阿里木·吐木爾

（新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，大量的水文自動觀測系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)常規(guī)觀測設(shè)備。由于技術(shù)和精度的原因，新舊2 種觀測系統(tǒng)之間存在一定的差異。為使觀測精準、規(guī)范，需對2種觀測系統(tǒng)的觀測結(jié)果進行對比分析。

1 概況

恰拉水文站于2004 年9 月設(shè)立，位于新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣塔里木鄉(xiāng)，是內(nèi)陸河湖流域葉爾羌河、塔里木河區(qū)水系塔里木河上的大河重要控制站，觀測項目有水位、流量、降水、蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)等[1]。該站屬省級重要水文站，測驗方式為駐測，測驗河段順直長度約500 m，河槽近似于梯形，主槽寬度約50 m，高水控制較好，高、低水位時無岔流、串流、逆流、回水、死水等情況；河床由細砂組成，高、中水受沖淤變化較大；兩岸植被較差，河岸無坍塌及河道開挖治理情況，上下游沒有對水流及測驗有影響的支流、彎道、引排水工程、堤防、橋梁及阻水建筑物，附近無支流匯入。該站多年平均年徑流量為6.461×108m3，多年平均年降水量為30.8 mm，實測最大流量為188 m3/s（2017年9月22日）。

塔里木河流域?qū)僦袦貛Т箨懶愿珊禋夂颍湎臒?，日溫差較大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發(fā)量大[2]。降水年際變化不大，年內(nèi)降水主要集中在5—9月。多年平均年蒸發(fā)量為1 926 mm（20 cm蒸發(fā)量）[3]。

該站蒸發(fā)場設(shè)于水文站院內(nèi)。蒸發(fā)場地面積320 m2，場內(nèi)設(shè)有百葉箱、雨量器、E601 型蒸發(fā)器、20 cm 口徑蒸發(fā)器、自動氣象站，全年2 種蒸發(fā)器同時進行觀測。觀測場四周為1.0 m高的圍欄，場內(nèi)觀測道寬0.5 m，地表植物高度低于0.2 m。2種蒸發(fā)器設(shè)置于氣象場內(nèi)，各蒸發(fā)器的設(shè)置符合規(guī)范要求。

2 比對觀測的方法和意義

恰拉水文站采用自動化氣象觀測儀器，用以感知自然界風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、相對濕度、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量。該站進行實時觀測，每隔5 min進行數(shù)據(jù)處理并傳輸，以滿足信息保存和顯示的需要。

2.1 選用資料與方法

1 月為冬季枯水期，4、7 月為高溫天氣和降雨較多時節(jié)。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》要求，選取恰拉水文站2020 年1、4、7 月自動儀器和人工觀測的氣溫、2020年5—9月降水、2020年6—10月20 cm口徑蒸發(fā)資料，探析自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)之間差值的特征和產(chǎn)生差異原因，進而規(guī)范自動氣象觀測儀器的精準性。

2.2 比對觀測的意義

目前，全國地面自動氣象觀測系統(tǒng)正在取代常規(guī)主要氣象要素的觀測，即人工觀測的器測項目逐步實現(xiàn)儀器自動化觀測。為了尋找出新舊2 種觀測方法之間的差異，將它們所獲取的資料進行對比是至關(guān)重要的。因此，在進行氣象要素觀測自動化進程中，需要一定時間的平行觀測，通過對比分析新舊儀器是否存在同步性、一致性和相關(guān)性，而且在統(tǒng)一的氣候資料存檔和管理原則下，來確保觀測資料的客觀性和科學(xué)性。

3 氣溫觀測對比分析

根據(jù)恰拉水文站和當?shù)貧鉁貙嶋H，選取2020 年1、4、7 月氣象觀測資料進行對比分析。依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》第2.4條規(guī)定，對每日8、14、20時的自動、人工觀測氣溫數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果顯示，8時和14時偏差為-0.1，20時偏差為0，日最高偏差為-0.1，日最低偏差為0.3，均小于標準差0.4 的要求。

