陸水水庫(kù)(壩上)站自動(dòng)與人工觀測(cè)蒸發(fā)資料對(duì)比分析

，，

(長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 引 言

觀測(cè)水面蒸發(fā)量是為了探索水面蒸發(fā)在不同地區(qū)和時(shí)間上的分布規(guī)律，為水文水利計(jì)算、水文預(yù)報(bào)、水資源評(píng)價(jià)和科學(xué)研究提供依據(jù)。蒸發(fā)量是地面熱量平衡和水量平衡的重要組成部分，一直是國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)、地理學(xué)、土壤學(xué)、水文學(xué)等相關(guān)學(xué)科關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。到目前為止已有大量的傳統(tǒng)估算法和模擬估算法等方法來計(jì)算蒸發(fā)量。但蒸發(fā)量獲取的最根本辦法還是直接觀測(cè)。目前在我國(guó)水文部門對(duì)水面蒸發(fā)量的觀測(cè)沒有普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。采用人工觀測(cè)易產(chǎn)生人為誤差，且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，更不能記錄到水面蒸發(fā)量的日內(nèi)變化。陸水水庫(kù)(壩上)站于2015年初完成蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)的升級(jí)改造。蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的平行比測(cè)工作于3月1日正式開始，對(duì)本站3～5月1 000多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)對(duì)比分析來評(píng)估自動(dòng)化觀測(cè)資料的可用性。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)的比測(cè)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集整理

FFZ—01Z型數(shù)字式水面自動(dòng)蒸發(fā)站于2014年11月16日始在赤壁分局所屬陸水水庫(kù)(壩上)站開始進(jìn)場(chǎng)安裝。CAWS600型自動(dòng)氣象站則于2015年1月10日開始進(jìn)場(chǎng)安裝。經(jīng)過一段時(shí)間的設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)行后，蒸發(fā)氣象自動(dòng)站自2015年3月1日起基本達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過幾次調(diào)試后，其數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存自5月起基本趨于正常。

比測(cè)工作于2015年3月1日起開始實(shí)施。FFZ-01Z型蒸發(fā)站的蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)的分辨率均為0.1mm，溫度的分辨率為0.1℃。與傳統(tǒng)人工觀測(cè)的分辨率均一致。其溢流量分辨率為0.01mm，符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最高等級(jí)要求。目前我分局安裝的FFZ-01Z型自動(dòng)蒸發(fā)站及自動(dòng)氣象站與GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置已連接組成遙測(cè)站，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到我分局所屬的陸水水情分中心。

數(shù)據(jù)整理、采用情況：FFZ-01Z型蒸發(fā)站和新型自動(dòng)氣象站發(fā)送到水情分中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)拷貝出來后進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。篩選方案則采用每日8時(shí)(人工觀測(cè)時(shí)間一致)的蒸發(fā)量及雨量數(shù)據(jù)，以及每日8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)(人工觀測(cè)時(shí)間一致)的表層水溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)。2015年3月1日至2015年5月31日共計(jì)184個(gè)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)和雨量數(shù)據(jù)(20m2蒸發(fā)池和E601B型蒸發(fā)器各92個(gè)數(shù)據(jù))，2015年5月1日～2015年5月31日共計(jì)186個(gè)表層水溫?cái)?shù)據(jù)(20m2蒸發(fā)池和E601B型蒸發(fā)器各93個(gè)數(shù)據(jù))和276個(gè)氣溫?cái)?shù)據(jù),比測(cè)分析將以上自記數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)水溫和氣溫及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算。

2.2 比測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析

對(duì)上述所有項(xiàng)目(干球溫度、蒸發(fā)量、降水量、相對(duì)濕度、蒸發(fā)器(池)表層水溫及最高最低溫度)分別進(jìn)行人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自記數(shù)據(jù)的對(duì)比分析(分析數(shù)據(jù)為3～5月所有自記儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，未經(jīng)任何刪減)。分析結(jié)果如下：

在此比測(cè)期間，氣溫變幅在2.6～33.3℃。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-2.2℃；系統(tǒng)誤差：0.09℃；偏差：0.18℃；≤0.2℃保證率：81.9%。其中最大偶然誤差-2.2℃的產(chǎn)生經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),是由于當(dāng)時(shí)安裝調(diào)試場(chǎng)內(nèi)儀器時(shí)操作產(chǎn)生觸動(dòng)導(dǎo)致，在今后的儀器正常運(yùn)行過程中是可以避免的。其他的指標(biāo)顯示結(jié)果較好。

20m2蒸發(fā)池蒸發(fā)量變幅在0.2～4.0mm。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：14.9mm；系統(tǒng)誤差：0.08mm；偏差：0.45mm；≤0.2mm保證率：69.6%。其中最大偶然誤差14.9mm的產(chǎn)生是誤碼所致，錯(cuò)誤很明顯。在數(shù)據(jù)校核過程中很容易被發(fā)現(xiàn)并參照E601B型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量將其進(jìn)行合理化處理。將來隨著儀器設(shè)備的更新，這樣的誤碼問題也會(huì)逐漸減少甚至消失。若去除該誤碼數(shù)據(jù)，最大偶然誤差減小為2.9mm、偏差也減小到0.29mm。

E601B型蒸發(fā)器蒸發(fā)量變幅在0.3～5.5mm。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-1.1mm；系統(tǒng)誤差：-0.03mm；偏差：0.14mm；≤0.2mm保證率：81.5%。指標(biāo)顯示結(jié)果較好。

20m2蒸發(fā)池雨量變幅在0.0～90.7mm。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-1.8mm；系統(tǒng)誤差：-0.09mm；偏差：0.11mm；≤0.2mm保證率：88.0%。指標(biāo)顯示結(jié)果較好。

