宋樹禮 ， 張 鑫 ， 劉志剛 ， 姚 遠(yuǎn)

（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省莒縣氣象局，山東 日照 276500；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；4.秦皇島市氣象局，河北 秦皇島 066000；5.沈陽新力新信息技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

我國在新中國成立初期開展了季節(jié)性凍土人工觀測技術(shù)研究，20 世紀(jì)50 年代中期開展了季節(jié)性凍土人工觀測。冬季土壤凍結(jié)時(shí)，在“凍脹”的作用下體積膨大，增加對建筑物的頂托或者擠壓等壓力。夏季融化又出現(xiàn)“融沉”作用，體積減小，地面下沉，造成墻體、柱體撕裂等不良影響。

季節(jié)性凍土觀測是我國地面氣象觀測的重要組成部分，已積累多年人工觀測數(shù)據(jù)，在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。連續(xù)自動(dòng)的凍土觀測數(shù)據(jù)能客觀地反映季節(jié)性凍土維持時(shí)間和凍結(jié)層深度，進(jìn)而表征土壤含水量的高低，對越冬作物產(chǎn)量評估具有重要價(jià)值?；诠こ谭€(wěn)定性、耐久性及積極性考慮，連續(xù)自動(dòng)的凍土觀測數(shù)據(jù)為國家大型土木工程的規(guī)劃實(shí)施、環(huán)境評價(jià)、生態(tài)預(yù)測、拓寬氣象服務(wù)預(yù)警領(lǐng)域提供了重要參考。增強(qiáng)凍土自動(dòng)觀測能力建設(shè)是地面氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展的需要，也是現(xiàn)代氣象服務(wù)發(fā)展的需要，對氣候變化研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)、建筑工程設(shè)計(jì)等具有重要的意義。

1 凍土的概念

1）定義?！兜孛鏆庀笥^測規(guī)范》（2003 版）明確指出，“凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)”[1]。凍土一般可分為短時(shí)凍土（數(shù)小時(shí)/數(shù)日以至半月）、季節(jié)凍土（半月至數(shù)月）以及多年凍土（又稱永久凍土，指的是持續(xù)兩年或兩年以上的凍結(jié)不融的土層）。

2）土壤凍結(jié)本質(zhì)。土壤的凍結(jié)過程是一種熱物理現(xiàn)象，凍融相態(tài)轉(zhuǎn)換過程保持了水凍融過程的主要特征，土壤凍結(jié)的本質(zhì)是含有水分的土壤的水發(fā)生了相變，土壤中不含有水分則凍結(jié)相變不能夠發(fā)生，水的凍融規(guī)律是對土壤綜合因素所賦予的熱傳導(dǎo)作用的客觀反映[2-3]。

2 凍土人工觀測

1）測量原理。我國凍土人工觀測的凍土器通過內(nèi)管中水的相態(tài)變化能間接反映土壤凍融過程，可觀測到土壤的凍結(jié)層次和凍結(jié)深度。

2）觀測方法。每日的8 時(shí)，觀測人員用一只手將注水軟膠管提到地面之上，用另一只手摸測膠管的軟硬程度，根據(jù)摸測、感覺到的水體的硬度判定土壤的凍結(jié)深度和凍結(jié)層次。

3）缺點(diǎn)。人工凍土器內(nèi)管標(biāo)有厘米刻度，其軟膠管標(biāo)尺隨內(nèi)管水的凍結(jié)而伸長或彎曲；特別是凍結(jié)深度比較大的地區(qū)，提取內(nèi)管摸測過程中容易產(chǎn)生彎折，破壞原有的自然凍結(jié)狀態(tài)；人工提取和放置凍土器內(nèi)管的過程已對凍土器外套管內(nèi)的溫度環(huán)境產(chǎn)生破壞，同時(shí)，因觀測人員對膠管軟硬的感知、認(rèn)知程度不同，同樣影響“凍結(jié)”判斷。另外，凍土最大凍結(jié)深度出現(xiàn)時(shí)間一般在最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間前后，而最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間一般在日出前后，《地面氣象觀測規(guī)范》（2003 版）規(guī)定8 時(shí)為全國統(tǒng)一觀測時(shí)間，這對我國西部地區(qū)來說，容易漏測最大凍結(jié)深度。

3 凍土自動(dòng)觀測

為提高凍土觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，促進(jìn)我國凍土觀測向標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，我國氣象工作者自主研發(fā)了電阻式凍土自動(dòng)觀測儀，經(jīng)中國氣象局甄選，頒發(fā)了專用氣象技術(shù)裝備使用許可證，開始在全國進(jìn)行凍土平行觀測試點(diǎn)。

