AG 2.0型超聲波蒸發(fā)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制分析

高嵩+孟凡一+萬楠楠+張丹丹+張明哲

摘要 為了推進蒸發(fā)自動化觀測進程，掌握AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的觀測性能，按照有、無降水及降水過程強度，依照阜新縣氣象觀測站2013年夏、秋季的觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，對AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的觀測數(shù)據(jù)與理論蒸發(fā)量（彭曼-蒙蒂斯公式）軟件的計算結(jié)果進行比較分析。結(jié)果表明：在無降水日和小雨日，兩者數(shù)據(jù)的差值大部分在理論范圍之內(nèi)；在中雨和大雨時，兩者數(shù)據(jù)的絕對差值較大，有待于進一步試驗與研究。

關(guān)鍵詞 AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器；理論蒸發(fā)量；數(shù)據(jù)比較；質(zhì)量控制

中圖分類號 P414 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）06-0204-02

蒸發(fā)是水平衡的重要組成部分，是水循環(huán)中最直接受土地利用和氣候變化影響的一項，對氣候變化起到調(diào)節(jié)作用。蒸發(fā)量是地面氣象觀測中的重要項目之一。AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器可以實現(xiàn)自動化觀測，有利于提高蒸發(fā)觀測的準(zhǔn)確性、連續(xù)性、穩(wěn)定性，為氣象防災(zāi)減災(zāi)、為農(nóng)服務(wù)和科學(xué)研究等提供重要基礎(chǔ)資料。因此，開發(fā)理論蒸發(fā)量軟件，通過理論蒸發(fā)量計算與蒸發(fā)傳感器的觀測數(shù)據(jù)對比分析，對于AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控具有必要性和直接的現(xiàn)實意義，可減少因某些原因所造成的觀測數(shù)據(jù)可用率低和儀器故障發(fā)現(xiàn)時間晚等現(xiàn)象。本文運用理論蒸發(fā)量（彭曼-蒙蒂斯公式[1]）軟件對2013年6—9月阜新縣觀測站蒸發(fā)理論數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)用AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器的觀測數(shù)據(jù)進行比對分析。

1 軟件計算公式和蒸發(fā)傳感器原理

1.1 軟件計算公式

理論蒸發(fā)量軟件是根據(jù)彭曼公式的改進型公式[2-3]編寫的，公式原型為：

E0=？駐/（？駐+γ）[Ra（1-r）（0.29cos？椎+0.52n/N）]-？駐/（？駐+γ）[δTa4（0.10+0.90n/N）（0.56-0.08ed1/2）]+γ/（？駐+γ）[0.26（1+h/20 000）（1+u/100）（ea-ed）]

對軟件計算數(shù)據(jù)和自動站數(shù)據(jù)對比的結(jié)果給出3種提示：理論范圍之內(nèi)（差值≤1.0）、理論范圍有偏差（1.0<差值≤1.5）和理論范圍偏差較大（差值>1.5）。

1.2 蒸發(fā)傳感器原理

AG 2.0型超聲波蒸發(fā)傳感器是由大型蒸發(fā)器加裝超聲波傳感器組成。根據(jù)超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對大型蒸發(fā)器內(nèi)水面高度變化進行檢測，轉(zhuǎn)換成電信號輸出，并配置溫度校準(zhǔn)部分，以保證測量精度[4]。

2 蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)分析

理論蒸發(fā)量由軟件自動讀取自動站B文件計算求得，自動站蒸發(fā)量數(shù)據(jù)系A(chǔ)G 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)有無降水和降水過程強度進行數(shù)據(jù)比對分析，其中有無降水情況分為有日照和全天無日照2種情況；降水強度分為小雨（0.1～9.9 mm）、中大雨（10.0 mm及以上）2種情況。

2.1 無降水有日照情況

在82 d無降水有日照的天氣情況中，有54 d誤差值在理論范圍內(nèi)，有20 d誤差值和理論范圍有偏差，有8 d誤差值和理論范圍偏差較大。選取27次誤差≤0.5 mm的數(shù)據(jù)進行比較（表1）。對28 d誤差超過理論范圍內(nèi)的氣象資料數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)受風(fēng)速、氣溫、日照等影響，有個別小時蒸發(fā)數(shù)據(jù)為疑誤?？紤]到相關(guān)因素影響，可認(rèn)為理論蒸發(fā)軟件對蒸發(fā)數(shù)據(jù)的質(zhì)量監(jiān)控有重要的參考價值，發(fā)現(xiàn)AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器在個別時次采集的數(shù)據(jù)存在疑誤現(xiàn)象。

2.2 無降水無日照情況

在7 d無降水無日照中，理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器所得數(shù)據(jù)比較見表2。從表中可以看出，7 d無降水無日照的蒸發(fā)絕對誤差都在理論范圍內(nèi)，但是通過對差值較大的6月5日、7月7日和9月17日3 d氣溫、風(fēng)速和相對濕度的等因素對蒸發(fā)傳感器小時數(shù)據(jù)較大，由于理論蒸發(fā)軟件所用數(shù)據(jù)多為平均值，故兩者偏差大屬于合理現(xiàn)象。

