凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與凍土器數(shù)據(jù)對(duì)比分析

趙曉英

(錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái),錫林浩特 026000)

0 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或0 ℃以下而呈凍結(jié)狀態(tài)[1]。凍土觀測(cè)是中國(guó)氣象局統(tǒng)一布局觀測(cè)項(xiàng)目,觀測(cè)內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度,觀測(cè)方式主要采用人工觀測(cè),使用TB1-1型凍土器(達(dá)尼林凍土器),人工每天定時(shí)將深達(dá)0.5～4.5 m的注水軟膠管提到地面之上,用手摸測(cè)軟管中水的凍結(jié)情況,判斷凍土層次和深度。人工觀測(cè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大,內(nèi)管提取、摸測(cè)過(guò)程中易產(chǎn)生折斷,并且受觀測(cè)人員的主觀感知程度影響,觀測(cè)結(jié)果存在人為誤差。隨著氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)鐾劣^測(cè)數(shù)據(jù)需求的日益增多,傳統(tǒng)的觀測(cè)儀器和測(cè)量方式會(huì)造成凍土深度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低,難以適應(yīng)氣象觀測(cè)現(xiàn)代化對(duì)高精度自動(dòng)觀測(cè)的需要[2-4]。當(dāng)前氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)工作需要具有觀測(cè)精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等特點(diǎn)的凍土自動(dòng)觀測(cè)儀。鑒于以上原因,中國(guó)氣象局于2020年年底在全國(guó)有凍土觀測(cè)任務(wù)的氣象臺(tái)站安裝不同廠家不同型號(hào)的凍土自動(dòng)觀測(cè)儀,并于2021-01-01正式開(kāi)展凍土平行觀測(cè)。通過(guò)平行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)凍結(jié)深度和凍融日期均存在一定的差異,且二者觀測(cè)數(shù)據(jù)差異較大。因此,有必要對(duì)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)凍土深度數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的對(duì)比分析。文章通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟7個(gè)開(kāi)展平行觀測(cè)的臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,客觀地評(píng)估凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的性能及業(yè)務(wù)適用性,為凍土自動(dòng)觀測(cè)儀后期算法改進(jìn)提供參考。

1 凍土平行觀測(cè)儀器的工作原理

錫林郭勒盟開(kāi)展凍土平行觀測(cè)的氣象臺(tái)站安裝的凍土自動(dòng)觀測(cè)儀型號(hào)均為DTD4型,該儀器屬于測(cè)溫式凍土自動(dòng)觀測(cè)儀,原理是根據(jù)水凝結(jié)成冰或冰融化成水的溫度變化特性,結(jié)合凍點(diǎn)確定算法,獲得凍結(jié)層次和上下限深度[5]。DTD4型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀由軟件和硬件2部分組成。軟件為嵌入式軟件,硬件主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電單元和外圍設(shè)備等組成,可接入綜合集成硬件控制器。人工觀測(cè)儀器均采用凍土器,凍土器由外管和內(nèi)管組成。外管為一根標(biāo)有0 cm刻度線的硬橡膠管;內(nèi)管為一根有厘米刻度的橡皮管,底端封閉,頂端與短金屬管、木棒及鐵蓋相連。內(nèi)管中灌注當(dāng)?shù)氐乃?河水、井水、自來(lái)水等)至0刻度線處。根據(jù)內(nèi)管冰柱所在位置,讀出冰柱上下兩端的相應(yīng)刻度數(shù),即為凍結(jié)層的上、下限深度值。

2 凍土平行觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1 平行觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析

2021年10月—2022年4月對(duì)錫林郭勒盟開(kāi)展凍土平行觀測(cè)的7個(gè)氣象臺(tái)站(錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、二連浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、多倫縣、朱日和鎮(zhèn))的人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)凍土期數(shù)據(jù)進(jìn)行總體趨勢(shì)分析。從錫林浩特市凍土人工與自動(dòng)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果(圖1)可知,凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)深度數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致。除此之外,二連浩特市凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)較一致,凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)有14 d無(wú)凍土;多倫縣凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致,凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)有6 d無(wú)凍土;朱日和鎮(zhèn)凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致,凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)有15 d無(wú)凍土;西烏珠穆沁旗凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相差較大,趨勢(shì)線中間段差值大,凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)有7 d無(wú)凍土;蘇尼特左旗凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大,凍土深度最大相差39 cm,在整個(gè)凍土觀測(cè)期最大凍土深度人工觀測(cè)值(193 cm)與自動(dòng)觀測(cè)值(228 cm)差值大;阿巴嘎旗凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相差較大,凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)有22 d無(wú)凍土?？傮w來(lái)看,錫林浩特市、二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮(zhèn)凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率較高,西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗凍土數(shù)據(jù)一致率較低。除蘇尼特左旗外,其他6個(gè)站在整個(gè)凍土觀測(cè)期最大凍土深度人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值均接近,說(shuō)明人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)最大凍土深度一致率高。胡樹(shù)貞等[6]在凍土自動(dòng)觀測(cè)儀外場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)中對(duì)凍土自動(dòng)觀測(cè)儀性能進(jìn)行比對(duì)分析,認(rèn)為凍土自動(dòng)觀測(cè)儀取代人工凍土觀測(cè)是可行的。

