常德地區(qū)土壤水分自動(dòng)站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的閾值確定

張喜英， 羅 敏， 李德華

(常德市氣象局，湖南常德 415000)

常德地區(qū)土壤水分自動(dòng)站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的閾值確定

張喜英， 羅 敏*， 李德華

(常德市氣象局，湖南常德 415000)

統(tǒng)計(jì)分析常德地區(qū)9個(gè)土壤水分自動(dòng)站關(guān)于土壤體積含水量、土壤相對(duì)濕度、土壤重量含水率、土壤有效水分貯存量逐小時(shí)資料，得到各層土壤水分分布特征。根據(jù)9個(gè)站點(diǎn)地理環(huán)境以及四要素分布、變化特點(diǎn)，針對(duì)作物地段和固定地段兩種不同自動(dòng)站，分汛期和非汛期兩時(shí)段得到適合當(dāng)?shù)貤l件的各層土壤水分閾值和質(zhì)量控制方案。通過質(zhì)量評(píng)估結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)有必要分別對(duì)固定地段和作物地段站點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制。土壤水分自動(dòng)站小時(shí)資料的質(zhì)量控制方案具有很好的適用性。各個(gè)要素各層在汛期和非汛期時(shí)段可用率很高，均超過95%。

土壤水分自動(dòng)站;質(zhì)量控制;閾值

常德市于2010年11月建設(shè)完成9個(gè)土壤水分自動(dòng)觀測站，投入業(yè)務(wù)化應(yīng)用，并且獲取土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。9個(gè)自動(dòng)站包含2個(gè)作物地段土壤水分站和7個(gè)固定地段土壤水分站，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)上傳數(shù)據(jù)，分 20層。常德市土壤水分自動(dòng)站分布較多，觀測得到大量的土壤水分資料。為了能有效利用土壤水分資料和實(shí)現(xiàn)土壤水分質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)控、數(shù)據(jù)異常分析，需要對(duì)土壤水分資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定其閾值。土壤水分制約著土壤養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和吸收，是植物耗水的主要來源，也是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，具有重要的物理意義，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義[1]。土壤水分資料對(duì)掌握土壤水分變化規(guī)律、氣象防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義[2]。隨著土壤水分自動(dòng)站的普及以及業(yè)務(wù)工作對(duì)土壤水分資料要求的提高，自動(dòng)站土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性顯得格外重要。筆者將對(duì)常德作物地段和固定地段土壤水分自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)得到自動(dòng)觀測站水分?jǐn)?shù)據(jù)的閾值，以便規(guī)范土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，得到正確、合理的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

1 材料與方法

土壤水分物理量包括土壤體積含水量、土壤相對(duì)濕度、土壤重量含水率、土壤有效水分貯存量，主要采用變量8個(gè)層次逐小時(shí)數(shù)據(jù)。8層分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm。時(shí)段為2010年11月～2014年6月。該資料嚴(yán)格按照規(guī)范操作而取得的土壤濕度數(shù)據(jù)。

常德市土壤水分自動(dòng)站點(diǎn)分布如圖1所示。9個(gè)站點(diǎn)分別為石門站(57562)、臨澧站(57566)、澧縣固定地段(57565)、澧縣作物地段(P2155)、安鄉(xiāng)站(57577)、漢壽站(57663)、常德鼎城區(qū)固定地段(57662)、常德鼎城區(qū)作物地段(P2154)、桃源站(57661)。由圖可知，自動(dòng)站海拔高度均處于第一階梯中，差別不大，且各站點(diǎn)間距最小為30 km左右。根據(jù)各站點(diǎn)的地理環(huán)境以及地下水位、土壤質(zhì)地等因素，將澧縣固定地段和作物地段2個(gè)站閾值應(yīng)用于全市其余7個(gè)土壤水分站，實(shí)現(xiàn)土壤水分質(zhì)量自動(dòng)化檢測和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。自動(dòng)站分布于澧水流域和沅水流域，地下水位普遍較高，50 cm以下土層土壤水分含量變化小，因此50～100 cm均考慮使用50 cm 閾值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常德市汛期和非汛期土壤水分差異較明顯，故分汛期(3～9月)和非汛期(10月～次年2月)2個(gè)時(shí)段研究土壤水分閾值。

