恰拉水文站自动观测仪器对比分析

阿里木·吐木尔

（新疆维吾尔自治区巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000）

随着社会经济发展，大量的水文自动观测系统正在取代传统常规观测设备。由于技术和精度的原因，新旧2 种观测系统之间存在一定的差异。为使观测精准、规范，需对2种观测系统的观测结果进行对比分析。

1 概况

恰拉水文站于2004 年9 月设立，位于新疆维吾尔自治区尉犁县塔里木乡，是内陆河湖流域叶尔羌河、塔里木河区水系塔里木河上的大河重要控制站，观测项目有水位、流量、降水、蒸发、气温、水质等[1]。该站属省级重要水文站，测验方式为驻测，测验河段顺直长度约500 m，河槽近似于梯形，主槽宽度约50 m，高水控制较好，高、低水位时无岔流、串流、逆流、回水、死水等情况；河床由细砂组成，高、中水受冲淤变化较大；两岸植被较差，河岸无坍塌及河道开挖治理情况，上下游没有对水流及测验有影响的支流、弯道、引排水工程、堤防、桥梁及阻水建筑物，附近无支流汇入。该站多年平均年径流量为6.461×108m3，多年平均年降水量为30.8 mm，实测最大流量为188 m3/s（2017年9月22日）。

塔里木河流域属中温带大陆性干旱气候，冬冷夏热，日温差较大，光照充足，热量丰富，雨量稀少，蒸发量大[2]。降水年际变化不大，年内降水主要集中在5—9月。多年平均年蒸发量为1 926 mm（20 cm蒸发量）[3]。

该站蒸发场设于水文站院内。蒸发场地面积320 m2，场内设有百叶箱、雨量器、E601 型蒸发器、20 cm 口径蒸发器、自动气象站，全年2 种蒸发器同时进行观测。观测场四周为1.0 m高的围栏，场内观测道宽0.5 m，地表植物高度低于0.2 m。2种蒸发器设置于气象场内，各蒸发器的设置符合规范要求。

2 比对观测的方法和意义

恰拉水文站采用自动化气象观测仪器，用以感知自然界风速风向、气温、相对湿度、气压、降雨量、蒸发量。该站进行实时观测，每隔5 min进行数据处理并传输，以满足信息保存和显示的需要。

2.1 选用资料与方法

1 月为冬季枯水期，4、7 月为高温天气和降雨较多时节。根据《地面气象观测规范》要求，选取恰拉水文站2020 年1、4、7 月自动仪器和人工观测的气温、2020年5—9月降水、2020年6—10月20 cm口径蒸发资料，探析自动观测和人工观测数据之间差值的特征和产生差异原因，进而规范自动气象观测仪器的精准性。

2.2 比对观测的意义

目前，全国地面自动气象观测系统正在取代常规主要气象要素的观测，即人工观测的器测项目逐步实现仪器自动化观测。为了寻找出新旧2 种观测方法之间的差异，将它们所获取的资料进行对比是至关重要的。因此，在进行气象要素观测自动化进程中，需要一定时间的平行观测，通过对比分析新旧仪器是否存在同步性、一致性和相关性，而且在统一的气候资料存档和管理原则下，来确保观测资料的客观性和科学性。

3 气温观测对比分析

根据恰拉水文站和当地气温实际，选取2020 年1、4、7 月气象观测资料进行对比分析。依据《地面气象观测规范》第2.4条规定，对每日8、14、20时的自动、人工观测气温数据进行对比，结果显示，8时和14时偏差为-0.1，20时偏差为0，日最高偏差为-0.1，日最低偏差为0.3，均小于标准差0.4 的要求。

