开垦河水文站自动气象监测与人工观测气温对比分析

程相勤

（新疆禹通工程监理有限公司，新疆 阿勒泰 836500）

当前，中小流域水文观测仍以传统的人工观测方式为主，人工观测存在工作效率低、受环境干扰强、观测精度低等问题，特别是在高山峡谷、干旱缺氧等恶劣环境下观测将严重威胁观测人员安全，自动气象监测则是应对这困难的有力途径[1]。随着现代科技的进步与发展，先进技术和仪器设备在水文领域不断推广应用，监测手段由传统人工观测逐步转向自动监测与巡测、驻测相结合的模式，自动化水平逐步提高[2]。近些年，国家持续加大水文基础设施建设投入力度，水文站网布局进一步完善，监测能力得到提高，服务水平和水文现代化水平不断提升[3]。水文站网逐步完善，基本形成完整体系，我国已建成空间分布基本合理、监测项目比较齐全、测站功能较为完善的水文站网体系，实现了对大江大河及其主要支流、有重点防洪任务的中小河流水文监测基本覆盖[4-5]。2022 年7 月以来，长江流域持续高温少雨，江河来水严重偏少，江湖水位持续走低，旱情快速发展，为保障长江流域应急水量调度方案科学合理，水文观测基础数据及结果分析显得尤为重要[6]。建立流域水文自动气象监测体系，有利于服务水利对象决策、调度管理，并实现动态管理和在线更新[7]。规模化以上的江河湖泊正逐步完善建立自动气象监测数据管理体系，为防汛抗旱以及水利突发事件的应急处置提供精准化支撑[8]。本文以开垦河水文站为研究对象，对自动气象监测数据与人工观测数据进行对比分析，并基于分析结果评价自动气象监测数据合理性。

1 水文站概况

1.1 测站基本情况

开垦河水文站设于1956 年10月，集水面积371km2，河段长34 km。开垦河发源于天山东段北坡，径流的主要补给源为大气降水、中低山带的季节性积雪融水。开垦河水文站位于昌吉市奇台县七户乡七户一村，为国家基本水文站，属二类精度水文站。开垦河站气象蒸发场位于出山口地形，高程1 502 m，气象蒸发场规格为16 m×20 m，观测场距离建筑物约40 m。

1.2 测站设施情况

为实现水文测量工作自动化和信息化，适应现代社会对水文测验的要求，降低野外测验人员工作强度，实现水文测验资料监测自动化。开垦河站于2013 年9 月安装TRM-ZS9 型中尺度自动气象站，经过对设备不断调试、升级，目前观测数据可同步传输至昌吉水文勘测局服务器，每月对自动气象站进行校检3 次，包括仪器电源设备、网络及仪器的时间等，有校检记录。该站自动气象站主电采用太阳能供电，配有UPS 备用电源。自动气象站数据可网络传输和本地自行存储，在发现断网、停电的情况，在一个月内可从自动气象站本地存储中调取，在自动气象站调试升级或其它自动气象站不能正常运行的情况下，应立即恢复人工观测，并记录原因。

2 仪器设备与数据选取

2.1 自动气象仪器设备

为保证开垦河站气温比测资料的一致性，自动气象站布设在气象场内，人工观测温度计和自动气象站气温感应器都布设在同一高度。开垦河站自动气象站位于百叶箱旁，2019 年开始使用，采用TRM-ZS9型中尺度自动气象站，主要由气象传感器、气象数据记录仪、气象环境监测软件三部分组成，可监测风向、温度、湿度、雨量等要素。温湿度采集器安装在支架横臂上，感应探头距地面1.5 m，横臂指向南。

该自动气象站的工作原理：传感器将对应气象要素变化转换成电信号变化，这种变化由单片机控制的数据采集器采集，进行定标处理，经过处理后获得各个气象要素的实时值，然后由通信模块传输到中心站的微机上。数据采集依托自动气象站数据采集器，主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输。自动气象站采集到的气象数据，需通过传输系统发至水文站指定的位置，供相关人员做数据分析。传输方式分2 种：①本地传输，设备有线连接，一般为RS485 传输；②无线传输，常用的无线传输方式为4G 传输。通过物联网把采集到的数据通过4G 网传到服务器。

