GStar-I型自动土壤水分观测仪数据标定方法研究

尹贞钤，田中伟，许伟峰，冯　伟

(渭南市气象局，陕西渭南　714000)



GStar-I型自动土壤水分观测仪数据标定方法研究

尹贞钤，田中伟，许伟峰，冯伟

(渭南市气象局，陕西渭南714000)

摘要：采用数理统计方法对渭南市蒲城、白水、韩城、华阴4站人工与GStar-I型自动土壤水分观测仪观测的土壤体积含水量数据进行相关分析和多项式拟合，结果显示：自动观测土壤水分数据与人工观测数据显著相关，拟合方程标定效果优于D值标定效果，方程标定后数据准确率提高，可满足干旱监测和服务需求。

关键词：土壤水分数据；相关分析；多项式拟合；数据标定方法

GStar-I型自动土壤水分观测仪可以快速、便捷获取同一地点不同层次土壤水分连续监测数据。在实际业务服务中发现，自动观测土壤水分数据经过D值标定后，虽然满足规范要求，但部分数据与人工数据绝对误差较大，无法满足监测和服务需求。通过对比分析研究渭南市蒲城、白水、韩城、华阴4个固定土壤水分观测站2010—2013年人工和自动土壤水分数据，得出进一步提高自动土壤水分数据质量的数据标定方法。

1资料及方法

1.1资料来源

蒲城、白水、韩城、华阴0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm人工和自动土壤体积含水量数据来源于渭南市生态与农业气象中心资料室,数据均为逢8观测(遇降水顺延)。蒲城站资料的起止时间为2011-03-08—2013-09-18，白水站为2011-03-08—2013-08-08，韩城站为2010-03-28—2013-11-08，华阴站为2010-07-08—2012-05-28。

1.2资料处理

首先，剔除仪器故障造成的异常值；然后，用D值标定值(自动土壤水分观测仪采集器标定包含A、B、C、D四个参数项，厂家利用自动和人工对比观测数据求算标定参数，其中A、B均设为0，C设为1，D值分站分层次各不相同，自动土壤水分原始数据加D值得到标定值。)减去D值得到自动土壤体积含水量原始数据。

1.3标定方法

采用多项式拟合方法对人工与自动土壤体积含水量数据进行标定，提高自动土壤水分数据的质量和可用性。

2自动土壤水分数据可用性

自动土壤水分数据能否准确反映土壤水分变化情况是目前业务化使用中最为关心的问题。对蒲城(74组数据)、白水(68组数据)、韩城(92组数据)、华阴(59组数据)人工与自动站0～50 cm五个层次土壤体积含水量数据进行相关分析，结果显示，4站五个层次人工与自动土壤水分数据显著相关(见表1)，最大相关系数为0.987(白水站30～40 cm)，最小相关系数为0.884(蒲城站40～50 cm、韩城站20～30 cm)，表明自动土壤水分数据与人工观测数据变化趋势基本一致，通过合适的标定方法，可以取代人工观测，投入业务应用。

表1　渭南各县市0~50 cm五个层次人工与自动土壤体积含水量相关分析

注：各层相关系数均通过0.05显著性检验

3数据标定

自动土壤水分数据经D值标定，基本满足《自动土壤水分观测规范(试行)》要求，人工观测土壤体积含水量与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差≤5%[1]。但在业务应用中发现，部分自动土壤水分数据与人工数据绝对误差较大。以白水站2013年5—7月0～10 cm土壤水分观测为例(表2)，人工与D值标定后自动土壤体积含水量平均绝对误差为4.7%，单次绝对误差≥5%的数据对占44%，最大绝对误差为7.1%。为降低误差，利用多项式法对自动土壤体积含水量原始数据进行标定。以人工观测数据[2]为标准建立拟合方程，使标定后数据更接近人工观测值。蒲城站、白水站以2011年3月8日—2012年11月28日0～50 cm人工与自动土壤数据做五个层次标定方程，韩城站以2010年3月28日—2012年12月18日0～50 cm人工与自动土壤数据做五个层次标定方程，华阴站以2010年7月9日—2011年11月28日人工与自动土壤数据做四个层次标定方程(40～50 cm D值标定效果良好，未重新标定)。标定结果(表3)显示，各站各层多项式标定方程拟合度均达0.8以上，拟合度高，方程可信。白水站2013年5—7月人工和采用多项式标定后自动土壤体积含水量的平均绝对误差为2.5%，较D值标定的平均绝对误差降低2.2%，单次绝对误差≥5%数据对占11%，较D值标定比例降低33%。

表2　白水站2013年5—7月0～10 cm自动土壤体积含水量标定误差　%

表3　渭南各县市0～50 cm自动土壤体积含水量多项式标定方程

注：y为拟合后自动土壤体积含水量，x为自动土壤体积含水量原始数据。

4结果验证

数据标定完成后，利用蒲城、白水、韩城2013年3月8日—9月18日及华阴2012年3月8日—5月28日数据验证标定方程。运用标定方程将自动土壤体积含水量数据换算为土壤相对湿度，依据干旱指数划分标准[3]，将人工和标定后自动土壤相对湿度绝对误差≤10%作为判断标定效果优劣的标准，结果显示(表4)：方程标定后各站各层自动土壤体积含水量平均绝对误差为1.0%～2.7%，符合规范要求，与D值标定平均绝对误差比较，除华阴站20～30cm平均绝对误差增加0.1%外，其余减小0.5%～4.6%；人工和多项式标定后自动土壤相对湿度绝对误差≤10%数据比例占67%～100%，较D值标定后数据比例增加10%～100%，方程标定结果明显优于D值标定且效果优良。

表4　渭南0～50 cm自动土壤体积含水量标定误差　%

5小结

(1)采用相关分析方法研究人工和自动土壤水分数据。结果显示，自动土壤水分数据能够真实反映土壤水分变化情况，可以在业务中推广使用。

(2)自动土壤水分原始数据经过多项式拟合方法标定，结果较D值标定优良，能够满足干旱监测和业务服务需求。

(3)自动土壤水分数据差异较大台站，采用相关分析结合多项式拟合方法，可提高数据质量和可用性。

参考文献：

[1]中国气象局综合观测司.自动土壤水分观测规范(试行)[S].2010:14.

[2]黄飞龙,何艳丽,陈武框.FDR土壤水分自动站三级标定的方法[J].广东气象,2011(6)：62.

[3]GB/T 20481—2006气象干旱等级[S].北京：中国标准出版社，2006：4.

贺音.国家自动气象站数据质量统计软件的设计与实现[J].陕西气象，2015(6)：38-40.

基金项目：陕西省气象局研究型业务重点科研项目(2012Z-7)

作者简介：贺音(1981—)，女，陕西西安人，硕士，工程师，从事气象数据资源开发与应用气象工作。

收稿日期：2015-02-02

文章编号：1006-4354(2015)06-0038-03

中图分类号：P415.1

文献标识码：A