3.1 相关性分析

根据恰拉水文站自动与人工观测气温资料统计分别绘制1、4、7 月的8、14、20 时、日最高、日最低自动与人工观测气温相关性，如图1—5 所示，得到相关关系分别为y=0.986 7x+0.010 4（R²=0.999 4）、y=0.985 7x+0.159 8（R²=0.999 3）、y=0.990 6x+0.151 6（R²=0.999 5）、y=0.995 6x+0.023 4（R²=0.999 4）、y=1.000 4x+0.273 2（R²=0.999 2）。从图1—5 可以看出，人工与自动观测的相关数据分布密集且呈直线趋势，斜率为1，说明二者的相关关系显著。

图1 恰拉水文站自动与人工观测8时气温相关性

图2 恰拉水文站自动与人工观测14时气温相关性

图3 恰拉水文站自动与人工观测20时气温相关性

图4 恰拉水文站自动与人工观测日最高气温相关性

图5 恰拉水文站自动与人工观测日最低气温相关性

3.2 误差分析

分别点绘1、4、7 月的8、14、20 时、日最高、日最低自动与人工观测气温的偏差图，经分析得出自动与人工观测气温偏差较小，最大为±0.9°，最小为0，系统偏差为-0.1～0.3，标准差均为0.4。产生差异的主要原因如下。

（1）设备仪器的构造不同。自动仪器采集铂电阻输出电量的变化，用来反映温度表感应部分的水银或乙醇变化。随着温度高低的变化，铂电阻的输出电量很快被采集器采集成线性化进行定标处理，进而实现要素变量的转变，促进感应时间更精确、反映温度变化更及时和灵敏。而人工观测的温度表是靠液体的热胀冷缩来反映气温的变化，虽然温度表的刻度是等距离的，但液体的变化却并非是固定的，而且反映较慢，计数没有温度传感器精准。

（2）观测时间上存在误差。因为观测需要花费时间，所以人工观测一般会提前10 min 对各气象要素进行观测。自动仪器则是自动计时，到正点会按气温、相对湿度、降水、风向风速、气压、地温的顺序瞬时完成观测。一般情况下，人工观测距正点的时间相差5 min 左右，而自动仪器则没有时间误差，其观测数据会更加精准、具有代表性。所以，时间上的不同步会造成气温不同程度的变化。

（3）观测样本数存在较大差异。人工观测时只读取1次仪器值，不可避免地存在视觉和读数视差。而自动仪器的每1个数据都是通过多个样本值求平均得到的，更接近气象要素真实状况，排除了人工造成的干扰和误差。

（4）观测连续精准水平具有差异。自动仪器能连续24 h 对气象要素进行观测，观测时间长、精准。虽然人工观测也有部分要素的自记仪器，但各时次的数据都要通过人工修正，且自记值也较粗略，资料的代表性较差。人工观测要打开百页箱，会受到空气、风力的影响，造成温度变化，而自动仪器观测不会受到这些因素影响。

4 降水观测对比分析

4.1 相关性分析

点绘恰拉水文站5—9 月自动与人工观测日、月降水量相关性，如图6—7 所示，经分析可以得出逐日、逐月自动与人工观测降水量相关关系分别为y=0.998 2x（R²=0.996 4）、y=1.001 6x（R²=0.999 8）。从图6—7 可以看出，人工与自动观测的相关数据分布密集且呈直线趋势，斜率为1，说明二者的相关关系显著。

图6 恰拉水文站自动与人工观测日降水量相关性

图7 恰拉水文站自动与人工观测月降水量相关性

4.2 误差分析

采用2020 年实测资料进行降水量对比分析，自动仪器采集器采集降水量与人工观测降水量的时间相差10 min，单次降水过程中定时观测数值相差较大，特别是临近正点下雨差值更大，但降水总量差别不大。自动与人工观测降水量差值不稳定，其很大原因是观测时间不同步，具体情况详见表1—2。

