基于超声波的蒸发量自动观测误差研究

吕玉嫦，黄飞龙，陈冰怀

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

自2012年全国地面气象综合观测自动化推进以来，基于超声波测距技术的蒸发量观测项目替代人工蒸发，成为大规模推广的业务自动观测的一部分。作为一种新的自动观测项目，数据对比分析和应用已经逐渐成为研究的热点。沈艳等［1］研究认为自动观测值大于人工观测值，但自动与人工观测数据之间存在很好的线性相关关系；罗永祥等［2］对比分析认为自动蒸发与小型蒸发观测差异较大，但自动蒸发较为准确。然而蒸发量自动观测误差分析以及改进方法的研究很少。支询等［3］认为影响蒸发的主要气象因子为地表温度和相对湿度，风速在影响蒸发中起的作用较小，但这一结论明显不适用于沿海及沿河风大地区。方红娟［4］发现自动观测相比人工观测蒸发量偏大，但仅在观测员维护装置和仪器方面作了论述，未深入分析误差原因。实际上，蒸发量观测要求精度高、水体容易滋生藻类、水面容易受环境影响产生波动、观测装置复杂故障点多等因素导致自动观测数据可靠性和可信度都受到很大的影响。本研究对蒸发量自动观测的误差进行了分析，对主要问题进行了试验并探讨解决办法。

1 蒸发量自动观测方法

超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，蒸发自动观测采用的就是超声波测距技术。传感器探头发出超声波并接受被水面反射回来的超声波，通过记录发射和接收的时间差来计算水面离探头的距离。超声波蒸发传感器选用高精度的超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测之后转换成4～20 mA电流信号输出。由于超声波传播速度受空气温度影响，传感器还配置了PT100温度校正部件，以保证在使用温度范围内的测量精度。目前气象自动观测业务采用的改进型超声波蒸发传感器提高了抗干扰能力和测量性能，使气象台站能准确获取蒸发数据［5］。

使用超声波蒸发传感器的观测装置如图1所示［6］，蒸发桶直径为61.8 cm，溢流口离上边沿6 cm，圆柱部分深60 cm，圆锥部分深8.7 cm。在离蒸发桶上边沿40 cm的位置通过连通管将桶内的水引导至3 m远的传感器测量筒内，位于测量筒上部的传感器探头通过测量筒内水面的距离来确定蒸发桶的水位变化，传感器放置在地面百叶箱内，避免太阳辐射和风雨的干扰。

图1 蒸发自动观测装置示意图

蒸发传感器的测量范围为0～100 mm，即需要将蒸发桶的水位高度控制在传感器下方垂直距离100 mm以内。根据蒸发量的气象观测要求，数据采集器每分钟进行小时累计蒸发量的计算，计算方法是将小时初值水位减去当前水位，若得到的数据为负值，则小时蒸发量按0记录。

2 误差分析

在国际气象组织的气象观测指南里，简要概括了采用蒸发器观测的误差主要来源有额外的辐射能、材料的腐蚀和漏水增加了蒸发量，水面的溅落波动、大雨及强风导致测量无效等［7］。基于超声波的自动观测方法考虑了上述误差来源：通过百叶箱保护和连通管消除太阳辐射、水面溅落、大雨和强风的影响，通过采用先进的材料和成熟的工艺避免腐蚀和漏水影响。然而实际使用中，大型蒸发桶和蒸发传感器是处于恶劣的野外露天环境，各个台站的气候环境、生态环境和维护频次又有所区别，蒸发自动观测的准确性仍然受多种因素影响。

2.1 水温变化

任意选取8月12日19：52—14日18：32（北京时，下同）晴朗无雨时广州市国家级地面气象观测站数据，画出蒸发桶水位日变化趋势如图2所示，水位没有随着蒸发量的增加直线下降，而是具有一定的反复涨落变化，其涨落的局部低点和局部高点与气温的最高、最低出现的时间基本一致，显示出水位与气温具有相关性。

图2 8月12日19：52—14日18：32水位和气温随时间变化

地面观测站的设备都在检定有效期内工作，在确定没有降雨增水和观测员人工补水的情况下，水位随气温的缓慢上升和缓慢下降，初步判断是由于蒸发桶内的液态水随气温的变化冷缩热涨造成的。通过理论计算验证如下。

