冻土及干土层自动观测系统的应用分析

褚春燕,孙桂玉,兰朝生,郑冠龙

(1.佳木斯市气象局，黑龙江 佳木斯 154004；2.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150000；3.北大荒通用航空有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或以下而呈冻结的状态[1]。冻土观测是中国气象局统一布局的观测项目，观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度，观测方式主要使用TB1-1型冻土器进行人工器测，方式较为原始，劳动强度大，存在人为误差且测量数据密度不够、不能实时监测的问题。随着冻土观测数据在气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境监测等领域需求的日益增多，传统观测仪器和方法已经不能满足当前预报和服务需求，亟待研制具有精度高、性能稳定、维护方便等特点的冻土自动观测仪。

目前，我国已经开展对自动观测冻土的研究。陈海波[2]等利用频域反射测量原理，通过测量土壤介电常数变化实现冻土测量。其测量数据与人工观测趋势一致,相关系数可达0.99以上,平均测量误差小于3 cm。邴慧[3]等利用超声波设计了一种适用于多种类型的冻土超声波换能器支架和恒温箱的测试系统，可以对不同负温下冻土样品进行测试。随着电容传感技术的发展，电容传感器应用于原油高合水测试[4]、手势识别[5]等方面。 2012年，河南省气象科学研究所联合中国电子科技集团公司第 27 研究所设计了平面电容冻土传感器，开发冻土及干土层自动观测系统，在佳木斯站安装并试验。

本文通过对2016～2019年三年冻土期的人工和自动观测数据进行对比分析，客观地评估冻土及干土层自动观测系统的性能及业务适用性，为全国气象观测站网实现冻土自动化观测提供第一手评估资料。

1 冻土及干土层自动观测系统

冻土及干土层自动观测系统是集数据采集、处理、传输于一体的智能自动观测设备，由平面电容冻土传感器、采集器、服务器、冻土及干土层自动观测系统处理软件组成。传感器将采集的频率信号及温度信号传送至采集器。采集器通过有线或无线的方式，将数据传送至服务器，通过冻土及干土层自动观测系统处理软件显示和查看数据，实现冻土深度及干土层深度自动观测[6]。

1.1 平面电容式冻土传感器构造和原理

基于电容式土壤水分测量技术和半导体测温技术实现冻土及干土层深度测量，其原理如下。将电容的两极板设计在同一平面上，电容与固定电感组成一个振荡电路；振荡器工作频率随土壤电容的变化而变化，通过检测振荡频率的变化，判断土壤的冻结状态，利用垂直分层检测的思路，计算冻土层的深度，实现冻土深度的自动监测[7]。在检测过程中，把土壤的垂直剖面从上到下，依次按照冻土层和未冻土层进行分层检测。各层内都设置一个平面电容传感器。由于各层内介电特性不同，各层感应电容保持在不同的范围，表现在各层的振荡频率不同[8-10]。测量冻土深度时，检测振荡频率发生跳变的电容传感器，可以确定土壤的冻融界面，计算出冻土深度。平面电容冻土传感器基本结构如图1所示。

图1 平面电容冻土传感器基本结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of basic structure of planar capacitive permafrost sensor

1.2 冻土及干土层自动观测系统处理软件

冻土及干土层自动观测系统处理软件用于实现数据采集、显示、监控，可实时查看测试各台站的冻土深度、干土层厚度、不同深度土湿和地温及区间要素变化曲线。

2 人工与自动冻土深度数据测定方法

冻土传感器安装在佳木斯国家基准气候站地面气象观测场中人工冻土器西直线距离20 m外试验观测场内，土壤性质、草皮覆盖、周围环境与地面气象观测场内相同。人工观测TB1-1型冻土器由外管与内管组成。外管为标有0 cm刻度线的硬橡胶管。内管为一根有厘米刻度的橡皮管，底端封闭，顶端与短金属管、木棒及铁盖相连。人工观测冻土深度方法依据《地面气象观测规范》规定：在冻土期开始前将内管灌满干净水；当地面温度降到0 ℃或以下，土壤开始冻结时，每日早8时将冻土器内管提到地面之上，用手摸测内管冰柱所在位置，根据冰柱上下两端的相应刻度数，判断冻土层次和深度。观测至次年土壤完全解冻为止。人工观测冻土深度数据，以cm为单位，四舍五入，取整数记录。冻土及干土层自动观测系统从土壤冻结至全部融化期间，每天24 h连续采集每小时冻土深度数据，整数显示，保存在冻土及干土层自动观测系统处理软件中；同时，将数据上传河南省气象科学研究所与中国电子科技集团公司第 27 研究所建立的服务器数据库。本试验以冻土及干土层自动观测系统早8时自动采集的数据与人工观测数据为试验材料,利用Microsoft Excel 2010整理数据并分析。

3 应用分析

3.1 佳木斯国家基准气候站冻土观测数据

佳木斯站三年冻土对比观测期，观测数据时间序列分别为2016年10月至2017年5月、2017年10月至2018年5月、2018年11月至2019年5月。佳木斯国家基准气候站冻土观测数据如表1所示。从表1可以看出，佳木斯站冬季冻土期时间长，冻土深度厚。三年冻土期最大冻土深度人工观测数据为157 cm，自动观测数据为159 cm。2016～2017年冻土期因为无线卡欠费造成2017年4月21日后自动采集的数据丢失。2017～2018、2018～2019年冻土期实际观测次数少于对比观测次数。这是由于人工和自动观测冻土融化不同步，人工提前结束冻土观测造成的。

