陜西省2016年自動土壤水分數據質量分析

王雯燕，唐文哲，吳東麗，李曉冬，徐軍昶

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081 )

土壤水分是表征地表土壤干濕程度的物理量，是政府部門進行農業生產和作物布局決策的關鍵指標，同時也是生態系統研究、干旱預報的重要指標。路興花[1]、王克勤[2]、黃志剛[3]等分別開展了土壤水分對水稻、蘋果、杜仲生長的影響研究；王春娟等[4]分析了寶雞地區農田土壤水分周年變化特征及冬小麥干旱指標。土壤水分觀測是氣象部門較早開展的業務化運行項目之一。胡偉等[5]利用數理統計方法確定江西各站不同土層土壤水分界定質量的閾值。吳冬麗等[6]用范圍檢查、時變檢查和持續性檢查等方法對全國2012、2013、2014年10 cm層的土壤水分進行質量控制。許偉峰等[7]嘗試通過分析渭南8個土壤水分觀測站的土壤、儀器、環境誤差，以期得到提高數據質量的方法和建議。準確的數據是從事科學研究的基礎，對自然狀態下土壤水分觀測數據實施質量控制，并對異常數據產生原因進行統計分析，為促進數據質量提高和農業氣象服務提供理論指導。

1 資料和方法

陜西土壤水分觀測站全部使用河南省氣象科學研究所與中國電子科技集團公司第27研究所共同研制生產的GStar-Ⅰ(DZN2)型自動土壤水分觀測儀，主要觀測地表至100 cm土層深度每隔10 cm的不同層次土壤含水情況，獲取的數據有：土壤體積含水量(SWC)、土壤相對濕度(SRH)、土壤質量含水率(SMC)、土壤有效水分貯存量(SWA)等。其中，土壤體積含水量是直接測量得到，其余三個數據是利用土壤體積含水量計算反演獲得。測站布設位置根據業務需要分為兩種：一是固定地段，安裝在氣象觀測場，觀測自然狀態下地表土壤含水狀況，全省建設53套；二是作物地段，安裝在農業大田，用于觀測農作物各個生長階段的土壤含水量，全省建設21套。0～30 cm土層是決定地表反照率、輻射、地表植被生長狀況的關鍵層次，以2016年陜西省固定地段10～30 cm土壤體積含水量資料為對象進行質量控制和分析研究，數據來源于中國氣象局統一的數據環境(CIMISS)。

質量控制方法依據土壤濕度變化規律和不同土壤類型飽和含水量的特點，采用數據缺測檢查、范圍(極值)檢查、數據時變檢查、物理常數檢查和僵尸數據檢查等，統計土壤水分數據存在的問題，問題數據的標準見表1。

表1 問題數據統計方法及具體標準

2 結果分析

2.1 數據缺測檢查

以h為單位，每站全年記錄數共8 784 h。對全省53個固定地段土壤水分站缺測情況進行統計發現，各站土壤水分觀測數據缺測率均小于0.5%，各站缺測情況如圖1所示。最大為0.33%，為57037站，全年缺測累計29 h；最小為0.03%，為57055站，缺測3 h。缺測時長中，最多的是1 h，占缺測總時長的64.4%；其次為2 h，占比為26%；其余為3 h及以上時長缺測。

圖1 2016年陜西53個固定地段10～30 cm土壤水分缺測率/%

分析造成數據缺測的原因，主要有四種情況：一是設備供電系統故障，斷電造成數據缺失；二是采集器故障，如采集器的接線端子松動或主機板故障；三是通訊問題，如采集器串口與電腦連線斷開，采集器與傳感器聯系斷開，或者電腦與中心站網絡傳輸故障；四是傳感器故障。其中，通信問題是短時間缺測主要原因，供電系統故障和設備傳感器故障是造成較長時間缺測的主要原因。

2.2 范圍(極值)檢查

陜西土壤類型有砂質土、黏質土、壤土。以10 cm土壤為例，壤土最多，約占80%；砂質土最少，只有三站。不同類型土壤的體積含水量不同，其中砂質土含水量最低；黏質土含水量最高，飽和含水量為51%～55%。以土壤體積含水量≤0或>55%作為質量控制標準，對2016年土壤水分小時觀測數據進行范圍(極值)檢查，共檢出數據為0的異常記錄131 h，詳情見表2，沒有檢出<0或>55%的記錄。

