基于TEZ-23 遥测技术的头道沟自动气象站蒸发研究

裴晶晶

(哈密水文勘测局,新疆 哈密 839000)

0 引言

气温是气象学中最基本、最普遍的气象要素之一,气温变化对人类、动物和植物的生活和生存都有深刻的影响,因此对气温进行监测和预测具有非常重要的意义。当前气温监测主要手段为自动气象站监测和人工观测。其中,自动气象站是一种自动采集气象要素数据的仪器,通常使用传感器和电子设备来测量温度、湿度、气压、风速和风向等气象要素。自动气象站不需要人工干预即可进行测量,并可以将数据实时传输到中央气象局或其他气象机构,其优点是能够连续不间断地测量气象要素,并且可以在很短的时间内提供数据[1-3]。相比之下,人工气象站是由人工操作的,通常由气象专业人员使用标准设备测量气象要素,这些人员通常会在固定的时间间隔内进行观测,并将测量结果记录在手动记录表格或电脑中。人工气象站的意义在于提供高质量的气象数据,这些数据可以用于校准自动气象站的测量结果,因此对比、分析、探讨自动气象站与人工站气象要素具有重要价值,以确保历史资料的均一性[4-5]。

当前国内学者对自动气象站与人工站气象要素对比进行了相关研究。杨勇[6]对五台山中台新建自动气象站观测资料和历史人工观测资料的降水、气温、相对湿度、风速、气压气象要素的分析,研究了降水量、气温和相对湿度等差异变化;樊万珍等[7]在人工与自动观测资料对比差值分析的基础上,建立人工与自动观测要素间的回归方程,对年序列差异显著的要素进行回归订正和效果对比分析;张琳依等[8]对新津县气象站提供的2006年多要素气象观测资料进行观察分析,对相关数据进行统计,主要包括不同月份及不同时间的气压及气温情况,分析其人工观测方法与自动观测方法所存在的不同差异;钟超[9]针对气温、降水量等气象因素自动站和人工站观测结果差异及其原因进行了分析;孟庆勇等[10]比较新型日照观测仪器和暗筒式日照计所获取资料的差值,给出人工观测资料的换算系数概念,并进一步分析不同差值的形成原因和规律。

本文以伊吾水文站为例,以TEZ-23遥测技术为自动监测手段,选取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自动站观测和人工观测的气温,通过对自动站和人工站观测数据进行统计对比及相关分析,探讨两者差值的特征,分析形成差异的原因,并给出了气象要素间的回归方程,研究成果可为相关工程提供参考。

1 测站概况

伊吾水文站于2011年1月设立,领导机关为新疆维吾尔自治区水文局,位于新疆维吾尔自治区伊吾县吐葫芦乡拜其尔村,地理坐标为东经94°45′,北纬43°16′,是内陆河湖流域哈密、吐鲁番地区诸河水系伊吾河上的控制站,流入峡沟水库。该站是省级重要水文站,测验方式为驻巡测。伊吾水文站观测项目主要有水位、流量、普通测量、降水量、气温、水质等。测验断面位于站房17 km其中8 km为沙石土路,河段顺直长度约为150 m,河漫滩发育,阶地不明显,两岸为柳树林和红柳灌木丛。高水期有逆流、回水、死水等现象,低水期有岔流、串沟、死水等现象。该站多年年平均径流量0.841亿 m3、最大年径流1.1858 m3(2018年)、实测最大流量241 m3/s(2018年7月31日)。根据2014-2019年观测资料反映,多年平均气温为 5.0℃,夏季极端最高气温为 33℃,冬季极端最低气温为-24.9℃。场内设有百叶箱、雨量器、20 cm口径蒸发器、自动气象站(气象六要素包括气温、降水、蒸发),全年两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。两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 TEZ-23遥测技术

TEZ-23遥测技术是一种基于无线通信技术和微处理器控制技术的遥测系统,由遥测终端、通讯网络和监控中心三部分组成。遥测终端是指在被监测对象附近安装的传感器、控制器和数据采集器等设备,负责采集和传输被监测对象的数据;通讯网络是指将遥测终端采集的数据传输到监控中心的无线通讯网络,通常采用GSM/GPRS或者CDMA等通信技术;监控中心则是指接收、处理和分析来自遥测终端的数据,实现对被监测对象的远程监控和控制。

TEZ-23遥测技术具有以下优点:实时性强:遥测终端可以实时采集被监测对象的数据,并通过无线通信技术将数据传输到监控中心,实现对被监测对象的实时监控。精度高:遥测终端采用了高精度的传感器和控制器,可以对被监测对象的数据进行高精度的采集和控制。范围广:TEZ-23遥测技术可以监测和控制各种类型的被监测对象,包括水文、气象、环境、能源、安防等领域。维护成本低:由于TEZ-23遥测技术采用了无线通信技术,可以避免传统有线监测系统的布线和维护成本。因此,TEZ-23遥测技术在农业、水利、环保、能源、安防等领域得到了广泛的应用。图1为TEZ-23系列全自动水面遥测蒸发站。