表1 恰拉水文站自动与人工观测日降水量对比mm

表2 恰拉水文站自动与人工观测月降水量对比mm

4.3 产生误差的主要原因

一方面是自动与人工观测仪器本身所造成的误差；另一方面是自动与人工观测在观测记录时间上存在较大差异，在观测时间上不同步。

5 蒸发观测对比分析

2020 年6 月1 日—10 月31 日，对人工和自动观测蒸发数据进行了比测，其间无缺测和故障，共取得比测数据153 组，比测方法符合《水面蒸发观测规范》（SL630—2013）要求。

5.1 日蒸发量

5.1.1 相关性分析

点绘恰拉水文站6—10 月自动与人工观测逐日蒸发量相关性，如图8 所示，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R2=0.977 4。从图8 可以看出，人工与自动观测的相关数据分布密集且呈直线趋势，斜率为1，说明二者的相关关系显著。

图8 恰拉水文站自动与人工观测逐日蒸发量相关性

5.1.2 误差分析

对2020年6—10月自动和人工观测的日蒸发量数据进行统计分析，结果详见表3。由表3 可知，自动观测的日蒸发量误差在0～1.0 mm 的天数占观测期的百分比为100%，日最大误差为1.0 mm。经分析，自动观测成果是合理的。

表3 2020年6—10月自动与人工观测日蒸发量误差统计

5.2 旬蒸发量

5.2.1 相关性分析

点绘恰拉水文站6—10 月自动和人工观测旬蒸发量相关性，如图9 所示，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R2为0.997 8。从图9 可以看出，人工与自动观测的相关数据分布密集且呈直线趋势，斜率为1，说明二者的相关关系显著。

图9 恰拉水文站自动与人工观测旬蒸发量相关性

5.2.2 误差分析

对2020年6—10月自动和人工观测的各旬蒸发量数据进行统计分析，结果详见表4。由表4 可知，自动与人工观测各旬蒸发量数据相对偏差基本在5.0%以内。

表4 自动与人工观测旬蒸发量对比

5.3 月蒸发量

5.3.1 相关性分析

点绘恰拉水文站6—10月自动和人工观测月蒸发量相关性，如图10所示，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R2为0.998 5。从图10可以看出，人工与自动观测的相关数据分布密集且呈直线趋势，斜率为1，说明二者的相关关系显著。

图10 恰拉水文站自动与人工观测月蒸发量相关性

5.3.2 误差分析

对2020年6—10月自动和人工观测的各月蒸发量数据进行统计分析，结果详见表5。由表5 可知，自动与人工观测各月蒸发量数据相对偏差基本在2%以内，符合《水面蒸发观测规范》（SL630—2013）技术要求[5]。

5.4 影响观测结果的主要因素分析

（1）自动观测每5 min收集1次数据，每日8时统计上一日的蒸发量，而人工观测每日8时收集1次数据。自动观测量程达80 mm/5 min，蒸发精度为0.01 mm，其产生的误差极小。人工观测采用人工降雨量计算日蒸发量，如遇强降雨则增加观测次数，因不同人员、不同观测位置、不同视觉等都是影响蒸发读数的重要因素，故其产生的误差较大。

（2）自动观测生成的数据自动存储，不需录入和人工计算，同时下载的成果报表可直接进行整编；有关技术人员每日登陆相关系统便可检查降水和蒸发等数据，观察其是否合理、有无异值，既便捷又省时；仪器设备可以随时检查维护，有问题可以远程在线维修，即使无法自动观测时也可进行人工观测。而人工观测需人每日8时定时观测，劳动强度大，还不可避免地产生误差，出现误差时也只能根据前后日的数据进行对比校正；每月观测数据还需人工录入计算机方能整编，不仅费时费力，还易产生错误。

6 结语

通过对自动与人工观测的气温、降水、蒸发3 个主要气象要素数据对比分析可知，两者观测值相关度高，接近于1，这说明自动观测仪器测量可靠、所得数据精度较高，同时满足相应规范的技术要求。因此，恰拉水文站自动观测的气温、降水、蒸发数据完全可以代替人工观测值，并应用于该站气温、降水、蒸发资料整编。