人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深的差異及其影響因素

周 鵬， 楊 帥， 楊 斌， 閆利霞， 郭淑靜， 張澤秀， 武鐵飛

(1.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000； 2.張家口市氣象局，河北 張家口 075000； 3.霸州市氣象局，河北 廊坊 065700； 4.太原市氣象局，山西 太原 030082； 5.北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100071)

積雪直接或間接地影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此監(jiān)測(cè)積雪深度對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[1-3]。積雪深度觀測(cè)是國(guó)家地面氣象觀測(cè)站的基本觀測(cè)項(xiàng)目之一，是指從積雪表面到地面的垂直深度[4]。目前，氣象站測(cè)量積雪深度主要有人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量2種方法。人工測(cè)量方法，即使用量雪尺或普通米尺在氣象觀測(cè)場(chǎng)附近選定3個(gè)平整好的地段進(jìn)行測(cè)量[4]。自動(dòng)測(cè)量方法，根據(jù)超聲波和激光測(cè)距原理采用雪深儀器進(jìn)行測(cè)量[5-9]。隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，利用自動(dòng)雪深儀測(cè)量積雪深度正逐漸成為一種趨勢(shì)。

目前，河北省氣象部門(mén)仍以人工測(cè)量方法為主，自動(dòng)測(cè)量方法為輔，自動(dòng)測(cè)量?jī)x器多為超聲波雪深儀。然而，有關(guān)超聲波傳感器測(cè)量與人工觀測(cè)積雪深度的誤差大小、差異原因及其影響因素的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，利用2014年2月至2017年12月河北省廊坊市和張家口市6個(gè)氣象站超聲波傳感器與人工觀測(cè)的雪深數(shù)據(jù)，研究2種方法測(cè)得的結(jié)果誤差大小、差異性及其影響因素，以期為超聲波雪深儀的應(yīng)用及農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 2014年2月至2017年12月的日平均風(fēng)速(10 min平均風(fēng)速)、日平均氣溫、日平均地溫及人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量的雪深數(shù)據(jù)，來(lái)自張家口市的赤城、蔚縣、宣化和廊坊市的香河、廊坊、霸州等6個(gè)國(guó)家氣象站。風(fēng)速、氣溫、地溫和人工觀測(cè)雪深數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)河北氣象信息中心質(zhì)量控制，超聲波傳感器測(cè)量的雪深數(shù)據(jù)刪除缺測(cè)和雪深儀未經(jīng)校準(zhǔn)所測(cè)量的數(shù)據(jù)(按規(guī)定每年入冬前各臺(tái)站要對(duì)雪深儀的測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn))，最終保留189個(gè)有效數(shù)據(jù)。

1.1.2 儀器 HSC-SR80A雪深監(jiān)測(cè)儀，北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 人工測(cè)量雪深 中國(guó)氣象局編制的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[4]對(duì)人工測(cè)量雪深觀測(cè)地段及測(cè)量方法等均有詳細(xì)的規(guī)定，雪深值為3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均值，單位為cm。

1.2.2 超聲波傳感器測(cè)量雪深

1) 觀測(cè)原理。超聲波雪深儀主要采用超聲波作為測(cè)量信號(hào)，通過(guò)測(cè)量超聲波脈沖發(fā)射和返回的時(shí)間計(jì)算出傳感器探頭到目標(biāo)物的距離，由于傳感器安裝高度固定，通過(guò)連續(xù)測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雪深的監(jiān)測(cè)[8]。計(jì)算公式[10]：

D=H-Vt/2

式中，D為積雪深度；H為超聲波傳感器與測(cè)量基準(zhǔn)面的距離；V為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波往返時(shí)間。

2) 觀測(cè)方法。采用HSC-SR80A雪深監(jiān)測(cè)儀，其核心部件是50 kHz超聲波壓電傳感器。雪深儀工作溫度為-40～50℃，測(cè)量范圍為0～2 500 mm，分辨率為1 mm，每1 min輸出1個(gè)雪深值，單位為mm。測(cè)雪板為大理石，長(zhǎng)×寬×高為1 000 mm×1 000 mm×15 mm，安裝高度與觀測(cè)場(chǎng)地面齊平。由于空氣溫度是影響超聲波傳播速度的主要因素，因此，通過(guò)溫度修正對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算公式：

式中，V為超聲波在空氣中的傳播速度；T為空氣溫度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工觀測(cè)及超聲波傳感器測(cè)量的雪深

