鳳陽一次強降雨過程自動土壤水分觀測數據分析

袁學所 葛慶云 周禮清 王剛

摘 要：該文選取安徽鳳陽2015年主汛期一次強降雨天氣過程，分析其對應時段自動土壤水分觀測數據的變化特征；運用土壤水分觀測計算的基本原理，分析觀測結果存在的主要問題，提出一種改進觀測數據可用性的訂正方法。實例計算結果表明，此訂正方法能有效減小原始觀測值的系統偏差，使觀測結果更為合理、可信。

關鍵詞：強降雨；自動土壤水分觀測；數據分析；偏差訂正

中圖分類號 S154 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）11-0156-04

Analysis of Automatic Soil Moisture Observation Data during a Heavy Rain in Fengyang

Yuan Xuesuo et al.

（Fengyang County Bureau of Meteorology，Fengyang 233100，China）

Abstract：This article selects a heavy rain weather process in Fengyang of Anhui Province in 2015，and analyzes its corresponding time automatically change characteristics of soil moisture observation data.Using the basic principle of calculating soil moisture observation，the paper analyzes the main problems of observation results，and puts forward an improved correction method of observation data availability.Correction calculation results show that the algorithm can effectively reduce the original observation system deviation，thus make the observation results more reasonable and credible.

Key words：Heavy rainfall；Automatic soil moisture observation；Data analysis；Deviation correction

近年來，為做好防汛抗旱氣象服務工作，氣象部門積極推進土壤水分監測自動化工程建設，在山東、河南、河北、安徽多地建立了土壤水分自動監測系統[1-4]。2009年，安徽省在糧食主產區和易旱區建立了30個自動土壤水分站，2010年啟動第二期自動土壤水分站建設，新增52套自動土壤水分站，全省形成29套作物地段、53套固定地段合計82套自動土壤水分站。自動土壤水分觀測具有快速、方便、不擾動土壤的特點，能獲得土壤水分變化的連續曲線，但必須在對比數據越多的情況下修正誤差，才能更好地反映實際土壤水分變化情況[5]。李孝軍等從理論上分析自動土壤水分觀測與人工取土土壤水分觀測存在誤差的原因及修正辦法[6]，王建榮等提出自動觀測土壤體積含水量實時資料自動質量控制方法[7]，王良宇等對自動土壤水分觀測資料的應用誤差作了分析[8]，黃文杰等探討了人工與自動土壤水分觀測資料差異[9]，徐遠遠提出基于最小二乘二次曲線的土壤水分數據質量控制系統設計[10]。此類研究從不同的側面反映了自動土壤水分觀測站的作用及其在準確性、代表性等方面存在的偏差。本文通過特定條件下自動土壤水分監測數據的分析，對監測結果的合理性、可用性進行評估，并從土壤水分觀測計算的基本原理出發，探討一種簡便、有效的數據訂正方法。

1 資料選取

研究時段為2015年6月21日至7月5日。降水資料取自鳳陽國家氣象觀測站，由雨量傳感器自動采集；土壤水分資料取自鳳陽自動土壤水分觀測站，由GStar-I（c）土壤水分監測儀采集，該儀器于2009年底布設，安裝在作物觀測地段，地段種植作物為“冬小麥—大豆”一年兩熟，研究時段為大豆幼苗期。

2 數據分析

2.1 觀測值變化特征

2.1.1 土壤體積含水率變化 從表1可以看出：6月23日至7月1日累計雨量287.6mm，由于雨水下滲，10cm土壤體積含水率由37.0%（6月23日）上升至46.4%（7月3日），增幅9.4%；20cm由47.4%（6月23日）上升至56.9%（6月30日），增幅9.5%；30cm由23.0%（6月22—25日）上升至29.9%（6月27日），增幅6.9%；40cm由27.9%（6月23—24日）上升至31.7%（6月30日），增幅3.8%；50cm由29.5%（6月22—24日）上升至33.3%（6月27日至7月3日），增幅3.8%；60cm由28.7%（6月21日）上升至36.4%（6月27日至7月5日），增幅7.7%；80cm由34.5%（6月21—22日）上升至36.3%（6月28日至7月5日），增幅1.8%；100cm由36.8%（6月21-28日）上升至37.3%（6月29日至7月5日），增幅0.5%。總體來說，各層體積含水率觀測值都對降水產生了響應，其中80cm以上體積含水率增加幅度3.8%～9.5%；80～100cm增加幅度較小，為0.5%～1.8%。

