王新德

（昌吉水文勘測(cè)局，新疆 昌吉 831100）

1 基本情況

開(kāi)墾河發(fā)源于天山東段北坡，徑流的主要補(bǔ)給源為大氣降水、中低山帶的季節(jié)性積雪融水、地下水以及高山冰川融水。主要由大東溝、大西溝、及其它19 條支流組成，實(shí)測(cè)多年平均年徑流量為1.630×108m3，最大年徑流量為2007 年的2.625×108m3，最小年徑流量為1974 年的0.8460×108m3。

開(kāi)墾河水文站是開(kāi)墾河小河站，屬省級(jí)重要水文站和中央報(bào)汛站，設(shè)于1956 年10 月。開(kāi)墾河水文站蒸發(fā)場(chǎng)位于出山口地帶，海拔高度1502 m，蒸發(fā)場(chǎng)規(guī)格為16 m×20 m，區(qū)域代表性較好。障礙物兩側(cè)方位角之差所占整個(gè)圓的百分比為11.1%，折實(shí)系數(shù)0.6，遮擋率為6.3%。

蒸發(fā)是大氣水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),蒸發(fā)量大小對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源可利用量起決定性作用,同時(shí)蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)對(duì)水資源可利用量也有直接影響。影響蒸發(fā)的主要因素是蒸發(fā)面性質(zhì)、供水條件和氣象因素。對(duì)相同性質(zhì)的蒸發(fā)面，蒸發(fā)則取決于供水條件和氣象因素[1]。其中氣象因素包括溫度、氣壓、濕度和風(fēng)，最主要的氣象因素是地表溫度和相對(duì)濕度。由此可見(jiàn)，地表溫度的準(zhǔn)確性對(duì)蒸發(fā)的準(zhǔn)確性有很大影響。

自動(dòng)氣象站具有獲取資料時(shí)效性、時(shí)間分辨率高特點(diǎn)，它主要能讀取和存儲(chǔ)每分鐘大氣中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)和降水等的數(shù)據(jù)變化。TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站是按照國(guó)際氣象WMO 組織氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的多要素自動(dòng)觀測(cè)站，可監(jiān)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度等常規(guī)氣象要素，具有自動(dòng)記錄、報(bào)警和數(shù)據(jù)通訊等功能，可以在室外無(wú)人環(huán)境工作，本地通訊和遠(yuǎn)程通訊可同時(shí)應(yīng)用，充分保障自動(dòng)站穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站配置靈活，可靈活增加或減少測(cè)量的氣象要素，適應(yīng)特定觀測(cè)的需要，適宜大規(guī)模組網(wǎng)，同時(shí)支持遠(yuǎn)程維護(hù)。

2 比測(cè)方法及資料選取

比測(cè)采用同步觀測(cè)方法進(jìn)行，每天8：00、14：00、20：00 人工觀測(cè)百葉箱內(nèi)干球溫度時(shí)，同時(shí)調(diào)取TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站記錄環(huán)境氣溫，資料選取比測(cè)時(shí)段2019 年1 月1 日至6 月30 日數(shù)據(jù)。

3 分析方法及結(jié)果

3.1 相關(guān)分析

通過(guò)自動(dòng)氣象站記錄的環(huán)境氣溫和人工同步觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)系列建立相關(guān)關(guān)系，分析相關(guān)性和變化是否連續(xù)、有無(wú)突變現(xiàn)象。

根據(jù)分別點(diǎn)繪的8：00、14：00、20：00 人工觀測(cè)與自動(dòng)氣象記錄環(huán)境氣溫相關(guān)圖分析，兩個(gè)氣溫?cái)?shù)據(jù)系列變化連續(xù)，無(wú)突變現(xiàn)象。各時(shí)段觀測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)密集成一帶狀，均呈線性關(guān)系，相關(guān)性很好，R2 值見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 開(kāi)墾河（三）站8：00 人工觀測(cè)與自動(dòng)氣象記錄氣溫相關(guān)圖

圖2 開(kāi)墾河（三）站14：00 人工觀測(cè)與自動(dòng)氣象記錄氣溫相關(guān)圖

圖3 開(kāi)墾河（三）站20：00 人工觀測(cè)與自動(dòng)氣象記錄氣溫相關(guān)圖

3.2 差值分析

氣溫作為常規(guī)地面氣象觀測(cè)的基本要素之一，其觀測(cè)方法和誤差直接關(guān)系到預(yù)報(bào)精度和對(duì)大氣過(guò)程的理解。開(kāi)展不同氣溫觀測(cè)系統(tǒng)間的對(duì)比和分析，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性，對(duì)有氣溫作為影響因子的科學(xué)研究和應(yīng)用具有重要意義。