表1 佳木斯国家基准气候站冻土观测数据 Tab.1 Observation data of frozen soil of Jiamusi National Reference Climate Station

3.2 数据分析

3.2.1 冻土深度第一层上限数据分析

2016～2019的10月至次年3月为土壤开始冻结和冻结深度增加期。冻土深度第一层上限人工与自动观测值在2018年12月3日出现一次为5 cm，其余均为0 cm，且人工与自动值差值为0，在数据统计中不作分析。对冻土深度第一层上限值分析的时间为从3月份冻土第一层上限开始融化至5月份冻土全部融化结束。2017年冻土融化期，自动采集数据4月21日后缺失，人工与自动对比比较到4月21日。冻土融化期第一层上限人工与自动观测差异如图2所示。

图2 冻土融化期第一层上限人工与自动观测差异图 Fig.2 Difference diagram between manual and automatic observation of the upper limit of the first layer in thawing permafrost

从图2可以看出：2017～2019年冻土融化期冻土深度第一层上限值人工与自动观测值差值范围为-3～+6 cm， 差值为0和负值居多；2017和2018年变化规律接近；2019年规律性不明显，但人工低于自动值观测次数较多， 说明人工观测冻土深度第一层上限融化速度低于自动。2018年冻土融化后期人工观测冻土深度第一层上限明显融化速度加快，与自动差值增大，存在一定的误差。

3.2.2 冻土深度第一层下限数据分析

冻土期冻土深度第一层下限值人工与自动对比曲线如图3所示。

图3 冻土期冻土深度第一层下限值人工与自动对比曲线图 Fig.3 Manual and automatic comparison curves of the lower limit value of the first layer of frozen soil depth during the permafrost period

由图3可知，2016～2019三年冻土期，冻土深度第一层下限人工与自动观测数据变化规律相同，均在3月冻土深度达最大值。在土壤冻结开始至冻土深度达最大值期间，自动观测数据大多低于人工观测数据，冻土及干土层自动观测系统测量土壤冻结速度偏慢，最大值出现日期较人工滞后1～2 d。3月冻土开始融化后，自动观测冻土深度第一层下限值融化速度较人工慢，2018年冻土全部融化比人工晚1 d，2019年则晚4 d，但数据变化非常规律、平稳；人工则变化大，误差原因有可能TB1-1型冻土器在人工观测时内管提取、摸测过程中造成其软管中冰柱下滑、断折，或即将全部融化时0 ℃冰水混合结冰不够坚实造成冻土器内冰柱的消融。冻土深度第一层下限值人工与自动差值占比如表2所示。

表2 冻土深度第一层下限值人工与自动差值占比 Tab.2 Proportion of the difference between manual and automatic value of the lower limit value of the first layer of frozen soil depth

从表2可知，2016～2019三年冻土期，冻土深度第一层下限值人工与自动差值范围为-4～+2 cm，差值在-1～+1 cm比例占60%以上，差值在-2～+2 cm比例占97%以上。在土壤开始冻结和冻结期，人工与自动差值维持在-2～+2，在冻土解冻融化后期，人工与自动差值增大，误差值变大。其主要原因是人工观测冻土融化速率加大。

3.2.3 冻土深度第二层上、下限数据分析

2016～2019年，冻土期观测到的冻土深度第二层上、下限数据共4次人工与与自动数据对比如表3所示。

表3 冻土深度第二层上、下限人工与自动数据对比 Tab.3 Comparison of manual and automatic data on the upper and lower limits of the second layer of frozen soil depth

人工观测数据和自动采集的数据只有2017年4月13日的上限值差1 cm，其余完全一致。从表3可知，人工和自动观测的冻土第二层数据一致性较好，尤其是第二层冻土深度下限值，人工与自动数据完全一致。

4 结论

基于中国气象局冻土观测自动化业务发展、实施，河南省气象科学研究所与中国电子科技集团公司第 27 研究所设计了平面电容冻土传感器，开发了冻土及干土层自动观测系统，在佳木斯国家基准气候站进行试验。试验结果表明：冻土深度第一层上限值在土壤冻结期，人工与自动值一致，差值为0；在冻土融化期，人工与自动值差值范围为-3～+6 cm，人工融化速度略低于自动。冻土深度第一层下限值在冻土冻结期，人工值大多高于自动值，自动最大值出现日期较人工滞后1～2 d；冻土开始融化后，自动观测冻土融化速度较人工慢，人工与自动差值范围为-4～+2 cm，差值在-2～+2 cm的比例占97%以上；2016～2019三年冻土期观测到的冻土深度第二层上、下限数据人工和自动观测数据一致性较好。冻土及干土层自动观测系统观测数据达到《冻土自动观测仪功能规格需求书》中测量深度：0～450 cm，分辨力为1 cm，最大允许误差为±2 cm的参数要求，实现了冻土期连续自动观测[11]、观测精度高、性能稳定、维护方便等设计目标。冻土及干土层自动观测系统基本符合地面气象观测业务需求，适用于冻土自动化观测业务，可在承担冻土观测业务的台站推广安装，投入业务运行。