由表2可知，57032站10 cm層、53950站30 cm層數據為0的記錄持續時間最長，均為26 h；其次是57034站30 cm層，有23 h。出現這種情況主要是由該層傳感器發生故障，或連接線松動、脫落造成。也有三層土壤體積含水量數據同時為0的情況，如57128等3站，這是由于傳感器更換后繼續沿用原來的標定參數，沒有及時導入原配置文件或重新標定該參數導致。

2.3 數據時變檢查

自然狀態下土壤含水量具有連續性的變化特征，數據時變檢查就是根據事物發展規律，利用觀測數據動態變化的趨勢和一致性對數據質量進行研判的一種統計學方法。影響土壤含水量變化的主要天氣過程有降雨和干旱，不同量級的降水對土壤含水量影響不同，持續性強降水會造成土壤表層水分數據增大，但變化規律較難把握，因此，時變檢查以觀測較為平穩的突降序列作為量化指標，規定體積含水量小時觀測數據突降20%作為檢測異常記錄的標準。2016年10、20、30 cm土層檢出異常記錄分別為41、22、26 h，小時突降率最大值出現在20 cm層。

表2 2016年陜西固定地段10～30 cm土壤體積含水量為0的臺站和發生時間

突降通常是由于傳感器防護管周圍的土壤發生龜裂或下陷，導致傳感器防護管與土壤之間產生縫隙，縫隙的大小、深度和長度的發展影響著不同土層觀測數據的變化。異常記錄中，單層突降10 cm層檢出率最高，這是由于10 cm層靠近地表，受天氣影響較大，故而檢出時次較多。任意兩相鄰土層同時檢出異常記錄10 h，占比22.5%，多為更換故障傳感器引起。10～30 cm層同時檢出異常9 h，占比30%。其中，53725站7月25日02時，3個土層小時突降率均較大，分別為75%、70%、73%，說明觀測設備和土壤裂隙自表層開始，裂隙向下延伸，影響至更深土層觀測數據。

2.4 物理常數檢查

土壤的物理變化包括土壤結構、容重、水分狀況等物理性質的變化[8]，凋萎濕度和容重是反映土壤性質的重要物理常數，利用這兩個典型常數計算值作為物理檢查的標準，即

物理常數=凋萎濕度×容重/2。

(1)

土壤體積含水量小于物理常數即定義為異常。物理常數檢查結果如表3所示。由表3可以看出，53站中共有17站檢出異常。其中，單層異常的臺站最多，也有臺站出現兩層甚至三層異常。如57030、57143、53735等三站，不但三層全部檢出異常，并且異常記錄較多，53735站異常記錄累計達到11 348 h，57143站為8 630 h。各層中，10 cm層有11站記錄異常，20 cm層有8站，30 cm層有6站，異常站點數隨著土層加深而減少。

2.5 僵尸數據檢查

土壤體積含水量監測值連續5 d沒有發生變化稱之為僵尸數據，2016年數據質量控制沒有發現此類問題。

表3 2016年陜西固定地段物理常數檢查異常臺站0～30 cm異常記錄累計時間 h

3 結論與討論

(1)2016年土壤水分觀測數據全年缺測率均小于0.5%，最大為0.33%，最小為0.04%；1 h缺測時長最多，占比為64.4%。通信問題是短時缺測主要原因，供電系統或設備傳感器故障是造成較長時間缺測的主要原因。

(2)范圍(極值)檢查檢出土壤體積含水量為0的異常記錄131 h，主要由傳感器故障，或連接線松動、脫落造成。沒有檢出土壤體積含水量小于0或大于55%的記錄。

(3)數據時變檢查10、20、30 cm土層，分別檢出異常記錄41、22、26 h，其中，10 cm土層檢出率最高；突變主要是由于傳感器防護管周圍土壤發生龜裂或下陷。

(4)物理常數檢查有17站出現一層或多層數據異常； 53735等站三個土層全部異常，且異常記錄較多；異常站點隨土層加深而減少。僵尸數據檢查未發現異常。

(5)所用質控方法中，數據缺測、范圍極值、數據時變和僵尸檢查等操作較為簡單，臺站實時監控易于實施，異常記錄容易得到及時處理；物理常數檢查很少使用，但非常重要。近年來，由于人類生產活動的影響，有些地方的土壤結構和生態功能發生了變化，物理常數異常的臺站需要進一步加強土壤水分監測，同時結合其他數據深入分析研究，為地方作物布局和農業生產提供科學依據。