程相勤

（新疆禹通工程監(jiān)理有限公司，新疆 阿勒泰 836500）

當(dāng)前，中小流域水文觀測仍以傳統(tǒng)的人工觀測方式為主，人工觀測存在工作效率低、受環(huán)境干擾強(qiáng)、觀測精度低等問題，特別是在高山峽谷、干旱缺氧等惡劣環(huán)境下觀測將嚴(yán)重威脅觀測人員安全，自動(dòng)氣象監(jiān)測則是應(yīng)對(duì)這困難的有力途徑[1]。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)和儀器設(shè)備在水文領(lǐng)域不斷推廣應(yīng)用，監(jiān)測手段由傳統(tǒng)人工觀測逐步轉(zhuǎn)向自動(dòng)監(jiān)測與巡測、駐測相結(jié)合的模式，自動(dòng)化水平逐步提高[2]。近些年，國家持續(xù)加大水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度，水文站網(wǎng)布局進(jìn)一步完善，監(jiān)測能力得到提高，服務(wù)水平和水文現(xiàn)代化水平不斷提升[3]。水文站網(wǎng)逐步完善，基本形成完整體系，我國已建成空間分布基本合理、監(jiān)測項(xiàng)目比較齊全、測站功能較為完善的水文站網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大江大河及其主要支流、有重點(diǎn)防洪任務(wù)的中小河流水文監(jiān)測基本覆蓋[4-5]。2022 年7 月以來，長江流域持續(xù)高溫少雨，江河來水嚴(yán)重偏少，江湖水位持續(xù)走低，旱情快速發(fā)展，為保障長江流域應(yīng)急水量調(diào)度方案科學(xué)合理，水文觀測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析顯得尤為重要[6]。建立流域水文自動(dòng)氣象監(jiān)測體系，有利于服務(wù)水利對(duì)象決策、調(diào)度管理，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理和在線更新[7]。規(guī)模化以上的江河湖泊正逐步完善建立自動(dòng)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)管理體系，為防汛抗旱以及水利突發(fā)事件的應(yīng)急處置提供精準(zhǔn)化支撐[8]。本文以開墾河水文站為研究對(duì)象，對(duì)自動(dòng)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并基于分析結(jié)果評(píng)價(jià)自動(dòng)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性。

1 水文站概況

1.1 測站基本情況

開墾河水文站設(shè)于1956 年10月，集水面積371km2，河段長34 km。開墾河發(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。開墾河水文站位于昌吉市奇臺(tái)縣七戶鄉(xiāng)七戶一村，為國家基本水文站，屬二類精度水文站。開墾河站氣象蒸發(fā)場位于出山口地形，高程1 502 m，氣象蒸發(fā)場規(guī)格為16 m×20 m，觀測場距離建筑物約40 m。

1.2 測站設(shè)施情況

為實(shí)現(xiàn)水文測量工作自動(dòng)化和信息化，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)水文測驗(yàn)的要求，降低野外測驗(yàn)人員工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)水文測驗(yàn)資料監(jiān)測自動(dòng)化。開墾河站于2013 年9 月安裝TRM-ZS9 型中尺度自動(dòng)氣象站，經(jīng)過對(duì)設(shè)備不斷調(diào)試、升級(jí)，目前觀測數(shù)據(jù)可同步傳輸至昌吉水文勘測局服務(wù)器，每月對(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行校檢3 次，包括儀器電源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及儀器的時(shí)間等，有校檢記錄。該站自動(dòng)氣象站主電采用太陽能供電，配有UPS 備用電源。自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)可網(wǎng)絡(luò)傳輸和本地自行存儲(chǔ)，在發(fā)現(xiàn)斷網(wǎng)、停電的情況，在一個(gè)月內(nèi)可從自動(dòng)氣象站本地存儲(chǔ)中調(diào)取，在自動(dòng)氣象站調(diào)試升級(jí)或其它自動(dòng)氣象站不能正常運(yùn)行的情況下，應(yīng)立即恢復(fù)人工觀測，并記錄原因。

