陆水水库(坝上)站自动与人工观测蒸发资料对比分析

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(长江中游水文水资源勘测局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 引 言

观测水面蒸发量是为了探索水面蒸发在不同地区和时间上的分布规律，为水文水利计算、水文预报、水资源评价和科学研究提供依据。蒸发量是地面热量平衡和水量平衡的重要组成部分，一直是国内外气象学、地理学、土壤学、水文学等相关学科关注的焦点问题之一。到目前为止已有大量的传统估算法和模拟估算法等方法来计算蒸发量。但蒸发量获取的最根本办法还是直接观测。目前在我国水文部门对水面蒸发量的观测没有普遍实现自动化。采用人工观测易产生人为误差，且不能实现连续观测，更不能记录到水面蒸发量的日内变化。陆水水库(坝上)站于2015年初完成蒸发观测场的升级改造。蒸发自动观测数据和人工观测数据的平行比测工作于3月1日正式开始，对本站3～5月1 000多个数据进行连续对比分析来评估自动化观测资料的可用性。

2 观测数据的比测分析

2.1 数据采集整理

FFZ—01Z型数字式水面自动蒸发站于2014年11月16日始在赤壁分局所属陆水水库(坝上)站开始进场安装。CAWS600型自动气象站则于2015年1月10日开始进场安装。经过一段时间的设备调试及试运行后，蒸发气象自动站自2015年3月1日起基本达到正常运行状态。经过几次调试后，其数据采集和储存自5月起基本趋于正常。

比测工作于2015年3月1日起开始实施。FFZ-01Z型蒸发站的蒸发计、雨量计的分辨率均为0.1mm，温度的分辨率为0.1℃。与传统人工观测的分辨率均一致。其溢流量分辨率为0.01mm，符合相关国家标准的最高等级要求。目前我分局安装的FFZ-01Z型自动蒸发站及自动气象站与GPRS数据传输装置已连接组成遥测站，数据实时发送到我分局所属的陆水水情分中心。

数据整理、采用情况：FFZ-01Z型蒸发站和新型自动气象站发送到水情分中心的实时数据拷贝出来后进行数据筛选。筛选方案则采用每日8时(人工观测时间一致)的蒸发量及雨量数据，以及每日8时、14时、20时(人工观测时间一致)的表层水温和气温数据。2015年3月1日至2015年5月31日共计184个蒸发量数据和雨量数据(20m2蒸发池和E601B型蒸发器各92个数据)，2015年5月1日～2015年5月31日共计186个表层水温数据(20m2蒸发池和E601B型蒸发器各93个数据)和276个气温数据,比测分析将以上自记数据与人工观测水温和气温及相对湿度数据进行比较计算。

2.2 比测数据误差分析

对上述所有项目(干球温度、蒸发量、降水量、相对湿度、蒸发器(池)表层水温及最高最低温度)分别进行人工观测数据和自记数据的对比分析(分析数据为3～5月所有自记储存数据，未经任何删减)。分析结果如下：

在此比测期间，气温变幅在2.6～33.3℃。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-2.2℃；系统误差：0.09℃；偏差：0.18℃；≤0.2℃保证率：81.9%。其中最大偶然误差-2.2℃的产生经分析发现,是由于当时安装调试场内仪器时操作产生触动导致，在今后的仪器正常运行过程中是可以避免的。其他的指标显示结果较好。

20m2蒸发池蒸发量变幅在0.2～4.0mm。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：14.9mm；系统误差：0.08mm；偏差：0.45mm；≤0.2mm保证率：69.6%。其中最大偶然误差14.9mm的产生是误码所致，错误很明显。在数据校核过程中很容易被发现并参照E601B型蒸发器的蒸发量将其进行合理化处理。将来随着仪器设备的更新，这样的误码问题也会逐渐减少甚至消失。若去除该误码数据，最大偶然误差减小为2.9mm、偏差也减小到0.29mm。

E601B型蒸发器蒸发量变幅在0.3～5.5mm。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-1.1mm；系统误差：-0.03mm；偏差：0.14mm；≤0.2mm保证率：81.5%。指标显示结果较好。