從圖1看出，人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的雪深變化趨勢(shì)一致性較好，經(jīng)相關(guān)性分析，2種方法測(cè)得的雪深值相關(guān)性極顯著，相關(guān)系數(shù)為0.801。超聲波傳感器測(cè)量，廊坊市最大雪深為3 cm，分別出現(xiàn)在2015年2月21日的廊坊站、2017年2月22日的霸州站和2015年2月21日的香河站；張家口市最大雪深為15 cm，出現(xiàn)在2015年11月6日的赤城站。人工觀測(cè)，廊坊市最大雪深為5 cm，分別出現(xiàn)在2015年2月21日和11月23日的廊坊站；張家口市最大雪深為18 cm，出現(xiàn)在2015年11月6日的宣化站。2種方法測(cè)量雪深差值絕對(duì)值最大為7 cm，出現(xiàn)在2015年11月6日和7日的宣化站?？梢?jiàn)，差值絕對(duì)值的最大值一般出現(xiàn)在雪深最大時(shí)。2種方法測(cè)量雪深，差值>0的為83個(gè)，差值為0的為60個(gè)，差值<0的為46個(gè)，差值平均為0.1 cm；差值絕對(duì)值為0 cm的占31.7%，為1 cm的占39.2%，為2 cm的占15.9%，>2 cm的僅13.2%，差值絕對(duì)值≤1 cm時(shí)，86.0%的雪深≤2 cm，差值絕對(duì)值平均為1.2 cm。差值絕對(duì)值平均值小于梁延偉等[10]的測(cè)量值，可能是由于所用超聲波雪深傳感器、觀測(cè)方法和環(huán)境因素不同等原因所致；差值平均值小于除多等[11]的測(cè)量值，可能與儀器、環(huán)境和數(shù)據(jù)處理方法(《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定人工觀測(cè)平均雪深不足0.5 cm記為0，而除多等[11]則將微量降雪賦值為0.5 cm)等有關(guān)，2015年11月6-8日張家口市宣化站(第159～161個(gè)雪深值)人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的159～161個(gè)雪深值分別為1 cm、18 cm、9 cm和8 cm、11 cm、3 cm，二者差值絕對(duì)值較大，達(dá)6～7 cm。期間該站的降水量分別是17.4 mm(20:00至次日8:00為15.1 mm、8:00-20:00為2.3 mm)、6.7 mm(20:00至次日8:00)和1 mm(20:00至次日8:00)，平均氣溫為-0.5℃、0.1℃和1.8℃，平均風(fēng)速為3.4 m/s、1.4 m/s和1.1 m/s，平均地溫為0.1℃、0.0℃和0.0℃，未出現(xiàn)凍土。其中，6日20:00至次日8:00出現(xiàn)雨夾雪。

推測(cè)：可能是由于6日測(cè)雪板溫度比地面溫度低(尤其是2:00-8:00氣溫<0℃，土壤溫度均≥0℃)，此時(shí)降雪量較大而且出現(xiàn)雨夾雪，測(cè)雪板更容易凍結(jié)，造成測(cè)雪板雪深較厚；7-8日，氣溫升高積雪融化，測(cè)雪板上液態(tài)水增加及其導(dǎo)熱率更大、熱容量更小，導(dǎo)致融雪更快[12-13]。表明，地面溫度是研究區(qū)域主要的間接影響因素，測(cè)雪板是主要的直接影響因素。

2.2 不同因素對(duì)人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深差值絕對(duì)值的影響

風(fēng)速、氣溫、土壤霜凍、吹雪、測(cè)雪板材質(zhì)和構(gòu)型等[3-6,11,14-15]均會(huì)對(duì)人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的雪深差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響。經(jīng)相關(guān)分析，差值絕對(duì)值與氣溫和大風(fēng)的相關(guān)性均不顯著(0.053和0.056)，與地溫呈極顯著正相關(guān)(0.192**)，說(shuō)明地面溫度是研究區(qū)域的主要?dú)庀笥绊懸蛩亍?/p>

2.2.1 風(fēng)速 從圖2看出，2014年2月至2017年12月2種方法差值絕對(duì)值與平均風(fēng)速呈微弱的正相關(guān)(R2=0.0028)，受風(fēng)速影響很小，只有雪深和風(fēng)速均較大時(shí)，風(fēng)速才對(duì)2種方法差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響，期間日平均風(fēng)速≥4.0 m/s為16 d，而差值絕對(duì)值>3 cm僅2 d。宣化站2015年11月22日的平均風(fēng)速為5.8 m/s，人工觀測(cè)雪深為5 cm，超聲波傳感器測(cè)量雪深為6 cm，雪深差值絕對(duì)值僅1 cm，表明，風(fēng)速不是影響2種方法差值絕對(duì)值的主要因素，與梁延偉等[10]研究結(jié)果不一致?？赡苁茄芯空军c(diǎn)出現(xiàn)風(fēng)速大且差值絕對(duì)值也大的數(shù)據(jù)極少所致。但是風(fēng)速會(huì)對(duì)超聲波傳感器測(cè)量的雪深產(chǎn)生影響，如蔚縣站2014年2月26日13:00-14:00時(shí)超聲波雪深值出現(xiàn)4 min野值(40.2 cm)和41 min缺測(cè)，期間氣溫和地溫均在0℃以上，平均風(fēng)速為6.3 m/s；該站2016年11月21日2:00有降雪，風(fēng)速也較大，瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)4.9 m/s，超聲波測(cè)量雪深出現(xiàn)4 min野值(40.9 cm)和8 min缺測(cè)。出現(xiàn)野值和缺測(cè)現(xiàn)象可能是降雪過(guò)程中因吹雪引起傳感器被冰或雪遮擋所致[6,10-11,14-16]。

