溫度變化，而自動(dòng)儀器觀測(cè)不會(huì)受到這些因素影響。

4 降水觀測(cè)對(duì)比分析

4.1 相關(guān)性分析

點(diǎn)繪恰拉水文站5—9 月自動(dòng)與人工觀測(cè)日、月降水量相關(guān)性，如圖6—7 所示，經(jīng)分析可以得出逐日、逐月自動(dòng)與人工觀測(cè)降水量相關(guān)關(guān)系分別為y=0.998 2x（R2=0.996 4）、y=1.001 6x（R2=0.999 8）。從圖6—7 可以看出，人工與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線(xiàn)趨勢(shì)，斜率為1，說(shuō)明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖6 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)日降水量相關(guān)性

圖7 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)月降水量相關(guān)性

4.2 誤差分析

采用2020 年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行降水量對(duì)比分析，自動(dòng)儀器采集器采集降水量與人工觀測(cè)降水量的時(shí)間相差10 min，單次降水過(guò)程中定時(shí)觀測(cè)數(shù)值相差較大，特別是臨近正點(diǎn)下雨差值更大，但降水總量差別不大。自動(dòng)與人工觀測(cè)降水量差值不穩(wěn)定，其很大原因是觀測(cè)時(shí)間不同步，具體情況詳見(jiàn)表1—2。

表1 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)日降水量對(duì)比mm

表2 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)月降水量對(duì)比mm

4.3 產(chǎn)生誤差的主要原因

一方面是自動(dòng)與人工觀測(cè)儀器本身所造成的誤差；另一方面是自動(dòng)與人工觀測(cè)在觀測(cè)記錄時(shí)間上存在較大差異，在觀測(cè)時(shí)間上不同步。

5 蒸發(fā)觀測(cè)對(duì)比分析

2020 年6 月1 日—10 月31 日，對(duì)人工和自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比測(cè)，其間無(wú)缺測(cè)和故障，共取得比測(cè)數(shù)據(jù)153 組，比測(cè)方法符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SL630—2013）要求。

5.1 日蒸發(fā)量

5.1.1 相關(guān)性分析

點(diǎn)繪恰拉水文站6—10 月自動(dòng)與人工觀測(cè)逐日蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖8 所示，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線(xiàn)方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2=0.977 4。從圖8 可以看出，人工與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線(xiàn)趨勢(shì)，斜率為1，說(shuō)明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖8 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)逐日蒸發(fā)量相關(guān)性

5.1.2 誤差分析

對(duì)2020年6—10月自動(dòng)和人工觀測(cè)的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果詳見(jiàn)表3。由表3 可知，自動(dòng)觀測(cè)的日蒸發(fā)量誤差在0～1.0 mm 的天數(shù)占觀測(cè)期的百分比為100%，日最大誤差為1.0 mm。經(jīng)分析，自動(dòng)觀測(cè)成果是合理的。

表3 2020年6—10月自動(dòng)與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)

5.2 旬蒸發(fā)量

5.2.1 相關(guān)性分析

點(diǎn)繪恰拉水文站6—10 月自動(dòng)和人工觀測(cè)旬蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖9 所示，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線(xiàn)方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.997 8。從圖9 可以看出，人工與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線(xiàn)趨勢(shì)，斜率為1，說(shuō)明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖9 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)旬蒸發(fā)量相關(guān)性

5.2.2 誤差分析

對(duì)2020年6—10月自動(dòng)和人工觀測(cè)的各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果詳見(jiàn)表4。由表4 可知，自動(dòng)與人工觀測(cè)各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)相對(duì)偏差基本在5.0%以?xún)?nèi)。

表4 自動(dòng)與人工觀測(cè)旬蒸發(fā)量對(duì)比

5.3 月蒸發(fā)量

5.3.1 相關(guān)性分析

點(diǎn)繪恰拉水文站6—10月自動(dòng)和人工觀測(cè)月蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖10所示，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線(xiàn)方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.998 5。從圖10可以看出，人工與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線(xiàn)趨勢(shì)，斜率為1，說(shuō)明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖10 恰拉水文站自動(dòng)與人工觀測(cè)月蒸發(fā)量相關(guān)性

5.3.2 誤差分析

對(duì)2020年6—10月自動(dòng)和人工觀測(cè)的各月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果詳見(jiàn)表5。由表5 可知，自動(dòng)與人工觀測(cè)各月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)相對(duì)偏差基本在2%以?xún)?nèi)，符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SL630—2013）技術(shù)要求[5]。

5.4 影響觀測(cè)結(jié)果的主要因素分析

（1）自動(dòng)觀測(cè)每5 min收集1次數(shù)據(jù)，每日8時(shí)統(tǒng)計(jì)上一日的蒸發(fā)量，而人工觀測(cè)每日8時(shí)收集1次數(shù)據(jù)。自動(dòng)觀測(cè)量程達(dá)80 mm/5 min，蒸發(fā)精度為0.01 mm，其產(chǎn)生的誤差極小。人工觀測(cè)采用人工降雨量計(jì)算日蒸發(fā)量，如遇強(qiáng)降雨則增加觀測(cè)次數(shù)，因不同人員、不同觀測(cè)位置、不同視覺(jué)等都是影響蒸發(fā)讀數(shù)的重要因素，故其產(chǎn)生的誤差較大。

（2）自動(dòng)觀測(cè)生成的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，不需錄入和人工計(jì)算，同時(shí)下載的成果報(bào)表可直接進(jìn)行整編；有關(guān)技術(shù)人員每日登陸相關(guān)系統(tǒng)便可檢查降水和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，觀察其是否合理、有無(wú)異值，既便捷又省時(shí)；儀器設(shè)備可以隨時(shí)檢查維護(hù)，有問(wèn)題可以遠(yuǎn)程在線(xiàn)維修，即使無(wú)法自動(dòng)觀測(cè)時(shí)也可進(jìn)行人工觀測(cè)。而人工觀測(cè)需人每日8時(shí)定時(shí)觀測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，還不可避免地產(chǎn)生誤差，出現(xiàn)誤差時(shí)也只能根據(jù)前后日的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校正；每月觀測(cè)數(shù)據(jù)還需人工錄入計(jì)算機(jī)方能整編，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還易產(chǎn)生錯(cuò)誤。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自動(dòng)與人工觀測(cè)的氣溫、降水、蒸發(fā)3 個(gè)主要?dú)庀笠財(cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析可知，兩者觀測(cè)值相關(guān)度高，接近于1，這說(shuō)明自動(dòng)觀測(cè)儀器測(cè)量可靠、所得數(shù)據(jù)精度較高，同時(shí)滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求。因此，恰拉水文站自動(dòng)觀測(cè)的氣溫、降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)完全可以代替人工觀測(cè)值，并應(yīng)用于該站氣溫、降水、蒸發(fā)資料整編。