許偉峰,尹貞鈐,張麗娟,馬耀絨

(渭南市氣象局,陜西渭南 714000)

GStar-I型自動土壤水分儀誤差原因分析

許偉峰,尹貞鈐,張麗娟,馬耀絨

(渭南市氣象局,陜西渭南 714000)

為提高GStar-I型自動土壤水分觀測儀數(shù)據(jù)質(zhì)量,利用2012—2013年渭南市8個氣象站土壤水分觀測固定段自動與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,并從標(biāo)定區(qū)間及方法、土壤凍結(jié)、儀器跳變、觀測環(huán)境、人工取土等6個方面分析誤差原因,得出提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法與建議。

GStar-I型自動土壤水分儀；誤差原因；建議

GStar-I型自動土壤水分觀測儀是利用頻域反射法原理測定土壤體積含水率的自動化測量儀器,可以方便、快速地在同一地點進(jìn)行不同層次土壤水分觀測。目前,渭南市投入業(yè)務(wù)化運行的GStar-I自動土壤水分儀13套,利用2012—2013年全市8個氣象站土壤水分觀測固定段自動與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者誤差較大,自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)存在部分?jǐn)?shù)據(jù)失真的現(xiàn)象,不能滿足干旱監(jiān)測需求。因此,分析研究自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)誤差原因,找出解決方法,以獲取具有代表性、準(zhǔn)確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測資料,為干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 誤差原因分析

1.1 標(biāo)定區(qū)間誤差

自動土壤水分儀采集器標(biāo)定由臺站和廠家共同完成。 《自動土壤水分觀測規(guī)范 (試行)》規(guī)定[1],自動土壤水分儀傳感器在進(jìn)行田間標(biāo)定時,以儀器觀測的10cm土壤體積含水率(Q)變化為判斷標(biāo)準(zhǔn),在Q＜10%、10%≤Q＜15%、15%≤ Q＜20%、20%≤Q＜25%、25%≤Q＜30%、30%≤Q＜35%和Q＞35%等7個不同區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的人工對比觀測,原則上每一個土壤體積含水率等級樣本數(shù)不少于4個,總樣本數(shù)不少于30個。但在實際對比觀測中,由于受到業(yè)務(wù)管理部門規(guī)格的對比觀測時段的限制,對比觀測未跨越干濕兩季,樣本分布集中,部分區(qū)間未涉及或樣本數(shù)少于4個,未滿足標(biāo)定要求,造成標(biāo)定后數(shù)據(jù)在此區(qū)間誤差較大,部分失真。如蒲城站2009年12月—2010年7月標(biāo)定時段對比觀測期間,自動土壤體積含水率2.5%～21.7%,數(shù)據(jù)集中在4%～20%,包含4個土壤體積含水率區(qū)間(表1), 20%～25%區(qū)間樣本數(shù)2個,25%以上無對比樣本。

表1 蒲城站2009年12月—2010年7月標(biāo)定時段對比觀測樣本區(qū)間分布

1.2 標(biāo)定方法誤差

自動土壤水分儀采集器由廠家采用D值標(biāo)定法 (即平移法)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。D值法是建立在相同土壤性質(zhì)具有相同標(biāo)定曲線的基礎(chǔ)上,人工數(shù)據(jù)與自動數(shù)據(jù)誤差在不同土壤含水率區(qū)間均勻分布,標(biāo)定效果較好,誤差分布不均標(biāo)定效果較差。如蒲城站2013年3月8日—9月18日(土壤水分逢8觀測,共20組數(shù)據(jù))、白水站2013年3月8日—8月8日(共16組數(shù)據(jù))0～10cm人工和自動土壤體積含水率曲線趨勢一致(圖1、圖2),蒲城站差值均勻,白水站差值分布不均。依據(jù)文獻(xiàn) [2]中干旱指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)(輕旱、中旱、重旱三個等級土壤相對濕度各相差10%),將D值標(biāo)定后自動站土壤相對濕度與人工觀測的誤差≤10%作為達(dá)到標(biāo)定效果的判定標(biāo)準(zhǔn),蒲城站標(biāo)定后誤差≤10%的數(shù)據(jù)占75%,標(biāo)定效果良好；白水站標(biāo)定后誤差≤10%的數(shù)據(jù)占25%,標(biāo)定效果較差。