TRM-ZS9 型自动气象站主要气象技术参数见表1，主要组成构件见表2。

表1 TRM-ZS9 型自动气象站主要气象技术参数

表2 TRM-ZS9 型自动气象站主要组成构件

2.2 观测数据选取

经多次现场调试后，开垦河站于2020 年1 月1 日起开始进行人工与自动气象站比测工作，每天8 时、14 时、20 时人工观测百叶箱内干球温度时，同时观测TRM-ZS9 型自动气象站记录环境气温。本文采用2020 年日平均、最高、最低气温各342 组数据进行比测分析。自动气象站和人工观测气温比测数据均是从2020 年1 月1 日到12 月31 日（2 月13 日～15 日、9 月17 日-30 日、12 月25-31 日自动气象站观测气温无数据，不进行对比分析）。

3 分析结果

3.1 气温偏差分析

在进行数据统计分析前，首先剔除在测量过程中受环境或人为因素干扰记录下来的不切合实际的异常值。根据《自动气象站观测规范》（GB/T 33703-2017）的要求，将人工观测气温减去自动气象站同步记录的环境气温得到差值，分析两个气温变化受外部因素影响程度。

对人工定时观测数据与自动气象站记录环境气温进行差值分析，8 时气温偏差在-1.8～1.7℃之间，14 时气温偏差在-2～1.4℃之间，20 时气温偏差在-2～2℃之间，见表3。日平均气温偏差范围在-1.3～0.8℃之间，日最高气温偏差在-2～2℃之间，日最低气温偏差在-2.0～2.0 之间，见表4。年最高气温偏差-0.6℃，年最低气温偏差0.4℃，年平均气温偏差-0.1℃，见表5。

表3 自动化与人工观测定时气温对比表

表4 自动化与人工观测气温偏差对比表

表5 自动化与人工观测气温对比表

3.2 气温差值分析

由表6 可以看出8 时气温差值介于-1～0℃统计次数最多，出现202 次，出现频率为59.1%；其次为差值介于0～1℃的出现83 次，出现频率为24.3%。14 时气温差值介于-1～0℃统计次数也最多，出现183 次，出现频率为53.5%；差值介于0～1℃的出现86 次，出现频率为25.1%。20 时气温差值介于-0～1℃统计次数最多，出现149 次，出现频率为43.6%；差值介于-1～0℃的出现111 次，出现频率为32.5%。

表6 人工观测与自动气象站观测气温差值统计表

可以看出人工观测与自动化气象站观测日平均气温差值介于-1～0℃统计次数最多，出现263 次，出现频率为76.9%；其次为差值介于0～1℃的出现72次，出现频率为21.1%。日最高气温差值介于-1～0℃统计次数亦最多，出现139 次，出现频率为40.6%；其次为差值介于0～1℃的出现114 次，出现频率为33.3%。日最低气温差值介于-1～0℃统计次数最多，出现165 次，出现频率为48.2%；其次为差值介于-1.5～-1℃的出现124 次，出现频率为36.3%。具体见表7。

表7 两种不同方法观测气温均值/极值差值一览表

基于上述气温偏差与气温差值的分析，表明采用TRM-ZS9 型自动气象站和人工观测方法所测得的数据，在8 时、14 时和20 时的气温偏差介于-2～2℃，出现频率最多的气温差值为-1～0℃，说明自动与人工观测数据的差值小，测量误差在合理运行范围内，该TRM-ZS9 型自动气象站可替代人工进行观测。

3.3 相关性分析

通过对人工观测与自动化气象站观测的气温数据系列建立相关关系（图1-6），分析相关性和变化是否连续、有无突变现象。基于每日8 时、14 时、20 时、日平均气温、日最高气温、日最低气温可以看出数据观测无突变现象，均呈线性关系，相关性良好。

图1 开垦河站8 时气温两种不同方法记录相关图

图2 开垦河站14 时气温两种不同方法记录相关图

图3 开垦河站20 时气温两种不同方法记录相关图

图4 开垦河站平均气温两种不同方法记录相关图

图5 开垦河站最高气温两种不同方法记录相关图

图6 开垦河站最低气温两种不同方法记录相关图

4 结论与展望

本文通过人工观测与自动观测气温差值分析，得出8 时、14 时、20 时气温偏差，日平均、最高、最低气温偏差，年平均、最高、最低气温偏差，以及气温差值出现次数和频率，结果表明二者的气温数据差值小，所测数据吻合度高。当前流域水文监测自动化程度不足，新技术新仪器研发应用水平有待提升，基于人工智能、大数据的水文信息监测及反馈分析技术是后续的重点研究方向。