2.2.2 氣溫 氣溫對(duì)差值絕對(duì)值的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是溫度會(huì)影響超聲波脈沖的行程和傳感器性能，二是氣溫較高時(shí)導(dǎo)致超聲波傳感器滴水破壞積雪表面，使得儀器測(cè)量值失真，從而影響2種方法測(cè)量的差值[6,10]。從圖3看出，2014年2月至2017年12月2種方法差值絕對(duì)值與平均氣溫呈微弱的正相關(guān)(R2=0.003 2)，受氣溫影響很小?？赡茉颍阂皇荋SC-SR80A超聲波傳感器存在溫度補(bǔ)償；二是日最高氣溫>0℃且降雪量較大的日數(shù)很少，從而發(fā)生超聲波傳感器滴水破壞積雪表面的日數(shù)也少。

2.2.3 地面溫度 從圖4看出，2014年2月至2017年12月2種方法差值絕對(duì)值與地面溫度呈正相關(guān)(R2=0.036 9)，相關(guān)趨勢(shì)大于風(fēng)速和氣溫?？赡茉颍喝斯び^測(cè)和超聲波雪深儀對(duì)雪深的測(cè)量面不同所致。人工觀測(cè)雪深的下墊面是土壤，而超聲波雪深儀測(cè)量雪深的基準(zhǔn)面是15 mm厚的大理石板，由于不同下墊面導(dǎo)致雪的物理特性、土壤水熱交換及其二者間的相互作用不同[12-13,15-17]，尤其在地面溫度相對(duì)較高時(shí)更明顯。所以，間接影響因素主要是地面溫度，直接因素則為下墊面。

2.2.4 其他因素 2種方法的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不一致和測(cè)量面材質(zhì)不同是影響二者差值的2個(gè)外界因素[6,10,16]。測(cè)量面材質(zhì)不同則可能會(huì)導(dǎo)致積雪和融雪的速度等不同，從而影響差值大小。觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不同勢(shì)必會(huì)對(duì)2種方法差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響。主要原因：超聲波傳感器位于觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，僅有1套儀器，人工觀測(cè)方式是取觀測(cè)場(chǎng)外3個(gè)相距至少10 m的觀測(cè)點(diǎn)的平均值，即二者的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不一致；太陽(yáng)輻射、大風(fēng)和地表特征等局部因素不同，其通過(guò)風(fēng)吹雪和融雪等影響2種方法的差值絕對(duì)值[6,10-11,14-16]。

3 結(jié)論與討論

隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)和氣象觀測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化及智能化發(fā)展，自動(dòng)雪深儀將逐步代替人工觀測(cè)。研究分析了人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深及差值絕對(duì)值，探討氣溫、風(fēng)速、地溫和其他因素對(duì)2種觀測(cè)方式測(cè)量雪深的影響。研究結(jié)果表明，人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深的變化趨勢(shì)呈較好的一致性，相關(guān)性極顯著，相關(guān)系數(shù)為0.801，人工觀測(cè)雪深的平均值大于超聲波傳感器觀測(cè)值得平均值，其差值絕對(duì)值平均為1.2 cm；氣溫、大風(fēng)、地面溫度和測(cè)雪板等因素對(duì)2種觀測(cè)方式差值絕對(duì)值均有影響，其中地面溫度為主要的間接影響因素，測(cè)雪板可能是主要的直接影響因素。

關(guān)于人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深存在的誤差。吳書(shū)成等[6]建議雪深測(cè)量基準(zhǔn)面材質(zhì)需要繼續(xù)改進(jìn)，并且考慮測(cè)雪板下部埋入土層20 cm以上。梁延偉等[10]建議超聲波雪深儀安裝地點(diǎn)應(yīng)選擇避風(fēng)條件較好的區(qū)域或者采用避風(fēng)措施，并且選擇多點(diǎn)觀測(cè)取其平均值。另外，為消除和避免2種觀測(cè)方式存在的誤差，觀測(cè)員應(yīng)注意2點(diǎn)：一是由于差值絕對(duì)值的最大值一般出現(xiàn)在雪深最大時(shí)，因此在任何一種測(cè)量方式雪深≥4 cm時(shí)，觀測(cè)員應(yīng)關(guān)注2種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)差值，在差值絕對(duì)值>1 cm時(shí)記錄2種觀測(cè)方式測(cè)量的下墊面或影響因素；二是有積雪和降雪時(shí)，及時(shí)清除超聲波雪深傳感器上的積雪，避免其融化時(shí)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生影響?？傊?，為提高超聲波雪深儀測(cè)量的準(zhǔn)確性，還需進(jìn)行更多的試驗(yàn)及對(duì)雪深傳感器進(jìn)行改良，同時(shí)觀測(cè)員也應(yīng)盡量保留原始記錄和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。