圖1 蒲城站2013-03-08—09-18人工、自動觀測及D值標(biāo)定的體積含水率序列

圖2 白水站2013-03-08—08-18人工、自動觀測及D值標(biāo)定的體積含水率序列

1.3 土壤凍結(jié)誤差

基于FDR頻域反射原理的土壤水分傳感器利用LC振蕩電路產(chǎn)生的高頻電磁波,在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來測定介質(zhì)的相對介電常數(shù),進(jìn)而通過一定的對應(yīng)關(guān)系反演土壤水分[3],由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于冰的介電常數(shù)[4](水的介電常數(shù)為81,冰為3.2),根據(jù)土壤介電常數(shù)Dobson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚5],土壤介電常數(shù)的公式為

式中,εs為土壤中固態(tài)物質(zhì)介電常數(shù),ε′fw為自由水介電常數(shù)實部,ρb為土壤體積質(zhì)量,ρs為土壤中固態(tài)物質(zhì)密度,mv為土壤體積含水率,α為常數(shù),β′為參數(shù)。冬季土壤凍結(jié)后,土壤中水分由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),冰的介電常數(shù)小,測量到的土壤體積含水率也變小。土壤解凍后,土壤中冰融化為水,水的介電常數(shù)大,測量到的土壤體積含水率也變大。因此,在土壤開始凍結(jié)至完全解凍這一區(qū)間,土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)較土壤實際含水率明顯偏小,土壤完全凍結(jié)時誤差最大。從華陰站2013年冬季0～40cm土壤水分變化曲線 (圖3)可看出,曲線受土壤凍結(jié)變化影響,溫度降低曲線下降；土壤完全凍結(jié),曲線維持在固定范圍；溫度升高曲線上升；土壤融化,曲線恢復(fù)正常。

圖3 華陰站2012-12-15—2013-02-13自動觀測0～40cm土壤水分變化

1.4 儀器跳變誤差

自動土壤水分儀在業(yè)務(wù)運行中,數(shù)據(jù)常出現(xiàn)跳變,跳變幅度較大時,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。一是更換儀器造成數(shù)據(jù)跳變。2015年1月5日14—15時,白水站更換自動土壤水分儀新型傳感器一套,由于新舊傳感器標(biāo)定參數(shù)不同,造成數(shù)據(jù)跳變,其中10～20cm土層,體積含水率變化8.3%,土壤墑情2h內(nèi)由輕旱變?yōu)闈駶?圖4)。二是儀器故障造成跳變。2012年7月31日00—02時,蒲城站自動土壤水分儀遭受雷擊,0～100cm8個層次土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)均出現(xiàn)跳變,0～10cm數(shù)據(jù)跳變幅度最大,跳增12.5%。三是跳變原因不明。2012年10月1日10—11時,白水站0～20cm自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度跳變,0～10cm跳變1.3%、10～20cm跳變-0.6%,由于臺站未建立儀器更換、故障、維修,維護(hù)等記錄檔案,儀器跳變原因無法查明。

圖4 白水站2015-01-05T20—06T08自動觀測土壤水分變化

1.5 觀測環(huán)境誤差

自動土壤水分固定觀測場地應(yīng)選擇在長期固定的、反映當(dāng)?shù)刈匀幌聣|面、無灌溉狀態(tài)[1]下的地段,土層應(yīng)均勻,無爐渣、石塊、磚塊等雜質(zhì)。大荔自動土壤水分儀安裝在觀測場內(nèi)外圍欄之間,滿足長期固定和無灌溉要求,但下墊面存在小石塊、樓板碎塊墊層,造成自動土壤水分曲線常年在固定范圍內(nèi)變化,土壤過濕和干旱時段數(shù)據(jù)誤差大(圖5)。2012年3月8日—2013年9月18日,30～40cm人工觀測體積含水率變化范圍為10.3%～28.0%,數(shù)據(jù)跨度達(dá)17.7%,自動觀測體積含水率為13.4%～18.9%,數(shù)據(jù)跨度5.5%,跨度相差12.2%；40～50cm人工測值變化范圍為9.2%～24.5%,數(shù)據(jù)跨度

