自動氣象站土壤水分觀測數(shù)據(jù)異常的分析與處理

陳楊 王程程 徐昕

摘要 根據(jù)吉林省氣象站土壤水分觀測實際情況，選取敦化、延吉東、磐石、龍井、東豐、輝南、洮南等站點的觀測數(shù)據(jù)為樣本，分析了自動氣象站土壤水分觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施和改進(jìn)方法，同時也結(jié)合實際情況對土壤水分自動監(jiān)測的日常維護(hù)和管理提出了一些建議。

關(guān)鍵詞 自動氣象站;土壤水分;數(shù)據(jù)異常;分析處理

中圖分類號：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）12–0068–02

為了提高監(jiān)測效率，節(jié)約人力成本，目前我國氣象站開始采用固定式土壤水分自動觀測儀、便攜式土壤水分觀測儀，采用自動監(jiān)測的方法可以大幅度提升氣象監(jiān)測的準(zhǔn)確性。但是，由于受各種外部因素的影響，容易使土壤濕度觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，不利于農(nóng)業(yè)氣象工作的順利開展。

1 土壤水分

土壤水分是指土壤中所含的水分和土壤水分的運動情況，而土壤水分運動是指土壤層中的水分與大氣、水體、生物之間的水分交換。土壤水分對在土壤中生存的動植物的生長，以及土壤理化性質(zhì)都有直接影響。因此，實時監(jiān)測土壤水分狀況對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。土壤水分自動觀測站一般采用頻域反射法（FDK）測量土壤水分，實現(xiàn)對土壤水分的自動觀測，獲得具有代表性、準(zhǔn)確性和可比性的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

基于FDR的土壤水分觀測數(shù)據(jù)，提高了觀測數(shù)據(jù)的時空密度，為干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報和服務(wù)提供了高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)已應(yīng)用于商業(yè)和科研，在土壤水分的測量技術(shù)、校準(zhǔn)方法、質(zhì)量分析和土壤質(zhì)量研究方面積累了豐富的經(jīng)驗[1]。然而，自土壤濕度觀測站建立以來，數(shù)據(jù)質(zhì)量一直較差。這與傳感器本身的電氣特性、檢測環(huán)境、安裝方法、校準(zhǔn)和校正有很大關(guān)系。探測環(huán)境的變化會直接影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，雖然有定期檢查和維護(hù)的規(guī)定，但防護(hù)人員往往忽略了檢測環(huán)境的變化。因此，在定期檢查維護(hù)的基礎(chǔ)上，防護(hù)人員應(yīng)對土壤水分觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，及時發(fā)現(xiàn)檢測環(huán)境的變化。

2 自動氣象站土壤水分觀測數(shù)據(jù)異常的分析及處理

2.1 傳感器故障引發(fā)的數(shù)據(jù)異常

傳感器故障容易使土壤水分觀測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、丟失和超出正常范圍。首先，檢查外觀，檢查前關(guān)閉電源開關(guān)，打開傳感器防水蓋，檢查傳感器外殼是否有水，對外殼進(jìn)行防水處理，然后更換傳感器。其次，檢查接線端子，檢查各層跳線是否脫落，按壓傳感器引腳，確保連接器連接可靠，檢查傳感器電路板與銅環(huán)板的連接是否正確。最后，調(diào)試軟件，若在讀取土壤水分觀測數(shù)據(jù)時出現(xiàn)奇異值或異常變化，可以使用調(diào)試軟件讀取該層的傳感器頻率值，檢查是否在正常范圍內(nèi)，否則，表示傳感器故障，需要更換傳感器[2]。

2.2 采集器故障引發(fā)的數(shù)據(jù)異常

如果土壤水分觀測中斷，則檢查收集器。第一，檢查電源，檢查指示燈情況。如果電源指示燈不亮，檢查接線端口是否松動，若未松動，再檢查電池電壓是否在正常范圍內(nèi)，不在正常范圍內(nèi)更換電池。若電壓正常則說明采集器故障，應(yīng)更換采集器。第二，收集器程序故障。檢查RUN指示燈是否正常閃爍。若不閃爍，更換采集器。第三，檢查串口通信。使用調(diào)試軟件檢查接口RS232與采集器的通信是否正常，然后檢查讀數(shù)鐘是否正常工作，串口通信故障，則更換收集板。第四，檢查GPRS指標(biāo)STATUS。綠色常亮表示登錄中心服務(wù)器成功。如果指示燈不亮，則檢查SIM卡是否安裝，GPRS天線接口是否到期，GPRS天線接口是否斷開。如果指示燈正常，請檢查該區(qū)域GPRS信號強度，表示GPRS模塊故障，需要更換采集板[3]。

