AG 2.0型超聲波蒸發數據質量控制分析

高嵩+孟凡一+萬楠楠+張丹丹+張明哲

摘要 為了推進蒸發自動化觀測進程，掌握AG 2.0型超聲波蒸發傳感器的觀測性能，按照有、無降水及降水過程強度，依照阜新縣氣象觀測站2013年夏、秋季的觀測數據的統計結果，對AG 2.0型超聲波蒸發傳感器的觀測數據與理論蒸發量（彭曼-蒙蒂斯公式）軟件的計算結果進行比較分析。結果表明：在無降水日和小雨日，兩者數據的差值大部分在理論范圍之內；在中雨和大雨時，兩者數據的絕對差值較大，有待于進一步試驗與研究。

關鍵詞 AG 2.0型超聲波蒸發傳感器；理論蒸發量；數據比較；質量控制

中圖分類號 P414 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）06-0204-02

蒸發是水平衡的重要組成部分，是水循環中最直接受土地利用和氣候變化影響的一項，對氣候變化起到調節作用。蒸發量是地面氣象觀測中的重要項目之一。AG 2.0型超聲波蒸發傳感器可以實現自動化觀測，有利于提高蒸發觀測的準確性、連續性、穩定性，為氣象防災減災、為農服務和科學研究等提供重要基礎資料。因此，開發理論蒸發量軟件，通過理論蒸發量計算與蒸發傳感器的觀測數據對比分析，對于AG 2.0型超聲波蒸發傳感器的蒸發觀測數據質量監控具有必要性和直接的現實意義，可減少因某些原因所造成的觀測數據可用率低和儀器故障發現時間晚等現象。本文運用理論蒸發量（彭曼-蒙蒂斯公式[1]）軟件對2013年6—9月阜新縣觀測站蒸發理論數據和業務用AG 2.0型超聲波蒸發傳感器的觀測數據進行比對分析。

1 軟件計算公式和蒸發傳感器原理

1.1 軟件計算公式

理論蒸發量軟件是根據彭曼公式的改進型公式[2-3]編寫的，公式原型為：

E0=？駐/（？駐+γ）[Ra（1-r）（0.29cos？椎+0.52n/N）]-？駐/（？駐+γ）[δTa4（0.10+0.90n/N）（0.56-0.08ed1/2）]+γ/（？駐+γ）[0.26（1+h/20 000）（1+u/100）（ea-ed）]

對軟件計算數據和自動站數據對比的結果給出3種提示：理論范圍之內（差值≤1.0）、理論范圍有偏差（1.0<差值≤1.5）和理論范圍偏差較大（差值>1.5）。

1.2 蒸發傳感器原理

AG 2.0型超聲波蒸發傳感器是由大型蒸發器加裝超聲波傳感器組成。根據超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對大型蒸發器內水面高度變化進行檢測，轉換成電信號輸出，并配置溫度校準部分，以保證測量精度[4]。

2 蒸發觀測數據分析

理論蒸發量由軟件自動讀取自動站B文件計算求得，自動站蒸發量數據系AG 2.0超聲波蒸發傳感器觀測數據。根據有無降水和降水過程強度進行數據比對分析，其中有無降水情況分為有日照和全天無日照2種情況；降水強度分為小雨（0.1～9.9 mm）、中大雨（10.0 mm及以上）2種情況。

2.1 無降水有日照情況

在82 d無降水有日照的天氣情況中，有54 d誤差值在理論范圍內，有20 d誤差值和理論范圍有偏差，有8 d誤差值和理論范圍偏差較大。選取27次誤差≤0.5 mm的數據進行比較（表1）。對28 d誤差超過理論范圍內的氣象資料數據分析可以發現蒸發傳感器數據受風速、氣溫、日照等影響，有個別小時蒸發數據為疑誤。考慮到相關因素影響，可認為理論蒸發軟件對蒸發數據的質量監控有重要的參考價值，發現AG 2.0超聲波蒸發傳感器在個別時次采集的數據存在疑誤現象。

2.2 無降水無日照情況

在7 d無降水無日照中，理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器所得數據比較見表2。從表中可以看出，7 d無降水無日照的蒸發絕對誤差都在理論范圍內，但是通過對差值較大的6月5日、7月7日和9月17日3 d氣溫、風速和相對濕度的等因素對蒸發傳感器小時數據較大，由于理論蒸發軟件所用數據多為平均值，故兩者偏差大屬于合理現象。