2.3 小雨天情況

在22 d小雨天氣情況中，理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)比較見表3?？梢钥闯?，其中有73%的絕對誤差保持在理論蒸發(fā)范圍內(nèi)，另有6次蒸發(fā)差值偏大。分析數(shù)據(jù)表明，此6 d中，有短時降水大、降水時段風(fēng)速較大、降水時段蒸發(fā)傳感器可能有部分?jǐn)?shù)據(jù)疑誤等原因，對數(shù)據(jù)對比都有一定影響。

2.4 中大雨天情況

在6 d中大雨天氣情況中，理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)比較見表4?？梢钥闯?，有3 d絕對誤差在理論蒸發(fā)范圍內(nèi)，另有2 d理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器的數(shù)據(jù)絕對誤差較高。

3 測量誤差分析

在本文對比的所有蒸發(fā)數(shù)據(jù)中，按照無降水和有降水進行分類分析，則在117 d對比分析日中，有89 d無雨，有28 d有雨。在89 d無雨日中，有61 d兩者的絕對誤差在蒸發(fā)軟件的理論范圍內(nèi)；有20 d兩者絕對誤差與理論范圍有偏差，其中有8 d兩者絕對誤差與理論范圍偏差較大（表5）。在28 d有雨日中，有19 d兩者的絕對誤差在蒸發(fā)軟件的理論范圍內(nèi)；有5 d兩者絕對誤差與理論范圍有偏差，其中有4 d兩者絕對誤差與理論范圍偏差較大。

對89 d無雨日中不在理論范圍內(nèi)的28 d數(shù)據(jù)進行研究分析，可初步判定為理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器對比數(shù)據(jù)受日照、風(fēng)速、溫度和相對濕度等因素影響較大。理論蒸發(fā)軟件計算的日蒸發(fā)量一般根據(jù)1 d的平均數(shù)值、日極值和日合計值計算求得，蒸發(fā)傳感器所測得日蒸發(fā)量是由各小時蒸發(fā)量累計而得；不同的運算機制也對數(shù)據(jù)的對比起到一定的影響；蒸發(fā)傳感器采集的部分小時蒸發(fā)數(shù)據(jù)為疑誤數(shù)據(jù)，也一定程度影響數(shù)據(jù)的對比。

對28 d有雨日中不在理論范圍內(nèi)的9 d數(shù)據(jù)進行研究分析，可初步判定為理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器對比數(shù)據(jù)的絕對誤差受降水、風(fēng)速、日照、相對濕度、氣度及地溫等影響，尤其短時強降水和風(fēng)速很大的情況可以造成水面波動、濺水等現(xiàn)象[5]，從而影響蒸發(fā)傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。蒸發(fā)傳感器采集的部分小時蒸發(fā)數(shù)據(jù)為疑誤數(shù)據(jù)，也在一定程度上影響對比數(shù)據(jù)的差異。

由上述分析可知，理論蒸發(fā)軟件與蒸發(fā)傳感器數(shù)據(jù)的絕對誤差大部分都在理論范圍內(nèi)，能滿足日常工作中蒸發(fā)數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控和檢查。絕對誤差偏大的情況有以下幾方面：一是降水、風(fēng)速、日照、溫度及相對濕度等氣象要素影響，這種影響占主要部分；二是蒸發(fā)傳感器采集的部分小時蒸發(fā)數(shù)據(jù)為疑誤數(shù)據(jù)，影響了對比結(jié)果；三是選取不同公式、不同算法、不同統(tǒng)計模式都可能影響對比數(shù)據(jù)，但這種影響較小[6]。

4 結(jié)論

本文通過對理論蒸發(fā)量計算和蒸發(fā)傳感器的觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在無降水日和小雨日理論蒸發(fā)軟件與AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器的數(shù)據(jù)差值大部分在理論范圍之內(nèi)；在中雨和大雨時，兩者數(shù)據(jù)的絕對差值較大。同時，AG 2.0超聲波蒸發(fā)傳感器在短時強降水、大風(fēng)等天氣時數(shù)據(jù)偏大，并且個別時次存在數(shù)據(jù)疑誤現(xiàn)象?？紤]到計算模式和統(tǒng)計模式的不同，初步推斷兩者的絕對誤差與各個氣象因子對蒸發(fā)量影響的比重有關(guān)，或由于蒸發(fā)傳感器采集的部分小時蒸發(fā)數(shù)據(jù)為疑誤數(shù)據(jù)所致，具體原因有待進一步分析。

5 參考文獻

[1] 閌騫.彭曼公式應(yīng)用中的兩個問題的探討[J].氣象，1992（11）：17-21.

[2] 閌騫.利用彭曼公式預(yù)測水面蒸發(fā)量[J].水利水電科技進展，2001，21（1）：37-39.

[3] 于正東，史學(xué)正.我國土壤水分狀況的估算[J].自然資源學(xué)報，1998，13（3）：229-233.

[4] 中國氣象局政策法規(guī)司.氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].1版，北京：氣象出版社，2007：139-143.

[5] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2011：64-67.

[6] 中國氣象局.氣象儀器和觀測方法指南[M].北京：氣象出版社，2011.