蒸发桶圆锥形部分为高8.7 cm，体积相当于其高的1/3（即2.9 cm）圆柱体。蒸发桶整体按圆柱体模型来计算，高度为62.9 cm。正常情况下水位应该保持在溢流口以下10 cm范围内进行业务观测，即水位应当在整体圆柱体模型的46.9～56.9 cm范围内。设早晨水温在25℃的时候（水密度为0.997 048 g/cm3）水位为50 cm，在中午33℃的时候（水密度为0.994 707 g/cm3），水位为50.12 cm。由于水的密度随水温变化，水位跟随水温（水温与气温密切相关）变化，会呈现明显的涨落，变化量的绝对值与蒸发桶的水深度有关，与蒸发桶的水平截面积无关。水位上涨量ΔL（mm）计算如下：

其中，L0、ρ0分别为初始时刻水位高度（cm）和水密度（g/cm3）；Lt、ρt分别为t时刻的水位高度（cm）和水密度（g/cm3）。

该过程中水位跟随水温的变化为1.2 mm，对于日蒸发量而言是一个不小的误差。该过程中如果真实蒸发量＞1.2 mm，则自动观测数据中，水位上涨将抵消掉1.2 mm的蒸发量；如果真实蒸发量＜1.2 mm，则自动观测数据会记蒸发量为0 mm。

考虑水的冷缩热涨，自动测量的小时蒸发量Em（mm）为

其中，Ea为真实的小时蒸发量（mm），为正值；ΔL为小时内水位的上涨量（mm），若ΔL为负则表示水温下降，水位收缩。

大多数情况下，小时内只有水位收缩量或者上涨量。随着气温升高，水温升高，水位上涨，这个过程中自动测量的蒸发量偏小甚至为0；随着下午和晚上水温下降，水位下落，这个过程自动测量的蒸发量必然偏大。因此小时蒸发量的自动观测数据受水温变化的影响，具有较大的偏差。

水温从日最低升到日最高每1 h内，水位上涨，自动小时蒸发量都比真实蒸发量偏小：ΔL＞0，Em＜Ea。特别地，如果升温时速度很快，上涨时真实蒸发量小于水位上涨量，自动蒸发量将会被记为0，即Ea＜ΔL时，按照观测要求记Em=0。

当水温从日最高降到日最低，水温逐步下降，水位逐步收缩，期间每1 h的自动蒸发量都比真实蒸发量偏大，即ΔL＞0，Em＞Ea。

日蒸发量是以20：00为日界的24 h的小时蒸发量之和。水温上升阶段累计的小时蒸发量比真实蒸发量偏小，水温下降阶段累计的小时蒸发量比真实蒸发量偏大，当偏小和偏大刚好抵消，日蒸发量是准确的。否则日蒸发量将会偏大，因为温升速度快的时候，小时蒸发量被记为0而非负值，而温度下降的时候偏大的小时蒸发量一直被正常记录。

为了进一步证实水温变化对自动测量的小时蒸发量的影响，设计了以下试验：使用DZZ1-2型区域自动气象站对广州市黄埔区地面气象观测站的大型蒸发池进行水温测量，记录每天正点时刻的水温和蒸发水位。通过式（1）计算水位上涨量ΔL，再通过式（2）得到消除了水温变化影响的真实蒸发量，总结水温上升阶段和下降阶段蒸发量的特点。

表1 1月分段的小时等温蒸发量与实测蒸发量

如表1所示，取1月2—5日的小时蒸发量分析，由于在水温连续上升或者连续下降的几个小时中，真实的蒸发量和自动测量误差都会积累，采用连续几个小时的分段累计数据分析更容易发现小时蒸发量的误差规律。表1中记录了每日20：00日水温最大值和最小值对应的水温和水位，计算每日水位上升时段和下降时段的实测蒸发量和等温蒸发量。表1中实测水位指地面业务自动气象站测量的蒸发水位在蒸发桶的实际高度。实测蒸发量指前1个时刻实测水位与当前时刻实测水位之差，即为这一时段内的自动观测蒸发量。

图3 蒸发量随温差的变化

图3 直观地表现了表1中自动仪器实测蒸发量随水温变化产生的偏差规律。从图3可见在水温下降时段，实测蒸发量比真实蒸发量大，幅度与水温下降幅度成正比；在水温上升时段，实测蒸发量比真实蒸发量小，幅度与水温上升幅度成正比。

综上所述，根据当前观测方法要求所计算的小时蒸发量误差较大，水温升降时段的自动观测趋势与实际情况相反：水温上升阶段实测蒸发量偏小，水温下降阶段实测蒸发量偏大，温差越大，误差越大。而日蒸发量误差主要由日水温差决定：温差为正，实测蒸发量偏小，温差为负，实测蒸发量偏大，温差越大差异越大。试验数据里面并没有出现水温上升时段实测蒸发量为0的情况，因为试验期间没有快速升温天气；如果出现这种情况，温升阶段的小时蒸发量误差和日蒸发量误差更加明显。因此，使用水温修正蒸发量是有效的而且是必要的，对于数据的对比和应用都具有很大的意义。