2.3 小雨天情況

在22 d小雨天氣情況中，理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器數據比較見表3。可以看出，其中有73%的絕對誤差保持在理論蒸發范圍內，另有6次蒸發差值偏大。分析數據表明，此6 d中，有短時降水大、降水時段風速較大、降水時段蒸發傳感器可能有部分數據疑誤等原因，對數據對比都有一定影響。

2.4 中大雨天情況

在6 d中大雨天氣情況中，理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器數據比較見表4。可以看出，有3 d絕對誤差在理論蒸發范圍內，另有2 d理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器的數據絕對誤差較高。

3 測量誤差分析

在本文對比的所有蒸發數據中，按照無降水和有降水進行分類分析，則在117 d對比分析日中，有89 d無雨，有28 d有雨。在89 d無雨日中，有61 d兩者的絕對誤差在蒸發軟件的理論范圍內；有20 d兩者絕對誤差與理論范圍有偏差，其中有8 d兩者絕對誤差與理論范圍偏差較大（表5）。在28 d有雨日中，有19 d兩者的絕對誤差在蒸發軟件的理論范圍內；有5 d兩者絕對誤差與理論范圍有偏差，其中有4 d兩者絕對誤差與理論范圍偏差較大。

對89 d無雨日中不在理論范圍內的28 d數據進行研究分析，可初步判定為理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器對比數據受日照、風速、溫度和相對濕度等因素影響較大。理論蒸發軟件計算的日蒸發量一般根據1 d的平均數值、日極值和日合計值計算求得，蒸發傳感器所測得日蒸發量是由各小時蒸發量累計而得；不同的運算機制也對數據的對比起到一定的影響；蒸發傳感器采集的部分小時蒸發數據為疑誤數據，也一定程度影響數據的對比。

對28 d有雨日中不在理論范圍內的9 d數據進行研究分析，可初步判定為理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器對比數據的絕對誤差受降水、風速、日照、相對濕度、氣度及地溫等影響，尤其短時強降水和風速很大的情況可以造成水面波動、濺水等現象[5]，從而影響蒸發傳感器采集數據的準確度。蒸發傳感器采集的部分小時蒸發數據為疑誤數據，也在一定程度上影響對比數據的差異。

由上述分析可知，理論蒸發軟件與蒸發傳感器數據的絕對誤差大部分都在理論范圍內，能滿足日常工作中蒸發數據質量的監控和檢查。絕對誤差偏大的情況有以下幾方面：一是降水、風速、日照、溫度及相對濕度等氣象要素影響，這種影響占主要部分；二是蒸發傳感器采集的部分小時蒸發數據為疑誤數據，影響了對比結果；三是選取不同公式、不同算法、不同統計模式都可能影響對比數據，但這種影響較小[6]。

4 結論

本文通過對理論蒸發量計算和蒸發傳感器的觀測數據進行對比分析，發現在無降水日和小雨日理論蒸發軟件與AG 2.0超聲波蒸發傳感器的數據差值大部分在理論范圍之內；在中雨和大雨時，兩者數據的絕對差值較大。同時，AG 2.0超聲波蒸發傳感器在短時強降水、大風等天氣時數據偏大，并且個別時次存在數據疑誤現象。考慮到計算模式和統計模式的不同，初步推斷兩者的絕對誤差與各個氣象因子對蒸發量影響的比重有關，或由于蒸發傳感器采集的部分小時蒸發數據為疑誤數據所致，具體原因有待進一步分析。

5 參考文獻

[1] 閌騫.彭曼公式應用中的兩個問題的探討[J].氣象，1992（11）：17-21.

[2] 閌騫.利用彭曼公式預測水面蒸發量[J].水利水電科技進展，2001，21（1）：37-39.

[3] 于正東，史學正.我國土壤水分狀況的估算[J].自然資源學報，1998，13（3）：229-233.

[4] 中國氣象局政策法規司.氣象行業標準匯編[M].1版，北京：氣象出版社，2007：139-143.

[5] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2011：64-67.

[6] 中國氣象局.氣象儀器和觀測方法指南[M].北京：氣象出版社，2011.