20m2蒸发池雨量变幅在0.0～90.7mm。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-1.8mm；系统误差：-0.09mm；偏差：0.11mm；≤0.2mm保证率：88.0%。指标显示结果较好。

E601B型蒸发器雨量变幅在0.0～90.7mm。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-1.3mm；系统误差：-0.05 mm；偏差：0.07mm；≤0.2mm保证率：94.6%。指标显示结果较好。

20m2蒸发池雨量表层水温变幅在23.5～31.5℃。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-24.2℃；系统误差：-0.42℃；偏差：0.46℃；≤0.2℃保证率：88.0%。其中最大偶然偏差-24.2℃的产生是由误码所致，错误也很明显。在数据校核过程中很容易被发现并参照E601B型蒸发器的表层水温将其进行合理化处理。若去除该误码数据，最大偶然误差减小为-3.9℃、系统误差减小为-0.16℃、偏差也减小到0.20℃。另外5月1日至4日产生的较大偏差是由于设备安装调试期间初运行的不稳定导致，此类情况在今后基本不会再出现。

E601B型蒸发器表层水温变幅在20.1～31.8℃。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-27.0℃；系统误差：-0.83℃；偏差：0.89℃；≤0.2℃保证率：89.1%。其中最大偶然偏差-27.0℃的产生是由误码所致，错误也很明显，此数据系列中共有3次误码出现。导致系统误差和偏差较大。此类数据在校核过程中很容易被发现并可参照20m2蒸发池的表层水温将其进行合理化处理。经过厂家调试人员检查，发现是传感器的接触问题。在将其更换后数据逐渐稳定并没有误码出现。

相对湿度变幅在58%～98%。经过整理计算，比测结果如下：最大偶然偏差：-10%；系统误差：-2.66%；偏差：2.79%；≤2%保证率：50.0%。指标显示人工与自记结果相差较大，由于人工观测相对湿度不是直接观测值，是采用干湿球温度观测后利用公式计算出来的计算值。其数据受温度计的观测误差的影响较大。而自记相对湿度是测湿元件即聚合物薄膜电容传感器感湿后经过一系列信号转换成为数据信息。两种方法观测原理不同，可比性差。

最高最低气温数据的对比性更差，本次分析不做表述。风向风速数据由于观测设备的大不相同，不予进行比测分析。

以上比测项目在去除误码数据后的分析统计值见下表1。

经以上分析可知，自记仪器在安装完毕运行一段时间后，数据的采集基本趋于稳定。在保证仪器不遭受严重外力损坏的情况下，数据可以正常采集并记录。自记数据与人工观测数据比对显示良好，各项观测指标的误差基本都在规范的允许范围内，基本达到投产运行的标准。如果自记仪器可以正式上岗运行，将给基层测站大大减轻人员长期观测的束缚，解放更多的生产力出来，可以进行其他项目的创新研究。其次，人工数据毕竟靠职工肉眼观测，这不仅对职工的双眼视力和工作负责的态度要求很高，还依赖观测计量仪器的精度保持水平。再者在发生恶劣雷暴天气时，常伴有电闪雷鸣，狂风骤雨，此时人工观测存在极大的安全隐患。综上，笔者认为人工观测数据较之自记仪器数据，出错的几率很大且不可追溯更改，其精度和准度是较难保证的。

表1 赤壁分局蒸发气象自动站数据比测误差统计表

3 结 语

通过对陆水水库(坝上)站2015年03～05月人工与自记观测数据的对比分析，对比结果总体较好，误差基本都在允许范围内。具体结论如下：

(1)自动蒸发气象站各项观测值与人工观测值总体对比结果误差较小，基本满足相关规范的精度要求，符合投产使用标准。

(2)自动蒸发气象站数据的采集基本可靠，但在传输和后处理部分还存在少数数据误码、数据缺失问题，需要加强人工监视及比测以便及时发现问题、不断更新设备及软件并从根本上解决此类问题。

(3)气象部分的观测一套均采用华云公司产品，全国气象单位及多数水文单位基本都是安装华云公司该套仪器设备。观测原理基本均为传感器和采集器的优化组合。该设备属国家气象部门几十年的发展成果，运行成熟、成果较为可靠。