圖5 大荔站2012-03-08—2013-09-08人工和自動站

土壤體積含水率曲線(a30～40cm；b40～50cm) 15.3%,自動測值為12.2%～17.1%,數(shù)據(jù)跨度4.9%,跨度相差10.4%?？梢?觀測環(huán)境對自動土壤水分儀器的靈敏度影響較大。

1.6 人工取土誤差

農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范規(guī)定[6],人工取土?xí)r提出土鉆,應(yīng)將鉆頭零刻度以下和土鉆開口處的土壤及鉆頭口外表的浮土去掉,然后將土鉆放平,采用剖面取土的方法,迅速刮取土樣40～60g,放入盒內(nèi)。實際工作中部分業(yè)務(wù)人員取土方法不正確,造成人工與自動數(shù)據(jù)誤差。一是提出土鉆時將鉆孔周圍土壤碰落孔內(nèi)；二是未去掉鉆頭零刻度以下和土鉆開口處土壤及鉆頭口外表的浮土；三是將土鉆直立或傾斜,用小刀從上至下刮取土樣,未采用刨面取土；四是土樣重量大于60g,個別達(dá)90～100g。

2 對策及建議

(1)針對人工對比觀測未跨越干濕兩季,樣本分布集中的問題,必要時可采用人工造墑方法,使樣本滿足標(biāo)定需求。

(2)土壤水分受土壤容重、類型、質(zhì)地、田間持水量及植物根系等影響較大,同一土壤類型同一田塊不同地點測量的土壤水分均有差異。因此,采集器標(biāo)定宜采用多項式擬合方法效果更優(yōu)。

(3)自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)受土壤凍結(jié)影響較大,因此在使用冬季土壤凍結(jié)時段自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)時,應(yīng)結(jié)合土壤溫度、凍土、降水等資料鑒別使用,土壤完全凍結(jié)后,停止使用,以提高監(jiān)測和服務(wù)準(zhǔn)確率。

(4)新舊傳感器標(biāo)定參數(shù)差異大,更換后應(yīng)重新進(jìn)行對比觀測和標(biāo)定。

(5)自動土壤水分儀安裝地段土壤質(zhì)地不均勻,嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)質(zhì)量時,應(yīng)重新選址安裝。

(6)加強(qiáng)人工取土方法的學(xué)習(xí)與培訓(xùn),嚴(yán)格按照農(nóng)氣觀測規(guī)范要求取土、稱量和計算。

(7)加強(qiáng)自動土壤水分儀日常維護(hù)。一是建立儀器更換、故障、維修以及數(shù)據(jù)跳變、異常記錄檔案。二是加強(qiáng)日常儀器巡視,注意檢查儀器周圍土壤覆蓋情況,排除干旱時土壤龜裂和雨澇時土壤下陷造成數(shù)據(jù)誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國氣象局綜合觀測司.自動土壤水分觀測規(guī)范(試行)[S].北京：中國氣象局綜合觀測司, 2010：1.

[2] GB/T20481—2006氣象干旱等級[S].

[3] 陳海波,冶林茂.土質(zhì)對FDR水分傳感器擬合參數(shù)影響的試驗研究[J].氣象科技,2014,42 (5)：889.

[4] 常見物質(zhì)介電常數(shù)[EB/OL].(2011-10-17) [2015-04-10].http：//www.doc88.com/p-91590154408.html.

[5] 陳權(quán),曾江源,李震,等.遙感監(jiān)測介電常數(shù)與土壤含水率關(guān)系模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué),2012, 28(12)：172.

[6] 國家氣象局.農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范[S].北京：氣象出版社,1993：76-78.

P415.1

：B

許偉峰,尹貞鈐,張麗娟,等.GStar-I型自動土壤水分儀誤差原因分析[J].陜西氣象,2015(4)：42-45.

1006-4354(2015)04-0042-04

2015-04-13

許偉鋒(1977—),男,陜西韓城人,漢族,學(xué)士,工程師,從事農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。