E601B型蒸發(fā)器雨量變幅在0.0～90.7mm。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-1.3mm；系統(tǒng)誤差：-0.05 mm；偏差：0.07mm；≤0.2mm保證率：94.6%。指標(biāo)顯示結(jié)果較好。

20m2蒸發(fā)池雨量表層水溫變幅在23.5～31.5℃。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-24.2℃；系統(tǒng)誤差：-0.42℃；偏差：0.46℃；≤0.2℃保證率：88.0%。其中最大偶然偏差-24.2℃的產(chǎn)生是由誤碼所致，錯(cuò)誤也很明顯。在數(shù)據(jù)校核過程中很容易被發(fā)現(xiàn)并參照E601B型蒸發(fā)器的表層水溫將其進(jìn)行合理化處理。若去除該誤碼數(shù)據(jù)，最大偶然誤差減小為-3.9℃、系統(tǒng)誤差減小為-0.16℃、偏差也減小到0.20℃。另外5月1日至4日產(chǎn)生的較大偏差是由于設(shè)備安裝調(diào)試期間初運(yùn)行的不穩(wěn)定導(dǎo)致，此類情況在今后基本不會(huì)再出現(xiàn)。

E601B型蒸發(fā)器表層水溫變幅在20.1～31.8℃。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-27.0℃；系統(tǒng)誤差：-0.83℃；偏差：0.89℃；≤0.2℃保證率：89.1%。其中最大偶然偏差-27.0℃的產(chǎn)生是由誤碼所致，錯(cuò)誤也很明顯，此數(shù)據(jù)系列中共有3次誤碼出現(xiàn)。導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和偏差較大。此類數(shù)據(jù)在校核過程中很容易被發(fā)現(xiàn)并可參照20m2蒸發(fā)池的表層水溫將其進(jìn)行合理化處理。經(jīng)過廠家調(diào)試人員檢查，發(fā)現(xiàn)是傳感器的接觸問題。在將其更換后數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定并沒有誤碼出現(xiàn)。

相對(duì)濕度變幅在58%～98%。經(jīng)過整理計(jì)算，比測(cè)結(jié)果如下：最大偶然偏差：-10%；系統(tǒng)誤差：-2.66%；偏差：2.79%；≤2%保證率：50.0%。指標(biāo)顯示人工與自記結(jié)果相差較大，由于人工觀測(cè)相對(duì)濕度不是直接觀測(cè)值，是采用干濕球溫度觀測(cè)后利用公式計(jì)算出來的計(jì)算值。其數(shù)據(jù)受溫度計(jì)的觀測(cè)誤差的影響較大。而自記相對(duì)濕度是測(cè)濕元件即聚合物薄膜電容傳感器感濕后經(jīng)過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)信息。兩種方法觀測(cè)原理不同，可比性差。

最高最低氣溫?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比性更差，本次分析不做表述。風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)由于觀測(cè)設(shè)備的大不相同，不予進(jìn)行比測(cè)分析。

以上比測(cè)項(xiàng)目在去除誤碼數(shù)據(jù)后的分析統(tǒng)計(jì)值見下表1。

經(jīng)以上分析可知，自記儀器在安裝完畢運(yùn)行一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)的采集基本趨于穩(wěn)定。在保證儀器不遭受嚴(yán)重外力損壞的情況下，數(shù)據(jù)可以正常采集并記錄。自記數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)顯示良好，各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)的誤差基本都在規(guī)范的允許范圍內(nèi)，基本達(dá)到投產(chǎn)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。如果自記儀器可以正式上崗運(yùn)行，將給基層測(cè)站大大減輕人員長(zhǎng)期觀測(cè)的束縛，解放更多的生產(chǎn)力出來，可以進(jìn)行其他項(xiàng)目的創(chuàng)新研究。其次，人工數(shù)據(jù)畢竟靠職工肉眼觀測(cè)，這不僅對(duì)職工的雙眼視力和工作負(fù)責(zé)的態(tài)度要求很高，還依賴觀測(cè)計(jì)量?jī)x器的精度保持水平。再者在發(fā)生惡劣雷暴天氣時(shí)，常伴有電閃雷鳴，狂風(fēng)驟雨，此時(shí)人工觀測(cè)存在極大的安全隱患。綜上，筆者認(rèn)為人工觀測(cè)數(shù)據(jù)較之自記儀器數(shù)據(jù)，出錯(cuò)的幾率很大且不可追溯更改，其精度和準(zhǔn)度是較難保證的。

表1 赤壁分局蒸發(fā)氣象自動(dòng)站數(shù)據(jù)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語

通過對(duì)陸水水庫(kù)(壩上)站2015年03～05月人工與自記觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果總體較好，誤差基本都在允許范圍內(nèi)。具體結(jié)論如下：

(1)自動(dòng)蒸發(fā)氣象站各項(xiàng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值總體對(duì)比結(jié)果誤差較小，基本滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求，符合投產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)。

(2)自動(dòng)蒸發(fā)氣象站數(shù)據(jù)的采集基本可靠，但在傳輸和后處理部分還存在少數(shù)數(shù)據(jù)誤碼、數(shù)據(jù)缺失問題，需要加強(qiáng)人工監(jiān)視及比測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、不斷更新設(shè)備及軟件并從根本上解決此類問題。

(3)氣象部分的觀測(cè)一套均采用華云公司產(chǎn)品，全國(guó)氣象單位及多數(shù)水文單位基本都是安裝華云公司該套儀器設(shè)備。觀測(cè)原理基本均為傳感器和采集器的優(yōu)化組合。該設(shè)備屬國(guó)家氣象部門幾十年的發(fā)展成果，運(yùn)行成熟、成果較為可靠。