目前我國(guó)氣象臺(tái)、氣象站主要的溫度測(cè)量?jī)x器有兩種：溫濕傳感器和玻璃水銀溫度表。造成地面氣溫觀測(cè)誤差的主要原因有3 種：儀器變化、太陽(yáng)輻射和通風(fēng)影響。

傳感器的性能會(huì)系統(tǒng)性影響溫度的準(zhǔn)確性。TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站溫度測(cè)量范圍為-40～+80℃，分辨率為0.1℃，準(zhǔn)確度為±0.2℃。溫度傳感器帶來(lái)的誤差主要來(lái)源于3個(gè)方面：1）對(duì)溫度傳感器信號(hào)的處理引入的誤差。對(duì)信號(hào)放大、補(bǔ)償、修正后產(chǎn)生的失真；例如有的溫濕敏元件溫度系數(shù)是個(gè)變量，常溫下補(bǔ)償后，高溫時(shí)仍有誤差。2）溫度傳感器、變送器在校準(zhǔn)，標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生的誤差。溫度傳感器在工作室停留位置不同產(chǎn)生的誤差，平衡時(shí)間不夠或難以達(dá)到平衡產(chǎn)生的誤差。標(biāo)定設(shè)備的干燥系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)不理想，設(shè)備的壓力、溫度丈量控制不準(zhǔn)。3）溫度傳感器的穩(wěn)定性會(huì)隨時(shí)間而變化。一方面由于敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值對(duì)溫濕度響應(yīng)的離散性；另一方面由于信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差：即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中，不能僅僅依賴于選用高質(zhì)量高精度的優(yōu)質(zhì)溫度傳感器，重視溫度傳感器的使用技術(shù)和誤差分析修正更是提高測(cè)量精度的可靠保證。

不潔白百葉箱會(huì)系統(tǒng)性影響氣溫觀測(cè)的精準(zhǔn)性。百葉箱是安裝溫、濕度儀器用的防護(hù)設(shè)備。作用是防止太陽(yáng)對(duì)儀器的直接輻射和地面對(duì)儀器的反射輻射，保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等的影響，并使儀器感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，能真實(shí)地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。白天，空氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收能力弱于任一種溫度感應(yīng)元件；夜晚，空氣的紅外輻射能力又弱于任一種溫度感應(yīng)元件的表面。任何直接暴露在空氣中的測(cè)溫元件，其測(cè)量值在白天將系統(tǒng)偏高于氣溫，夜間則系統(tǒng)偏低。為避免這種輻射誤差，必須對(duì)測(cè)溫元件采取有效的輻射屏蔽措施。不潔白百葉箱由于顏色較深導(dǎo)致吸收不同波長(zhǎng)的區(qū)間變大，吸收的太陽(yáng)輻射和地面輻射的能量更多,而潔白的百葉箱箱體會(huì)反射更多的太陽(yáng)輻射和地面輻射，因此不潔白箱體溫度高于干凈潔白的百葉箱箱體溫度,從而導(dǎo)致兩種百葉箱箱內(nèi)的氣溫不一樣,觀測(cè)結(jié)果也就存在差異。在無(wú)日照陰雨天氣里，2 個(gè)百葉箱內(nèi)干球溫度記錄無(wú)差別。另外,溫度表或傳感器本身附著灰塵等雜物,也會(huì)使溫度表滯后系數(shù)增大,使觀測(cè)記錄到的溫度不能真實(shí)反映實(shí)時(shí)溫度[2]。人工觀測(cè)百葉箱與自動(dòng)氣象站百葉箱存在色差，箱體潔白程度會(huì)帶來(lái)兩種儀器的測(cè)量誤差。