2.3 供電系統(tǒng)引起的數(shù)據(jù)缺失

如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，影響觀測數(shù)據(jù)。檢查電源控制器狀態(tài)，檢查供電模式是否異常。通過觀察電源指示燈的顏色可以初步判斷故障原因，可對接線端子進(jìn)行加固或更換電池。當(dāng)觀測儀器由太陽能電池板充電時，連續(xù)的雨雪和灰塵覆蓋很容易使太陽能電池板供電不足，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)丟失。

2.4 深層水分?jǐn)?shù)據(jù)的異常

通過對土壤水分變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)降水或蒸發(fā)會使土壤水分由淺層向深層發(fā)生變化，部分站點的深層土壤水分值出現(xiàn)異常高或低，這是指地下水位很低，土壤中的深水隨各處的水位而波動。如果傳感器外殼附近的土壤出現(xiàn)裂縫，農(nóng)田灌溉或降水時，水沿著裂縫沿管壁進(jìn)入深層土壤，也會使水分突變。

2.5 凍土引發(fā)數(shù)據(jù)的異常

冬季氣溫低，土壤容易凍僵，此時土壤濕度數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)異常。凍土的形成使土壤水發(fā)生相變，液態(tài)水凍結(jié)成固態(tài)冰晶。而凍土介電常數(shù)與干土介電常數(shù)接近，因此，防護(hù)人員應(yīng)仔細(xì)判斷儀器的測量數(shù)據(jù)。

2.6 土壤龜裂引發(fā)數(shù)據(jù)的異常

如果濕度數(shù)據(jù)持續(xù)下降一段時間，土壤濕度值始終在0附近徘徊。這是由土壤開裂造成的，使傳感器與土壤之間有縫隙，應(yīng)及時處理土壤開裂問題。傳感器裂縫的組合原理測量土壤水分可以增加傳感器周圍土壤空氣的比例，當(dāng)土壤介電常數(shù)較低時，觀測到的濕度值較小，則需要將傳感器周圍的土壤挖入傳感器中心0.3 m左右，選擇疏松土回填位置，使其與傳感器套管緊密接觸[4]。

2.7 蒸發(fā)量值出現(xiàn)的異常

如果蒸發(fā)量數(shù)據(jù)異常增大，且超過監(jiān)測極值，此時應(yīng)檢查是否由沉淀引起，再檢查EB-601大蒸發(fā)罐與傳感器連接的水管是否有泄漏。如果在冬季使用過程中遇到冰，蒸發(fā)數(shù)據(jù)要按照省規(guī)定進(jìn)行處理。雪融化后，再進(jìn)行除冰。

3 加強土壤水分自動觀測的日常維護(hù)管理

3.1 選擇合適的觀測站地址

根據(jù)《土壤水分自動觀測規(guī)范（試行）》，土壤水分自動觀測站選址應(yīng)考慮區(qū)域地形、土壤類型和地質(zhì)條件。觀測點與道路、池塘、建筑物之間的距離應(yīng)在20 m以上，遠(yuǎn)離水庫、河流等大型水體;觀測場地周圍土壤普遍地勢平坦。觀測區(qū)內(nèi)作物種植面積大于1 hm2;固定觀測面積應(yīng)在100 m2以上，觀測儀器應(yīng)安裝在自然下墊面。觀察區(qū)域確定后，不得隨意變更。

3.2 實時掌握觀測儀器運行情況

防護(hù)人員應(yīng)每天瀏覽軟件，定期檢查觀測儀器的運行情況，可上傳正確的土壤濕度數(shù)據(jù)檢查時，如發(fā)現(xiàn)土壤濕度數(shù)據(jù)異常，應(yīng)及時到現(xiàn)場檢查儀器是否齊全，各零部件配件齊全，觀察儀器是否損壞。如出現(xiàn)上述情況無例外，檢查電源模塊和端子板顯示狀態(tài)，檢查通信網(wǎng)絡(luò)是否正常。

3.3 不斷完善土壤水分自動監(jiān)控保障體系

建立健全土壤水分自動監(jiān)測保障體系，加強土壤水分監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、運行監(jiān)測、設(shè)備保障和維護(hù)，形成規(guī)范、系統(tǒng)的管理體系，確保土壤水分自動監(jiān)測順利運行。

3.4 加強復(fù)雜天氣的應(yīng)對措施

在進(jìn)行土壤水分監(jiān)測時，相關(guān)人員應(yīng)注意極端天氣對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，在遇到如雷電、冰雹、閃電等天氣前，應(yīng)對自動監(jiān)測儀器提前做好保護(hù)工，調(diào)整土壤水分監(jiān)測器的監(jiān)測模式，盡量排除極端天氣對土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。如夏季會出現(xiàn)強度突然、持續(xù)時間短、危害大的強對流天氣，會增加氣象資料觀測難度，阻礙地面氣象觀測的正常運行。在暴雨發(fā)生前，相關(guān)人員應(yīng)將蒸發(fā)容器內(nèi)的水分排除，以免雨水過多溢出，確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