2 儀器設(shè)備與數(shù)據(jù)選取

2.1 自動(dòng)氣象儀器設(shè)備

為保證開墾河站氣溫比測資料的一致性，自動(dòng)氣象站布設(shè)在氣象場內(nèi)，人工觀測溫度計(jì)和自動(dòng)氣象站氣溫感應(yīng)器都布設(shè)在同一高度。開墾河站自動(dòng)氣象站位于百葉箱旁，2019 年開始使用，采用TRM-ZS9型中尺度自動(dòng)氣象站，主要由氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀、氣象環(huán)境監(jiān)測軟件三部分組成，可監(jiān)測風(fēng)向、溫度、濕度、雨量等要素。溫濕度采集器安裝在支架橫臂上，感應(yīng)探頭距地面1.5 m，橫臂指向南。

該自動(dòng)氣象站的工作原理：傳感器將對(duì)應(yīng)氣象要素變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)變化，這種變化由單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集器采集，進(jìn)行定標(biāo)處理，經(jīng)過處理后獲得各個(gè)氣象要素的實(shí)時(shí)值，然后由通信模塊傳輸?shù)街行恼镜奈C(jī)上。數(shù)據(jù)采集依托自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器，主要功能是數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸。自動(dòng)氣象站采集到的氣象數(shù)據(jù)，需通過傳輸系統(tǒng)發(fā)至水文站指定的位置，供相關(guān)人員做數(shù)據(jù)分析。傳輸方式分2 種：①本地傳輸，設(shè)備有線連接，一般為RS485 傳輸；②無線傳輸，常用的無線傳輸方式為4G 傳輸。通過物聯(lián)網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)傳到服務(wù)器。

TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站主要?dú)庀蠹夹g(shù)參數(shù)見表1，主要組成構(gòu)件見表2。

表1 TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站主要?dú)庀蠹夹g(shù)參數(shù)

表2 TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站主要組成構(gòu)件

2.2 觀測數(shù)據(jù)選取

經(jīng)多次現(xiàn)場調(diào)試后，開墾河站于2020 年1 月1 日起開始進(jìn)行人工與自動(dòng)氣象站比測工作，每天8 時(shí)、14 時(shí)、20 時(shí)人工觀測百葉箱內(nèi)干球溫度時(shí)，同時(shí)觀測TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站記錄環(huán)境氣溫。本文采用2020 年日平均、最高、最低氣溫各342 組數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。自動(dòng)氣象站和人工觀測氣溫比測數(shù)據(jù)均是從2020 年1 月1 日到12 月31 日（2 月13 日～15 日、9 月17 日-30 日、12 月25-31 日自動(dòng)氣象站觀測氣溫?zé)o數(shù)據(jù)，不進(jìn)行對(duì)比分析）。

3 分析結(jié)果

3.1 氣溫偏差分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析前，首先剔除在測量過程中受環(huán)境或人為因素干擾記錄下來的不切合實(shí)際的異常值。根據(jù)《自動(dòng)氣象站觀測規(guī)范》（GB/T 33703-2017）的要求，將人工觀測氣溫減去自動(dòng)氣象站同步記錄的環(huán)境氣溫得到差值，分析兩個(gè)氣溫變化受外部因素影響程度。

對(duì)人工定時(shí)觀測數(shù)據(jù)與自動(dòng)氣象站記錄環(huán)境氣溫進(jìn)行差值分析，8 時(shí)氣溫偏差在-1.8～1.7℃之間，14 時(shí)氣溫偏差在-2～1.4℃之間，20 時(shí)氣溫偏差在-2～2℃之間，見表3。日平均氣溫偏差范圍在-1.3～0.8℃之間，日最高氣溫偏差在-2～2℃之間，日最低氣溫偏差在-2.0～2.0 之間，見表4。年最高氣溫偏差-0.6℃，年最低氣溫偏差0.4℃，年平均氣溫偏差-0.1℃，見表5。