2.2 降雨量

根据观测要求，蒸发自动观测要考虑降雨的影响［8-9］，若因降雨使小时和日蒸发量出现负值时，该值将按0.0 mm处理［1］。考虑降雨影响的时候需要使用雨量传感器的测量数据，但由于降雨在空间分布实际上是不均匀的，并且仪器误差不同，同一个观测场的两个雨量传感器观测到的数据也有所不同［10］。雨量观测最大允许误差为±4%［11］，但对于测量分辨力要求为0.1 mm、最大允许误差为±2%的蒸发量来说，雨量测量误差可能会大于实际的蒸发量。再加上雨量传感器和蒸发桶的承水器高度和承水器边沿风速变化不同，承接降雨的差别很大。当出现降雨，尤其是南方多雨季节，普遍出现的有两种情况：一种是蒸发桶承接降雨比雨量传感器少，小时蒸发量（小时初值水位+降雨量-当前水位）偏大很多；另一种则相反，蒸发桶承接降雨比雨量传感器多，造成蒸发观测偏少。珠江流域年平均蒸发量为1 615.6 mm［12］，日平均蒸发量仅为4.4 mm，广州地面气象观测站夏季小时蒸发量一般不超过1.5 mm，因此使用雨量传感器观测数据来计算蒸发量，可能出现观测误差比实际蒸发量更大的情况。

降雨会迅速降低气温，增加湿度，进而减少蒸发［13］，在降雨期间停止观测虽然会损失一小部分蒸发量测量值，但能够保证蒸发量观测数据的有效性和可用性。

2.3 附着气泡

蒸发自动观测装置强调了连接蒸发桶和测量筒之间的水管要略有倾斜，主要是防止在换水和清洗蒸发桶的时候，新灌水产生的气泡会附着在水管内壁。但即使做到这一点，也难以完全避免气泡附着。气泡的来源有几个：水管内壁并不光滑且难以清洁，时间长可能会长青苔和其他藻类从而产生气体；新灌的自来水包裹着气泡；气压降低或温度升高时水体逸出气体。因此水管内壁附着气泡的概率很大。附着气泡将对蒸发产生两种影响：随着外部气压变化，气泡会膨胀或收缩，造成水位测量误差；气泡不断变大，浮力增大后从水管冒出来，造成测量筒水位突降，产生较大的测量误差。

对于藻类产生气体的情况，除了经常清洗蒸发桶，还可以使用硫酸铜等药物破坏藻类生长，但是药物对于水面张力和附着力的改变对蒸发的影响尚待研究。附着气泡的情况难以完全消除。

2.4 蒸发表面积

利用连通器原理将大型蒸发桶的水引导至百叶箱里再测量，确实避免了太阳辐射带来的温度变化对超声波测量的干扰，也避免了大风造成的水面波动和雨水溅落造成测量误差。由于增加了传感器测量筒处的液面，当探测到蒸发桶水位下降1 mm，实际是蒸发桶和测量筒两个容器的液面同时下降了1 mm。蒸发桶截面积与两个容器截面积之和的比为0.981。仪器厂家通过调整传感器输出信号大小，补偿了测量筒容积增大带来的影响。实际变化量用Ca=Cm/0.981来表示，其中，Cm为测量得到的变化量（m2）。

但测量筒增加的不仅仅是液面，由于它不是密封的，还增加了蒸发量。测量筒液面蒸发的速度与蒸发桶并不成正比，这一部分的蒸发量所占比例很小并且难以量化，成为系统测量不确定度来源的一部分。

3 结论

1）自动测量误差的主要因素有水温变化、降雨量、附着气泡和蒸发表面积。

2）小时蒸发量误差较大，水温升降时段的自动观测趋势与实际情况相反：水温上升阶段实测蒸发量偏小，水温下降阶段实测蒸发量偏大，温差越大，误差也越大。

3）日蒸发量误差主要由日水温差决定：温差为正，实测蒸发量偏小，温差为负，实测蒸发量偏大，温差越大差异越大。

由于试验台站并非处于昼夜温差大的地区，试验数据没有剧烈升温情况，尚未观察到水温迅速上升时段实测蒸发量为负（记为0.0）的情况，如果出现这种情况，温升阶段的小时蒸发量误差和日蒸发量误差更加明显。其次水温采用平均值来计算，不够精确，进一步可以采用插值计算得到不同深度的水温，利用积分公式求得精确的水体体积变化量和水位高度。后续工作将对水温变化和蒸发量的订正关系开展进一步研究。