3.5 加強測報系統(tǒng)的監(jiān)管和測報儀器的日常維護(hù)

自從新的自動監(jiān)測儀器投入運行以來，計算機需要連續(xù)運行24 h。為了避免由于計算機故障而丟失重要的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)使用備用計算機。業(yè)務(wù)的主要目的計算機排序、存儲和氣象數(shù)據(jù)的分析，一旦發(fā)現(xiàn)未能收集數(shù)據(jù)或異常，可以重新啟動軟件和計算機。然后通過使用人工剔除異常數(shù)據(jù)，還可以利用遙感技術(shù)，不斷更新，通過多種先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，不斷提高綜合觀測精度，以便為社會和個人提供更好的氣象服務(wù)。

3.6 完善管理制度

完善綜合觀測系統(tǒng)，相關(guān)人員要根據(jù)當(dāng)?shù)乇O(jiān)測站的實際情況進(jìn)行合理調(diào)整，并完善現(xiàn)有的管理制度，確保管理制度的可行性和執(zhí)行力。管理系統(tǒng)主要是在人事管理和工作管理方面，在時間上的完善需要從這2個方面著手。在人事管理方面，部門要增加監(jiān)測人員的福利保障，使他們能在嚴(yán)謹(jǐn)合理的管理制度下認(rèn)真工作，為觀察員提供有效的工作環(huán)境。同時，要加強對監(jiān)測人員工作的約束，讓他們認(rèn)識到監(jiān)測工作的重要性。

在工作管理方面，要解決工作安排重復(fù)、錯誤的問題，確保綜合觀測工作有序開展。另外，對相關(guān)系統(tǒng)、儀器、設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)管理和維護(hù)，并在實際工作中根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范定期進(jìn)行儀器交接工作，定期檢查設(shè)備運行狀態(tài)，檢查是否存在相關(guān)問題，如設(shè)備損壞和失效導(dǎo)致觀測工作數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。下班時，相關(guān)人員要提前做好自己的工作，并根據(jù)換班制度檢查和記錄換班的詳細(xì)情況，以便及時發(fā)現(xiàn)工作的遺漏，以免造成麻煩，影響換班的后續(xù)工作。

4 結(jié)束語

土壤水是植物水分的直接來源。植物從土壤中吸收水分、有機質(zhì)和其他養(yǎng)分，土壤含水量決定著其生長狀況。因此，測量土壤水分具有重要的現(xiàn)實意義。土壤水分不僅影響土壤的物理性質(zhì)，還與土壤中養(yǎng)分的溶解和轉(zhuǎn)移以及微生物的活動有關(guān)，這是植物生存的基本條件。利用土壤水分儀實時監(jiān)測土壤水分，有助于了解和掌握不同作物在同一時期對土壤水分的不同要求、同一作物在不同時期對土壤水分的不同要求，以及土壤水分對作物產(chǎn)量的影響。此外，在各種農(nóng)業(yè)措施，一些工程建筑（如鐵路、公路、水電站、渠道、房屋等）中，土壤水分狀況也是必不可少的數(shù)據(jù)。因此，應(yīng)當(dāng)重視土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝宏蕾，郝宏飛，陳波.GstarDZN2型自動土壤水分觀測儀數(shù)據(jù)異常圖像分析及處理[J].沙漠與綠洲氣象，2014（z1）： 167-169.

[2] 巫麗君，潘建梅，魏愛明，等.自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)異常原因分析[J].大氣科學(xué)研究與應(yīng)用，2013（1）：109-114.

[3] 陳海波，冶林茂，李樹巖，等.FDR土壤水分自動監(jiān)測儀的標(biāo)定與檢驗[J].微計算機信息，2009，25（31）：104-106.

[4] 白玉蓮，唐洪君，周麗娜，等.DZN2型自動土壤水分觀測儀的維護(hù)及故障處理技巧[J].農(nóng)村科技，2018（12）：55-57.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis and Treatment of Abnormal Soil Moisture Observation Data in Automatic Weather Station

CHEN Yang et al （Jilin Meteorological Information Network Center， Changchun， Jilin 130062）

Abstract According to the actual situation of soil moisture observation at meteorological stations in Jilin Province， the observed data of Dunhua， Yanjidong， Shishi， Longjing， Dongfeng， Huinan and Taonan stations were selected as samples. This paper analyzed the causes of abnormal soil moisture observation data of automatic weather stations， and puts forward corresponding solutions and improvement methods. At the same time， some suggestions for daily maintenance and management of soil moisture automatic monitoring were put forward.

Key words Automatic weather station; Soil moisture; Abnormal data; Analysis and processing