图1 TEZ-23系列全自动水面遥测蒸发站

3 气温相关性及误差分析

本站采用TEZ-23设备感知自然界气温,同时将其转换为模拟信号、开关信息量输出,以满足信息传输、处理、记录和显示的需要,进行时时观测,每隔5 min进行数据处理并传输。根据《地面气象观测规范》的要求,选取伊吾水文站 2022年6月、7月、8月自动站观测和人工观测的气温,通过对自动站和人工站观测数据进行统计对比及相关分析,探讨两者差值的特征,分析形成差异的原因。表1给出了部分伊吾站自动与人工气温观测资料统计。

表1 伊吾站自动与人工气温观测资料统计

3.1 相关性分析

根据表1 伊吾站自动与人工气温观测资料统计分别绘制6月、7月、8月8时、14时、20时、日最高、日最低自动与人工观测气温相关图。6月5日26日27日因数据传输有误删除。通过图2～图6可以看出,8时、14时、20时、日最高、日最低自动与人工观测气温相关系分别为y=1.022x-1.486(R2= 0.940)、y=0.961x+0.185(R2=0.977)、y=0.902x+1.464(R2=0.957)、y=0.893x+1.943(R2=0.938)、y=0.949x-1.320(R2=0.968),人工观测与自动观测的相关点在图上分布密集,呈直线趋势,两者的相关系数很高,说明两种观测方式取得的监测数据存在明确的线性关系,斜率接近1,且相关关系显著。这种趋势可以说明人工观测与自动观测之间的数据存在较高的一致性和可比性,两种观测方式的数据在某些方面具有相似的趋势和特征,可以相互印证和验证。同时,由于两种观测方式的数据具有明显的线性关系,可以使用一种观测方式的数据来预测或估算另一种观测方式的数据,从而更好地理解和分析监测数据。在某些情况下,如果自动观测设备不能正常运行,人工观测数据可以作为替代数据使用,以保证数据的连续性和准确性。值得一提的是,如果人工观测数据和自动观测数据存在较大差异,需要进一步分析原因并进行校准,以保证监测数据的准确性和可靠性。

图2 伊吾站8时自动与人工气温相关图

图4 伊吾站20时自动与人工气温相关图

图6 伊吾站自动与人工最低气温相关图

3.2 误差分析

分别点绘6月、7月、8月8时、14时、20时、日最高、日最低自动与人工观测气温的偏差图见图7～图9。产生差异的主要原因有:自动站采用铂电阻作为温度传感器,其输出电量随温度变化而变化,而温度表则靠液体热胀冷缩来指示温度变化。另外,铂电阻的感应时间常数比温度表更小,对温度变化更为灵敏; 人工站的观测时间是在正点前10 min对各气象要素逐项进行观测,而自动站则是在正点瞬时完成各要素的观测。两种观测体制的时间上存在明显差异,人工观测距正点的时间相差约5分钟;自动站的每个数据都是通过多个样本值求平均得到,而人工站只是在观测时读取一次仪器值。这使得自动站数据更接近真实状况,排除了人工站仪器惯性的影响; 人工观测需要打开百页箱,会产生空气对流对温度记录产生影响,而自动站观测不存在此情况;自动站能连续 24 h对气象要素进行观测,虽然人工站也有部分要素的自记仪器,但各时次的数据都要通过人工订正,且自记值的示值也较粗略,资料的代表性不如自动站。人工站观测数据存在气象观测员的读数视差。最后,由图6～图8以及样本数据得出,自记气温与人工偏差较小,最大为±3.8°,最小为±0.0°系统偏差为0.82～1.13之间,标准差在0.6～0.9之间。

图7 6月自动与人工观测气温的偏差图

图8 7月自动与人工观测气温的偏差图

图9 8月自动与人工观测气温的偏差图

4 结语

本文以伊吾水文站为例,以TEZ-23遥测技术为自动监测手段,选取伊吾水文站 2022 年6月、7月、8月自动站观测和人工观测的气温,通过对自动站和人工站观测数据进行统计对比及相关分析,探讨两者差值的特征,分析形成差异的原因,并给出了气象要素间的回归方程。研究结果表明,自动站与人工观测值相关度很高,最高可达0.977,最低为0.938,可以认伊吾站人工气温和电子气温的系数为0.96,两者相关可以达到0.96,接近于1。这一结果说明,自动站测量数据理论精度较高,同时能实现自动站的可靠测量,满足相应规范的技术要求,所以伊吾站自动站观测的气温完全可代替人工观测值,并应用于伊吾站气温观测及资料整编。