3.1 相關(guān)性分析

根據(jù)恰拉水文站自動與人工觀測氣溫資料統(tǒng)計分別繪制1、4、7 月的8、14、20 時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫相關(guān)性，如圖1—5 所示，得到相關(guān)關(guān)系分別為y=0.986 7x+0.010 4（R2=0.999 4）、y=0.985 7x+0.159 8（R2=0.999 3）、y=0.990 6x+0.151 6（R2=0.999 5）、y=0.995 6x+0.023 4（R2=0.999 4）、y=1.000 4x+0.273 2（R2=0.999 2）。從圖1—5 可以看出，人工與自動觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖1 恰拉水文站自動與人工觀測8時氣溫相關(guān)性

圖2 恰拉水文站自動與人工觀測14時氣溫相關(guān)性

圖3 恰拉水文站自動與人工觀測20時氣溫相關(guān)性

圖4 恰拉水文站自動與人工觀測日最高氣溫相關(guān)性

圖5 恰拉水文站自動與人工觀測日最低氣溫相關(guān)性

3.2 誤差分析

分別點繪1、4、7 月的8、14、20 時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫的偏差圖，經(jīng)分析得出自動與人工觀測氣溫偏差較小，最大為±0.9°，最小為0，系統(tǒng)偏差為-0.1～0.3，標準差均為0.4。產(chǎn)生差異的主要原因如下。

（1）設(shè)備儀器的構(gòu)造不同。自動儀器采集鉑電阻輸出電量的變化，用來反映溫度表感應(yīng)部分的水銀或乙醇變化。隨著溫度高低的變化，鉑電阻的輸出電量很快被采集器采集成線性化進行定標處理，進而實現(xiàn)要素變量的轉(zhuǎn)變，促進感應(yīng)時間更精確、反映溫度變化更及時和靈敏。而人工觀測的溫度表是靠液體的熱脹冷縮來反映氣溫的變化，雖然溫度表的刻度是等距離的，但液體的變化卻并非是固定的，而且反映較慢，計數(shù)沒有溫度傳感器精準。

（2）觀測時間上存在誤差。因為觀測需要花費時間，所以人工觀測一般會提前10 min 對各氣象要素進行觀測。自動儀器則是自動計時，到正點會按氣溫、相對濕度、降水、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、地溫的順序瞬時完成觀測。一般情況下，人工觀測距正點的時間相差5 min 左右，而自動儀器則沒有時間誤差，其觀測數(shù)據(jù)會更加精準、具有代表性。所以，時間上的不同步會造成氣溫不同程度的變化。

（3）觀測樣本數(shù)存在較大差異。人工觀測時只讀取1次儀器值，不可避免地存在視覺和讀數(shù)視差。而自動儀器的每1個數(shù)據(jù)都是通過多個樣本值求平均得到的，更接近氣象要素真實狀況，排除了人工造成的干擾和誤差。

（4）觀測連續(xù)精準水平具有差異。自動儀器能連續(xù)24 h 對氣象要素進行觀測，觀測時間長、精準。雖然人工觀測也有部分要素的自記儀器，但各時次的數(shù)據(jù)都要通過人工修正，且自記值也較粗略，資料的代表性較差。人工觀測要打開百頁箱，會受到空氣、風(fēng)力的影響，造成溫度變化，而自動儀器觀測不會受到這些因素影響。

4 降水觀測對比分析

4.1 相關(guān)性分析

點繪恰拉水文站5—9 月自動與人工觀測日、月降水量相關(guān)性，如圖6—7 所示，經(jīng)分析可以得出逐日、逐月自動與人工觀測降水量相關(guān)關(guān)系分別為y=0.998 2x（R2=0.996 4）、y=1.001 6x（R2=0.999 8）。從圖6—7 可以看出，人工與自動觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖6 恰拉水文站自動與人工觀測日降水量相關(guān)性

圖7 恰拉水文站自動與人工觀測月降水量相關(guān)性

4.2 誤差分析

采用2020 年實測資料進行降水量對比分析，自動儀器采集器采集降水量與人工觀測降水量的時間相差10 min，單次降水過程中定時觀測數(shù)值相差較大，特別是臨近正點下雨差值更大，但降水總量差別不大。自動與人工觀測降水量差值不穩(wěn)定，其很大原因是觀測時間不同步，具體情況詳見表1—2。