1）測量原理。電阻式凍土自動(dòng)觀測儀利用含有導(dǎo)電粒子的水在相變時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生突變的特性，用非純凈水作為感應(yīng)介質(zhì)制成感應(yīng)元件，通過測量水的相變情況反映同層土壤的凍融狀態(tài)、凍結(jié)層次和凍土上下限深度。

2）測量電路。電阻式凍土儀的測量電路由非純凈水體、感應(yīng)電極、交流電源和轉(zhuǎn)換開關(guān)等部件構(gòu)成，電阻式凍土自動(dòng)觀測儀測量原理如圖1所示。

圖1 電阻式凍土自動(dòng)觀測儀測量原理圖

測量電路的感應(yīng)電極是置于水體中1 cm 間隔的水平電極，將感應(yīng)水體劃分成均等的1 cm 厚度的水柱，以滿足1 cm分辨力的測量指標(biāo)需求。

測量電路度數(shù)轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用是自上而下，將測量電路的交流電源順次接入逐厘米層的上下兩個(gè)電極，實(shí)現(xiàn)對1 cm 厚度層水體電量的分揀。相對來說，電阻法凍土自動(dòng)觀測測量原理簡單，感應(yīng)器元器件較少，測量性能穩(wěn)定。

水的導(dǎo)電性能取決于導(dǎo)電離子的含量，純凈水不含導(dǎo)電離子，其導(dǎo)電能力微乎其微。自然界中的水多數(shù)是導(dǎo)電的，原因是水中溶有大量的雜質(zhì)（導(dǎo)電離子）。自來水在水廠消毒凈水時(shí)引入SO42-、Cl-等，增加了帶電離子。因此，這種水都是比較弱的電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電是依靠正、負(fù)兩種離子各自向相反方向遷移以運(yùn)輸電量的結(jié)果。當(dāng)插入電解質(zhì)溶液中的兩個(gè)電極之間存在電位差時(shí)，離子做定向運(yùn)動(dòng)，正離子移向負(fù)極，負(fù)離子移向正極，同時(shí)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，只有氧化還原反應(yīng)不斷進(jìn)行才能使電路中的電子不斷地做定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電。水分子屬于較強(qiáng)的極性分子，較容易溶有導(dǎo)電離子，這種分子對其他分子具有較強(qiáng)的吸引力[4-7]。導(dǎo)電離子在測量電路中的電壓、電阻、電流符合以下歐姆定律：

其中，I為兩極間通過的電流強(qiáng)度；V為兩極間的電壓；R電液為電解質(zhì)溶液電阻；R極化為電極與溶液的界面電阻；R電極為電極內(nèi)阻。

3）凍結(jié)閾值實(shí)驗(yàn)。采用礦泉水作為測量介質(zhì)，從測試數(shù)據(jù)中檢索出全部凍融界面的臨近數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)“凍0”數(shù)據(jù)的最大值和“化0”數(shù)據(jù)的最小值，凍土自動(dòng)觀測儀凍融界面測試數(shù)據(jù)如表1 所示，表中，“凍0”是凍融界面的凍結(jié)層，“化0”凍融界面的融化層[8-11]。

表1 凍土自動(dòng)觀測儀凍融界面測試數(shù)據(jù)列表

“凍0”數(shù)據(jù)的最大值為3.95，“化0”數(shù)據(jù)的最小值為4.17，冗余間隔為0.22；凍土自動(dòng)觀測儀凍結(jié)閾值取為4.0 較合理、可靠，可以確保不同地域凍結(jié)層判定有依據(jù)。

4 結(jié)論

1）電阻式凍土自動(dòng)觀測儀繼承了我國地面氣象觀測業(yè)務(wù)中使用的TB1-1 型凍土器測量原理和感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，承襲了TB1-1 型凍土器1 cm 的測量分辨力和2 cm的測量準(zhǔn)確度。

2）電阻式凍土自動(dòng)觀測儀通過縝密的水體凍融相態(tài)算法，能準(zhǔn)確地反映出冬季土壤的漸凍、漸化過程和土壤凍融規(guī)律。

3）電阻式凍土自動(dòng)觀測儀通過驗(yàn)證的凍結(jié)閾值達(dá)到了測量準(zhǔn)確度要求，其可替代TB1-1 型凍土器實(shí)現(xiàn)凍土自動(dòng)觀測。