圖1 常德地區(qū)土壤水分自動(dòng)站分布

2 結(jié)果與分析

2.1 各層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)變化趨勢(shì)分析采用澧縣固定和作物地段作為代表個(gè)例，分析土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的變化。由圖1可知，澧縣(57565/P2155)處在常德市北部，相比于常德鼎城區(qū)站點(diǎn)，澧縣緯度較高，處于澧水流域平原，氣候背景、地貌、海拔和地下水水位等因素基本能代表常德各站的情況，故著重分析澧縣固定和作物地段土壤水分信息。

由圖2可知，固定地段各層數(shù)據(jù)較接近，波動(dòng)變化，一、二層變化幅度大，中低層土壤濕度變化較平緩。在降水較少的兩個(gè)時(shí)段(8～9月、9～10月)內(nèi)，土壤濕度的降至極小值，各層土壤濕度以不同的速度流失水分，表層土壤濕度的下降速度快。作物地段相對(duì)于固定地段，第一層濕度小，其他各層濕度均大于固定地段，尤其在降水較多時(shí)段作物能吸收更多的水，保水能力更強(qiáng)，在干旱時(shí)段，土壤表層更易失去水分，深層土壤變化幅度小，深層土壤保水能力強(qiáng)。由此可知固定地段和作物地段土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的異同。由于作物地段資料包含作物對(duì)土壤濕度的影響，與實(shí)際情況也更接近，因此需將二者分別進(jìn)行質(zhì)量控制，確定不同的閾值范圍。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析土壤水分閾值土壤水分物理量中的土壤體積含水量(Q)、土壤重量含水率(W)、土壤相對(duì)濕度(R)、土壤有效水分儲(chǔ)存量(U)之間可相互影響，相互轉(zhuǎn)化。通過先求得Q的閾值，再根據(jù)關(guān)系式求得其他3個(gè)要素的閾值，關(guān)系式如下：

W=Q/P

(1)

R=W/F×100%=Q/(P×F)×100%

(2)

U=P×H×(W-K)×10=P×H×(Q/P-K)×10

(3)

式中，P為土壤容重；F為田間持水量；K為凋萎濕度均為土壤參數(shù)；H為固定值10 cm。常用的各層土壤參數(shù)見表1。

表1 澧縣(固定地段/作物地段)土壤水分自動(dòng)站各層土壤濕度參數(shù)

文中將常德澧縣固定(57565)和作物地段(P2155)土壤閾值應(yīng)用于全市土壤水分資料質(zhì)量控制。在質(zhì)量控制過程中，0～50 cm土層土壤水分變化較明顯，應(yīng)分層計(jì)算其閾值，但常德市地下水較高，50 cm以下土層水分含量變化較小，故均采用50 cm土壤層的閾值代替。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得到澧縣汛期、非汛期各層土壤水分閾值(表2、表3)。

注：a1,b1,c1,d1為57565固定地段數(shù)據(jù)，a2,b2,c2,d2為57565作物地段數(shù)據(jù)；土壤體積含水量、相對(duì)濕度、重量含水率、土壤有效水分存儲(chǔ)量的單位分別×10-3 g/cm3、%、%、mm。紅色0～10 cm，綠色10～20 cm，深藍(lán)色20～30 cm，灰藍(lán)色30～40 cm，紫紅色40～50 cm。圖2 土壤水分各變量五層數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況

