自动蒸发传感器故障时段测量值可代替性研究

党雪妮，冉光辉

林芝市气象局，西藏林芝 860000

气象站测定的蒸发量是水面（含结冰时）蒸发量，它是指一定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度，以毫米（mm）为单位，取1位小数[1]。蒸发量对气候变化研究、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义，蒸发资料的不完整会严重影响科研工作的结果。气象台站日常观测工作中，常会出现因自动蒸发传感器故障导致蒸发量小时或者日蒸发量缺测，影响观测资料的连续性。按照地面气象观测业务技术规定（2016版）当新型自动站蒸发设备故障时，若连续缺测2 h以上,用安装在蒸发桶内的传感器数据代替。根据相关研究文献表明：备份站数据可用性较差，基本不可用[3-5]。利用林芝国家基准气候站2020年4—7月，每日08:00、14:00、20:00人工（测针读数）与对应时次的自动超声波蒸发分钟水位。将所获得的两组数据采用一元线性回归方法确定其对应关系，可计算缺测时段蒸发量，避免了蒸发传感器故障造成日蒸发缺测，造成蒸发量缺测，提高观测资料的准确性和连续性。此方法为使用AG2.0蒸发传感器的台站参考使用。

1 工作原理与数据获取

安装在E601B型蒸发器内的测针原理采用螺旋测微器。安装在蒸发桶内北面百叶箱内的自动蒸发传感器AG2.0根据超声波测距原理（图1）[6]。

图1 林芝国家基准气候站蒸发观测仪器

人工观测日测量值每天20:00进行观测，即测量时水面高度，当天的测量水面高度记入次日观测薄。计算蒸发量的公式为：蒸发量=前一日水面高度+降水量（以雨量器观测值为准）-测量时水面高度。自动蒸发传感器AG2.0能够采集蒸发桶内水面的连续变化（1 min），自动计算出1 h（60 min的水位高度，去除1个高水位值，1个低水位值，用加权平均后处理过后的高水位减去低水位），累计20:00至翌日20:00的小时蒸发量即为1 d蒸发量。

2 数据来源与分析方法

仪器性能主要技术参数和指标。a.人工测针测量范围：0～70 mm；分辨力：0.1 mm；测量的准确度：±0.1 mm，≤5 mm；±2%，＞5 mm。b.自动蒸发传感器AG2.0最大测量范围：0～100 mm；分辨力：0.1 mm；最大允许误差：±0.3 mm（当蒸发量≤10 mm时）；≤±（0.3 mm+1%FS）（当 蒸 发 量＞10 mm时）。a、b 2种仪器性能虽不相同，但均符合《地面气象观测规范》要求。利用林芝国家基准气候站2020年4—8月，每日08:00、14:00、20:00人工（测针读数）与对应时次的自动超声波蒸发分钟水位（来源于地面综合观测业务软件Ver 3.0.2.330的分钟要素查询里的当前蒸发水位）。将所获得的2组数据采用一元线性回归方法确定其对应关系。

3 结果与分析

3.1 公式来源

利用林芝国家基准气候站4—7月，08:00、14:00、20:00人工、自动水位读数样本数据各100个，建立一元线性回归方程：

其中，x为自动超声波蒸发分钟水位，y为公式计算出相对应的测针读数；式（1）、（2）、（3）分别08:00、14:00、20:00一元线性回归方程；式（4）为08:00、14:00、20:00人工、自动样本各300个数据建立的总方程。

3.2 回归方程验证

利用一元性线回归方程，分时次、分段落验证林芝国家基准气候站7月1—10日数据，结果见表1～表3，用一元线性回归方程计算结果与人工读数结果相比较：绝对值最大误差为0.3 mm，最小误差为0.0 mm，符合《地面气象观测规范》要求。表明该方法所建立方程可用。

表1 林芝站7月1—10日08:00验证表 mm

表3 林芝站7月1—10日20:00验证表 mm

3.3 绝对误差、相对误差及t检验

使用公式y= 0.9662x-40.723对林芝国家基准气候站2019年4－9月份人工日蒸发量和该月的自动蒸发量进行绝对误差和相对误差及t检验。

3.3.1 2种方法计算月蒸发量结果比较以自动蒸发传感器AG2.0测量值为标准值，自动观测水位与人工读数对应所求公式计算出的月蒸发量合计值比较见表4。经比较分析得出4—9月绝对偏差和相对偏差都十分小，7月和8月差较大原因是降水频繁且量大维护不当造成。

表2 林芝站7月1—10日14:00验证表 mm

表4 公式计算得出的日蒸发量（20:00至翌日20:00）与自动蒸发传感器AG2.0测量值比较

3.3.2 显著性检验采用t检验，显著水平0.01，用本站近20年月蒸发量对2019年4—9月用公式计算求得月蒸发量进行t检验，结果见表5。

表5 t检验（显著水平0.01的标准值为2.58）

由表5可以看出。利用自动蒸发水位和人工测针读数确定的公式计算出的日蒸发量，可与自动观测日蒸发量可以合并使用。

具体方法：计算所得的日蒸发量与自动日蒸发量的差值（百分比），用1减去差值，确定合并使用获取蒸发量的换算系数，用计算所得蒸发量乘以换算系数[6]。

4 结论与建议

（1）用自动蒸发水位和人工读数所确定的方程，计算所得的日蒸发量绝对偏差和相对偏差都非十分小。

（2）显著性t检验结果表明：利用自动蒸发水位和人工测针读数确定的公式计算出的日蒸发量，可与自动观测日蒸发量可以合并使用。

（3）当自动蒸发传感器故障或维护不当时，可利用自动蒸发水位和人工读数对应的关系，计算缺测蒸发量。

（4）日常工作中严格按照《地面气象观测规范》进行蒸发器维护。

（5）该方法适用于AG2.0自动蒸发传感器所使用的台站。样本数据越多所得公式越精准。