表3 自動(dòng)化與人工觀測定時(shí)氣溫對(duì)比表

表4 自動(dòng)化與人工觀測氣溫偏差對(duì)比表

表5 自動(dòng)化與人工觀測氣溫對(duì)比表

3.2 氣溫差值分析

由表6 可以看出8 時(shí)氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)最多，出現(xiàn)202 次，出現(xiàn)頻率為59.1%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)83 次，出現(xiàn)頻率為24.3%。14 時(shí)氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)也最多，出現(xiàn)183 次，出現(xiàn)頻率為53.5%；差值介于0～1℃的出現(xiàn)86 次，出現(xiàn)頻率為25.1%。20 時(shí)氣溫差值介于-0～1℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)最多，出現(xiàn)149 次，出現(xiàn)頻率為43.6%；差值介于-1～0℃的出現(xiàn)111 次，出現(xiàn)頻率為32.5%。

表6 人工觀測與自動(dòng)氣象站觀測氣溫差值統(tǒng)計(jì)表

可以看出人工觀測與自動(dòng)化氣象站觀測日平均氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)最多，出現(xiàn)263 次，出現(xiàn)頻率為76.9%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)72次，出現(xiàn)頻率為21.1%。日最高氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)亦最多，出現(xiàn)139 次，出現(xiàn)頻率為40.6%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)114 次，出現(xiàn)頻率為33.3%。日最低氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計(jì)次數(shù)最多，出現(xiàn)165 次，出現(xiàn)頻率為48.2%；其次為差值介于-1.5～-1℃的出現(xiàn)124 次，出現(xiàn)頻率為36.3%。具體見表7。

表7 兩種不同方法觀測氣溫均值/極值差值一覽表

基于上述氣溫偏差與氣溫差值的分析，表明采用TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站和人工觀測方法所測得的數(shù)據(jù)，在8 時(shí)、14 時(shí)和20 時(shí)的氣溫偏差介于-2～2℃，出現(xiàn)頻率最多的氣溫差值為-1～0℃，說明自動(dòng)與人工觀測數(shù)據(jù)的差值小，測量誤差在合理運(yùn)行范圍內(nèi)，該TRM-ZS9 型自動(dòng)氣象站可替代人工進(jìn)行觀測。

3.3 相關(guān)性分析

通過對(duì)人工觀測與自動(dòng)化氣象站觀測的氣溫?cái)?shù)據(jù)系列建立相關(guān)關(guān)系（圖1-6），分析相關(guān)性和變化是否連續(xù)、有無突變現(xiàn)象?；诿咳? 時(shí)、14 時(shí)、20 時(shí)、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫可以看出數(shù)據(jù)觀測無突變現(xiàn)象，均呈線性關(guān)系，相關(guān)性良好。

圖1 開墾河站8 時(shí)氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

圖2 開墾河站14 時(shí)氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

圖3 開墾河站20 時(shí)氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

圖4 開墾河站平均氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

圖5 開墾河站最高氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

圖6 開墾河站最低氣溫兩種不同方法記錄相關(guān)圖

4 結(jié)論與展望

本文通過人工觀測與自動(dòng)觀測氣溫差值分析，得出8 時(shí)、14 時(shí)、20 時(shí)氣溫偏差，日平均、最高、最低氣溫偏差，年平均、最高、最低氣溫偏差，以及氣溫差值出現(xiàn)次數(shù)和頻率，結(jié)果表明二者的氣溫?cái)?shù)據(jù)差值小，所測數(shù)據(jù)吻合度高。當(dāng)前流域水文監(jiān)測自動(dòng)化程度不足，新技術(shù)新儀器研發(fā)應(yīng)用水平有待提升，基于人工智能、大數(shù)據(jù)的水文信息監(jiān)測及反饋分析技術(shù)是后續(xù)的重點(diǎn)研究方向。