圖1 錫林浩特市2021年10月—2022年4月凍土人工與自動(dòng)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果

2.2 平行觀測(cè)差異性分析

2.2.1 凍結(jié)前期

在凍結(jié)前期,凍土白天融化,夜晚凍結(jié)。錫林浩特市凍結(jié)前期時(shí)間為2021-10-16/11-12,由圖2可知,凍結(jié)前期人工和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相差不大,臨近凍結(jié)期數(shù)據(jù)差異增大,凍結(jié)前期絕對(duì)偏差均在5 cm以內(nèi)。除此之外,西烏珠穆沁旗凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在0～7 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有1 d;蘇尼特左旗凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在0～12 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有6 d,絕對(duì)偏差>10 cm的有5 d;多倫縣凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在0～8 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有2 d;二連浩特市凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在0～7 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有7 d;阿巴嘎旗凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在4～16 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有23 d,絕對(duì)偏差>10 cm的有4 d;朱日和鎮(zhèn)凍結(jié)前期絕對(duì)偏差在2～21 cm,絕對(duì)偏差>5 cm的有30 d,絕對(duì)偏差>10 cm的有21 d,絕對(duì)偏差>20 cm的有1 d?？傮w來(lái)看,錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、多倫縣人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)凍結(jié)前期絕對(duì)偏差較小,朱日和、二連浩特市、阿巴嘎旗人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)凍結(jié)前期絕對(duì)偏差較大。

圖2 錫林浩特市凍結(jié)前期凍土深度絕對(duì)偏差對(duì)比

2.2.2 凍結(jié)期

按照業(yè)務(wù)規(guī)定,當(dāng)凍土深度穩(wěn)定達(dá)到10 cm后進(jìn)入凍結(jié)期。錫林浩特市凍土深度凍結(jié)期時(shí)間為2021-11-13/2022-03-24,凍結(jié)期133 d。由圖3可知,錫林浩特市凍結(jié)期絕對(duì)偏差在1～16 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有39 d,占整個(gè)凍結(jié)期29%,其中有19 d人工觀測(cè)值大于自動(dòng)觀測(cè)值,其余時(shí)間人工觀測(cè)值均小于自動(dòng)觀測(cè)值。除此之外,西馬珠穆沁旗凍結(jié)期128 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在0～16 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有80 d,占整個(gè)凍結(jié)期63%,人工觀測(cè)值全部大于自動(dòng)觀測(cè)值;阿巴嘎旗凍結(jié)期144 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在2～31 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有104 d,占整個(gè)凍結(jié)期72%,人工觀測(cè)值均小于自動(dòng)觀測(cè)值;二連浩特市凍結(jié)期136 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在0～8 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差均<10 cm,人工觀測(cè)值小于自動(dòng)觀測(cè)值的時(shí)間為126 d;多倫縣凍結(jié)期137 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在1～13 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有11 d,占整個(gè)凍結(jié)期8%,人工觀測(cè)值均大于自動(dòng)觀測(cè)值;朱日和鎮(zhèn)凍結(jié)期97 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在1～17 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有14 d,占整個(gè)凍結(jié)期14%,人工觀測(cè)值均小于自動(dòng)觀測(cè)值;蘇尼特左旗凍結(jié)期131 d,凍結(jié)期絕對(duì)偏差在10～39 cm,凍結(jié)期絕對(duì)偏差>10 cm的有128 d,占整個(gè)凍結(jié)期98%,人工觀測(cè)值均小于自動(dòng)觀測(cè)值?？傮w來(lái)看,錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗凍土深度人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)在凍結(jié)期絕對(duì)偏差較大,二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮(zhèn)凍土深度人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)在凍結(jié)期絕對(duì)偏差較小,蘇尼特左旗凍土深度人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)在凍結(jié)期絕對(duì)偏差太大。

圖3 錫林浩特市凍結(jié)期凍土深度絕對(duì)偏差對(duì)比

2.2.3 融化期

隨著氣溫逐漸升高,凍土開(kāi)始融化,融化期為凍土開(kāi)始融化至凍土全部融化的日期。錫林浩特市凍土融化期時(shí)間為2022-03-25/04-26,共33 d。由圖4可知,錫林浩特市融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在8～107 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有28 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在1～36 cm,下限絕對(duì)偏差>10 cm的有4 d。阿巴嘎旗凍土融化期42 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在14～78 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有23 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在0～18 cm,下限絕對(duì)偏差>10 cm的有3 d,自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早融化19 d。多倫縣凍土融化期30 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在2～41 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有15 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在0～8 cm,下限絕對(duì)偏差均<10 cm。朱日和鎮(zhèn)凍土融化期8 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在0～19 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有7 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在3～8 cm,下限絕對(duì)偏差均<10 cm。西烏珠穆沁旗凍土融化期42 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在0～13 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有2 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在0～9 cm,下限絕對(duì)偏差均<10 cm,自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早融化2 d。二連浩特市凍土融化期13 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在5～52 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有11 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在7～16 cm,下限絕對(duì)偏差>10 cm的有8 d,自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早融化2 d。蘇尼特左旗凍土融化期38 d,融化期凍土深度上限絕對(duì)偏差在8～60 cm,上限絕對(duì)偏差>10 cm的有22 d;融化期凍土深度下限絕對(duì)偏差在1～33 cm,下限絕對(duì)偏差>10 cm的有22 d,自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早融化12 d?？傮w來(lái)看,錫林浩特市、阿巴嘎旗、朱日和鎮(zhèn)凍土深度人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)在融化期上限絕對(duì)偏差較大,下限絕對(duì)偏差較小;西烏珠穆沁旗融化期上、下限絕對(duì)偏差均較小;二連浩特市、蘇尼特左旗融化期上、下限絕對(duì)偏差均較大。