表2 澧縣固定地段非汛期、汛期各層土壤水分閾值 g/cm3

表3 澧縣作物地段非汛期、汛期各層土壤水分閾值 g/cm3

2.3 閾值適用性的檢驗(yàn)分別用澧縣固定地段、作物地段土壤體積含水量汛期、非汛期界定閾值對(duì)常德鼎城區(qū)站點(diǎn)土壤水分資料進(jìn)行質(zhì)量控制，通過質(zhì)量控制得出各層數(shù)據(jù)的正常率、可疑率、錯(cuò)誤率，發(fā)現(xiàn)正常率、可疑率之和特別高，而錯(cuò)誤幾乎為0。

表4 檢驗(yàn)閾值在鼎城區(qū)固定地段非汛期、汛期的適應(yīng)性

表5 檢驗(yàn)閾值在鼎城區(qū)固定地段非汛期、汛期的適應(yīng)性

由表4可知，該閾值在固定地段汛期和非汛期的第一層、第二層的正常率達(dá)到100%，第三層的正常率值相對(duì)有所減小，錯(cuò)誤為0，第四層、第五層正常率和可疑率之和幾乎為100%。由表5可知，作物地段0～30 cm的正常率很高，可疑率較低，錯(cuò)誤率低于1%；40～50 cm土壤層正確率和可疑率之和依然占95%以上，錯(cuò)誤率相當(dāng)?shù)汀Ｋ裕撻撝颠m用，可用來對(duì)該站點(diǎn)自動(dòng)土壤水分資料進(jìn)行質(zhì)量訂正。

3 總結(jié)

對(duì)土壤水分自動(dòng)站資料進(jìn)行質(zhì)量控制，得知土壤0～50 cm土層水分變化較大。由于地下水位較高，50 cm以下土層水分變化較小。0～50 cm土層分層計(jì)算閾值，其余各層均采用50 cm閾值進(jìn)行質(zhì)量訂正。對(duì)該質(zhì)量控制方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)得出的錯(cuò)誤值相當(dāng)?shù)停瑤缀鯙?，正常率很高，故該閾值能滿足土壤水分自動(dòng)站資料的質(zhì)量訂正。

[1] 張志富.自動(dòng)站土壤水分資料質(zhì)量控制方案的研制[J].干旱區(qū)地理,2013(1):101-108.

[2] 黃飛龍,何艷麗,陳武框.FDR土壤水分自動(dòng)站三級(jí)標(biāo)定的方法[J].廣東氣象,2011(6):60-63.

[3] 胡偉,熊凌云,熊雄,等.自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制中的閾值確定[J].氣象水文海洋儀器,2012(3):14-16.

[4] 孫娟,胡平.上海自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制系統(tǒng)研究[J].氣象水文海洋儀器,2009(4):38-41.

[5] 鞠曉慧,任芝花,張強(qiáng).自動(dòng)站小時(shí)氣壓的質(zhì)量控制方法研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(27):15130-15133.

The Threshold Determination for Data Quality Control of Soil Moisture Automatic Stations in Changde Area

ZHANG Xi-ying, LUO Min*， LI De-hua

(Changde Meteorological Bureau, Changde, Hunan 415000)

By analyzing nine soil moisture automatic stations of Changde about the volume of soil moisture, soil humidity, soil moisture by weight, available soil moisture storage capacity of hourly data, the distribution characteristics of each layer soil moisture were obtained. According to the site geography, the distribution of elements, changes in the characteristics of the crop site and fixed site for two different automatic stations, during flood and non-flood periods, to give water thresholds and quality control programs layers of soil suited to local conditions. It was found that soil moisture quality control scheme has good applicability, the various elements of the layers in the flood season and non-flood periods available rate is high, more than 95%.

Soil moisture automatic stations; Quality control; Threshold

張喜英(1981- )，女，湖南常德人，工程師，從事地面氣象測報(bào)業(yè)務(wù)工作。*通訊作者，助理工程師，碩士，從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。

2015-08-14

S 152.7

A

0517-6611(2015)28-109-03