風(fēng)作為重要的氣象要素之一，可以直接反映出大氣環(huán)流的特征，流經(jīng)百葉箱的風(fēng)促使百葉箱內(nèi)部空氣產(chǎn)生對(duì)流，影響百葉箱內(nèi)外熱輻射傳輸，因此區(qū)域風(fēng)速的變化對(duì)百葉箱內(nèi)部流場(chǎng)有很大影響，流經(jīng)溫度表或傳感器的風(fēng)速是決定百葉箱氣溫測(cè)量精度的主要因素之一。研究表明，受長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)特征以及側(cè)面葉片導(dǎo)流的影響，百葉箱內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)具有明顯的非均一性特征，在水平剖面和垂直剖面上分別出現(xiàn)明顯的梭形流場(chǎng)和環(huán)形流場(chǎng)；百葉箱對(duì)環(huán)境空氣的流動(dòng)具有明顯的阻擋作用，平均相對(duì)風(fēng)速減小率在箱體中軸線上存在明顯的垂直差異。結(jié)果表明，自然通風(fēng)型防輻射裝置和強(qiáng)制通風(fēng)型防輻射裝置的內(nèi)外溫差存在較大的差異，強(qiáng)制通風(fēng)型防輻射裝置間的內(nèi)外溫差較??；并且良好的通風(fēng)可以有效地減小儀器的觀測(cè)誤差[3]。由此可知，百葉箱結(jié)構(gòu)會(huì)影響內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)特征以及通風(fēng)情況，從而影響溫度的精準(zhǔn)性。人工觀測(cè)百葉箱與自動(dòng)氣象站百葉箱在體積、結(jié)構(gòu)都存在較大差異，需要考慮風(fēng)速帶來(lái)的兩種儀器的測(cè)量誤差。

根據(jù)以上理論，將自動(dòng)氣象站同步記錄的環(huán)境氣溫減去人工觀測(cè)氣溫得到差值在剔除異常數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下文簡(jiǎn)稱為差值。

為研究傳感器本身特性，主要研究傳感器在不同溫度段里的精確性，排除風(fēng)速和陽(yáng)光輻射的影響，以0℃為界限，因?yàn)樵?℃以下時(shí)，開(kāi)墾河水文站在20：00 太陽(yáng)基本已經(jīng)落山，可以忽略陽(yáng)關(guān)輻射影響。因此選取1 月～6 月風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天、氣溫低于0℃的20：00 氣溫共44 條，平均差值為0.18℃；風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天、氣溫高于0℃的20：00 氣溫共97 條，平均差值為0.11℃，兩者平均差值相差0.7℃，由此可知，傳感器在不同溫度區(qū)間存在系統(tǒng)誤差。因?yàn)閭鞲衅髟诓煌瑴囟葏^(qū)間所帶來(lái)的誤差趨向是相同的，都為正值，不影響研究風(fēng)速和太陽(yáng)輻射對(duì)溫度觀測(cè)的影響時(shí)的定性結(jié)果，所以下列不同溫度區(qū)間的數(shù)據(jù)不做區(qū)別分析。

為研究太陽(yáng)輻射對(duì)溫度觀測(cè)的影響，需要控制風(fēng)速變量，在三個(gè)觀測(cè)時(shí)段中，14：00 的太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈，8：00、20：00 的太陽(yáng)輻射處于弱和無(wú)的情況，是比較理想的對(duì)比時(shí)段，但是8：00 風(fēng)速超過(guò)1.0 m/s 較多，因此選取20：00 的觀測(cè)溫度作為對(duì)比組。選取1 月～6 月風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天14：00 氣溫共87 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.24℃；風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天20：00氣溫共108 條，平均差值為0.16℃，兩者平均差值相差0.8℃，由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射會(huì)帶來(lái)比較明顯的差異。

為研究風(fēng)速對(duì)溫度觀測(cè)帶來(lái)的影響，需要排除太陽(yáng)輻射的干擾，所以選取1 月～6 月有降水日期內(nèi)的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，日平均風(fēng)速小于1.0 m/s 共27 天81 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.19℃；日平均風(fēng)速大于于1.0 m/s 共14 天42 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.18℃，兩者的平均差值相差0.1℃，基本相同，由此可以忽略風(fēng)速對(duì)兩者溫度觀測(cè)帶來(lái)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上相關(guān)分析和差值分析結(jié)果可知，人工觀測(cè)與TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系很好，R2值均在0.99 以上，滿足《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[4]的規(guī)范要求。由風(fēng)速帶來(lái)的誤差可以忽略，陽(yáng)光輻射帶來(lái)的誤差較大，傳感器在不同溫度區(qū)間存在系統(tǒng)誤差。

為減少自動(dòng)氣象站長(zhǎng)系列溫度觀測(cè)的誤差，建議對(duì)晴天14：00 氣溫觀測(cè)值進(jìn)行訂正，對(duì)以0℃為分界的兩個(gè)溫度區(qū)間的溫度觀測(cè)值進(jìn)行訂正。為方便統(tǒng)一起見(jiàn)，也可對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，訂正值為所有差值的均值。按期在有代表性地時(shí)間段里進(jìn)行比測(cè)率定出訂正值，例如北方地區(qū)1 月份和6 月份。使用時(shí)間越久，比測(cè)的時(shí)間間隔宜相應(yīng)的縮短。通過(guò)分析，TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站可以在水文站使用。