表1 恰拉水文站自動與人工觀測日降水量對比mm

表2 恰拉水文站自動與人工觀測月降水量對比mm

4.3 產(chǎn)生誤差的主要原因

一方面是自動與人工觀測儀器本身所造成的誤差；另一方面是自動與人工觀測在觀測記錄時間上存在較大差異，在觀測時間上不同步。

5 蒸發(fā)觀測對比分析

2020 年6 月1 日—10 月31 日，對人工和自動觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)進行了比測，其間無缺測和故障，共取得比測數(shù)據(jù)153 組，比測方法符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630—2013）要求。

5.1 日蒸發(fā)量

5.1.1 相關(guān)性分析

點繪恰拉水文站6—10 月自動與人工觀測逐日蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖8 所示，建立人工蒸發(fā)量y對自動蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2=0.977 4。從圖8 可以看出，人工與自動觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖8 恰拉水文站自動與人工觀測逐日蒸發(fā)量相關(guān)性

5.1.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果詳見表3。由表3 可知，自動觀測的日蒸發(fā)量誤差在0～1.0 mm 的天數(shù)占觀測期的百分比為100%，日最大誤差為1.0 mm。經(jīng)分析，自動觀測成果是合理的。

表3 2020年6—10月自動與人工觀測日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計

5.2 旬蒸發(fā)量

5.2.1 相關(guān)性分析

點繪恰拉水文站6—10 月自動和人工觀測旬蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖9 所示，建立人工蒸發(fā)量y對自動蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.997 8。從圖9 可以看出，人工與自動觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖9 恰拉水文站自動與人工觀測旬蒸發(fā)量相關(guān)性

5.2.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果詳見表4。由表4 可知，自動與人工觀測各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)相對偏差基本在5.0%以內(nèi)。

表4 自動與人工觀測旬蒸發(fā)量對比

5.3 月蒸發(fā)量

5.3.1 相關(guān)性分析

點繪恰拉水文站6—10月自動和人工觀測月蒸發(fā)量相關(guān)性，如圖10所示，建立人工蒸發(fā)量y對自動蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.998 5。從圖10可以看出，人工與自動觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關(guān)關(guān)系顯著。

圖10 恰拉水文站自動與人工觀測月蒸發(fā)量相關(guān)性

5.3.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的各月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果詳見表5。由表5 可知，自動與人工觀測各月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)相對偏差基本在2%以內(nèi)，符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630—2013）技術(shù)要求[5]。

5.4 影響觀測結(jié)果的主要因素分析

（1）自動觀測每5 min收集1次數(shù)據(jù)，每日8時統(tǒng)計上一日的蒸發(fā)量，而人工觀測每日8時收集1次數(shù)據(jù)。自動觀測量程達80 mm/5 min，蒸發(fā)精度為0.01 mm，其產(chǎn)生的誤差極小。人工觀測采用人工降雨量計算日蒸發(fā)量，如遇強降雨則增加觀測次數(shù)，因不同人員、不同觀測位置、不同視覺等都是影響蒸發(fā)讀數(shù)的重要因素，故其產(chǎn)生的誤差較大。

（2）自動觀測生成的數(shù)據(jù)自動存儲，不需錄入和人工計算，同時下載的成果報表可直接進行整編；有關(guān)技術(shù)人員每日登陸相關(guān)系統(tǒng)便可檢查降水和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，觀察其是否合理、有無異值，既便捷又省時；儀器設(shè)備可以隨時檢查維護，有問題可以遠程在線維修，即使無法自動觀測時也可進行人工觀測。而人工觀測需人每日8時定時觀測，勞動強度大，還不可避免地產(chǎn)生誤差，出現(xiàn)誤差時也只能根據(jù)前后日的數(shù)據(jù)進行對比校正；每月觀測數(shù)據(jù)還需人工錄入計算機方能整編，不僅費時費力，還易產(chǎn)生錯誤。

6 結(jié)語

通過對自動與人工觀測的氣溫、降水、蒸發(fā)3 個主要氣象要素數(shù)據(jù)對比分析可知，兩者觀測值相關(guān)度高，接近于1，這說明自動觀測儀器測量可靠、所得數(shù)據(jù)精度較高，同時滿足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求。因此，恰拉水文站自動觀測的氣溫、降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)完全可以代替人工觀測值，并應(yīng)用于該站氣溫、降水、蒸發(fā)資料整編。