2.1.2 土壤重量含水率變化 從表2可以看出：10cm土壤重量含水率由29.1%（6月23日）上升至36.5%（7月3日），增幅7.4%；20cm由30.2%（6月23日）上升至36.2%（6月30日），增幅6.0%；30cm由15.1%（6月22—25日）上升至19.6%（6月27日），增幅4.5%；40cm由18.5%（6月23—24日）上升至21.0%（6月30日），增幅2.5%；50cm由19.6%（6月22—24日）上升至22.2%（6月27日至7月3日），增幅2.6%；60cm由18.4%（6月21日）上升至23.3%（6月27日至7月5日），增幅4.9%；80cm由21.7%（6月21—22日）上升至22.8%（6月28日至7月5日），增幅1.1%；100cm由24.7%（6月21—28日）上升至25.0%（6月29日至7月5日），增幅0.3%。總體來說，各層重量含水率觀測值都對降水產生了響應，其中80cm以上重量含水率增加幅度2.5%～7.4%；80～100cm增加幅度較小，為0.3%～1.1%。

2.2 觀測值存在的問題 分析表1、表2數據可看出，無論是降雨前還是降雨后，土壤水分測值的垂直分布都不合理。30cm、40cm、50cm測值明顯偏小，尤其是30cm偏小最顯著；10cm、20cm測值則明顯偏大。因為存在這樣的偏差，導致由觀測值計算出來的土壤相對濕度（表3）失真。造成自動土壤水分觀測值失真的原因是多方面的，包括傳感器附近土壤孔隙度變化、土壤水分常數誤差、儀器參數標定不符合當前土壤環境等等。王良宇等根據從國家氣象信息中心實時資料數據庫讀取的自動土壤水分監測資料，對比同日人工測定的土壤相對濕度數據，發現白天各時次自動監測數據與人工監測數據之間均存在15%左右的差異。具體針對監測儀器自身的結構特點以及中國氣象局的業務要求，從兩種監測方法自身的監測地段代表性、數據測量和換算、監測土層深度、監測時間、土壤水分常數測算、土壤結構變化等多種角度分析數據間存在差異的原因，認為多種可以估算的差異“疊加”在一起時，對比差異最大可能達到20%左右[8]。

式中，[i=]1，2，……，10，表示10個土層，[hi]為土層的厚度（cm），[ρi]為土壤容重（g/cm3），[W0i]為田間持水量（%），[Wki]為凋萎濕度（%）。將所在地段實測土壤水分常數代入（10）式，算得[U]=227.6mm。實際上，降雨過程發生前各層土壤水分并不都達到凋萎濕度那樣的干旱程度，因此能夠使規定土層達到飽和的實際需水量應明顯小于227.6mm，而本次過程實際降雨量已達287.6mm，故能使土壤水分充分飽和，多余的水分則通過徑流、蒸發、重力水等形式排出。

對于本文研究對象，可分別利用（6）、（8）、（9）式計算出訂正后的土壤相對濕度、重量含水率、體積含水率。其中，[W0]、[ρ]分別取地段實測田間持水量、土壤容重，[W*0]取過程最大[W*]，因上文已證明本過程降雨量287.6mm能使100cm以上土層達到飽和（即土壤濕度達到田間持水量標準）。

表4列出土壤水分計算、訂正所需參數的取值情況。通過訂正系數[k]的取值可知，10cm、20cm、100cm原始觀測值偏大，20cm最明顯；其余深度原始觀測值不同程度偏小，30cm最明顯。圖1和圖2分別繪出20cm、30cm土壤重量含水率與相對濕度訂正前后的變化。容易看出，訂正后20cm、30cm重量含水率變化曲線拉近，土壤相對濕度也在合理的范圍內變化，不再出現持續偏低和持續過飽和的現象，能比較客觀地反映大降雨過后土壤水分的變化。

3 結論與討論

（1）自動土壤水分觀測具有快速、方便、不擾動土壤的特點，能獲得土壤水分變化的連續曲線，但由于多種原因往往造成數據失真，影響觀測資料的可用性。

（2）鳳陽2015年6月下旬強降雨過后，自動土壤水分觀測數據總體上能響應降雨的增墑效應，但存在各層次不平衡、不協調（垂直分布異常），與土壤水分常數相矛盾等不合理現象。主要表現在：30cm、40cm、50cm測值明顯偏小，尤其是30cm偏小最顯著，土壤相對濕度達不到飽和標準；10cm、20cm測值則明顯偏大，土壤相對濕度持續處于過飽和范圍。

（3）基于土壤水分觀測計算基本原理導出訂正公式，重新計算的土壤重量含水率、體積含水率、土壤相對濕度等數據比原始觀測值更為合理、可信。

（4）本文提出的訂正方法需借助一次較大的降雨過程，其降雨量應能使所研究層次的土壤含水量達到飽和。實例的過程降雨量287.6mm，根據理論和經驗估算符合此要求。

（5）訂正公式是特定自動土壤水分觀測站綜合性能的反映，可嘗試對該站研究時段以外的觀測值進行訂正，以提高觀測結果的可用性。

參考文獻

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（責編：張宏民）