圖4 錫林浩特市融化期凍土深度絕對(duì)偏差對(duì)比

2.3 平行觀測(cè)相關(guān)性分析

對(duì)2021年10月—2022年4月錫林郭勒盟開(kāi)展凍土平行觀測(cè)的7個(gè)氣象臺(tái)站凍土人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行分析可知,錫林浩特凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化0.96 cm,凍土人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)相關(guān)系數(shù)為0.9976;西烏珠穆沁旗凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化0.97 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9954;二連浩特凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化0.96 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9980;阿巴嘎旗凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化0.95 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9931;蘇尼特左旗凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化1.10 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9940;多倫縣凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化1.00 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9973;朱日和鎮(zhèn)凍土人工觀測(cè)數(shù)據(jù)每變化1 cm,自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化0.95 cm,相關(guān)系數(shù)為0.9973。以上各站自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性顯著,說(shuō)明凍土自動(dòng)觀測(cè)儀測(cè)量的凍土深度和凍土器測(cè)量的凍土深度數(shù)據(jù)之間有較高的相關(guān)性。

3 差異原因分析

3.1 外套管周圍土壤密實(shí)度不夠或0 cm刻度線不準(zhǔn)確

部分臺(tái)站在凍結(jié)期安裝凍土儀,且安裝時(shí)間較短,土壤較松弛,一段時(shí)間后出現(xiàn)沉降現(xiàn)象,導(dǎo)致0 cm刻度線偏低;另有部分臺(tái)站對(duì)地下巖石層采用開(kāi)挖后填埋的方式,導(dǎo)致凍土儀外套管周圍土壤密實(shí)度與人工凍土器不同,使觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低。

3.2 凍土自動(dòng)觀測(cè)儀和凍土器周圍環(huán)境不同

多數(shù)臺(tái)站凍土器附近無(wú)踏板,業(yè)務(wù)人員每日進(jìn)行凍土觀測(cè)時(shí),會(huì)踩踏凍土器周邊積雪使積雪融化加快,導(dǎo)致凍土器四周土壤裸露,地溫較低,土壤凍結(jié)深度明顯偏大。部分臺(tái)站人工凍土器或凍土自動(dòng)觀測(cè)儀附近有其他設(shè)備遮擋,使凍土器或凍土自動(dòng)觀測(cè)儀長(zhǎng)期處于背陰地帶,導(dǎo)致凍土數(shù)據(jù)持續(xù)偏大。

3.3 凍土自動(dòng)觀測(cè)儀和凍土器測(cè)量原理不同

自動(dòng)觀測(cè)儀器測(cè)量和人工測(cè)量原理的不同是產(chǎn)生數(shù)據(jù)差異的主要原因[7-9]。凍土自動(dòng)觀測(cè)儀最近幾年才投入應(yīng)用,采集器算法軟件還需不斷改進(jìn),可通過(guò)平行觀測(cè)數(shù)據(jù)校正自動(dòng)觀測(cè)算法,使觀測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)2021年10月—2022年4月錫林郭勒盟開(kāi)展凍土平行觀測(cè)7個(gè)氣象臺(tái)站的凍土人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)凍土自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率高的臺(tái)站有錫林浩特市、二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮(zhèn),數(shù)據(jù)一致率低的臺(tái)站有西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗。

2)凍結(jié)前期凍土人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值相差不大,出現(xiàn)凍結(jié)前期自動(dòng)觀測(cè)有凍土,而人工觀測(cè)沒(méi)有凍土情況的臺(tái)站有二連浩特市(14 d)、阿巴嘎旗(22 d)、西烏珠穆沁旗(7 d)、多倫縣(6 d)、朱日和鎮(zhèn)(15 d)。

3)在凍結(jié)期大部分臺(tái)站凍土人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值相差較大,其中蘇尼特左旗觀測(cè)值相差最大(33 cm),阿巴嘎旗觀測(cè)值相差31 cm,且人工觀測(cè)值低于自動(dòng)觀測(cè)值。

4)在融化期凍土人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)上限絕對(duì)偏差較大,下限絕對(duì)偏差較小。從凍融日期分析,自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)融化日期提前,阿巴嘎旗自動(dòng)觀測(cè)比人工觀測(cè)早融化19 d,凍土自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)在融化期差異性最大,一致性較低。

5)最大凍土深度自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)一致率高。

6)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)存在正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性顯著。