淺層地溫傳感器檢定更換方法的改進研究

毛佩柱 毛智政 沈鹿鳴 吳杰

摘 要：地溫觀測是氣象觀測項目之一，地溫觀測中的20cm以上土壤層的地溫稱為淺層地溫。因工作中傳感器檢定的需要，更換地溫傳感器而開挖土層，破壞原有的土壤溫度狀態，通過觀測發現影響最為顯著的是15cm和20cm地溫，更換傳感器后溫度差異達到約1.8℃，土壤溫度平衡時間較長，對淺層地溫的觀測數據產生較長時間的數據缺測。針對工作中的實際問題，通過實驗改進了淺層地溫支架和傳感器更換方法，采用后置鎖扣，使檢定更換后的土壤保持接近自然狀態下的土壤溫度環境，更換后溫度差異約0.5℃，為可用數據范圍，土壤溫度平衡時間縮短到15分鐘，確保了觀測數據的完整性。通過研究淺層地溫檢定更換中的方法改進，大大縮短了淺層地溫傳感器在檢定更換和日常設備更換中的時間，使工作效率大大提高，對氣象探測數據的連續性準確性的提高具有積極意義。

關鍵詞：淺層地溫;土壤導熱率;地溫傳感器;檢定更換

1 地溫觀測和檢定更換的方法

地溫是指地表面和以下不同深度處土壤溫度的統稱，地溫觀測是氣象觀測項目之一，國家級氣象站一般觀測地面以及地面以下5cm，10cm，15cm，20cm，40cm，80cm，160cm和320cm深度的地溫。地溫觀測不僅進行氣候統計，同時對農業、林業、礦產開采、地熱資源、鐵路以及城市規劃具有重大意義。地溫觀測中的20cm以上土壤層的地溫為淺層地溫。

河北省在2002年國家氣象站實現了自動觀測，地溫觀測表為鉑電阻傳感器進行連續的觀測。為保證觀測數據的精確性，地溫傳感器的檢定周期為2年，目前普遍采用的方法是用新檢定的地溫傳感器，替換原將要到檢的傳感器。地溫傳感器的檢定更換過程中，將不可避免破壞傳感器安裝地段的土壤，特別是淺層地溫的土壤。目前更換淺層地溫傳感器普遍采用的方法為開挖土壤，替換安裝檢定的溫度傳感器，然后將土回填。

2 土壤的熱傳導特性

土壤層的破壞，將對地溫觀測產生嚴重影響。特別是淺層地溫層土壤開挖回填后造成的不同層土壤的混合，破壞了自然的條件下的土壤溫度環境，造成地溫觀測的影響。回填后土壤間的熱傳導到重新穩定到溫度平衡，需要消耗大量的時間。

土壤溫度平衡的重新達成，與土壤的熱傳導率相關。基于土壤的復雜性，土壤的熱傳導主要包括通過土壤空隙中空氣或水分傳導和土壤固相物質之間接觸點直接傳導。土壤導熱率用來表示傳導土壤熱量的強度，用γ表示，其單位是J/（cm2s ℃），土壤導熱率的公式如下：

γ=QAT（T1-T2）d

式中A為土壤斷面面積，土壤兩端的溫度為T1、T2，土壤的厚度為d，在一定時間（T）內流動的熱量為Q，熱量的傳導是由高溫處到低溫處。

3 地溫傳感器檢定更換中對地溫觀測的影響和方法改進

在日常工作中，由于更換地溫傳感器，而對土壤進行挖掘和回填，因此，回填后的土層中，土壤的性狀發生較大改變，并混合進大量的空氣，使土壤的熱傳導速度大為降低。由于回填土造成不同深度的土壤發生混合，土層回填后，地溫傳感器附近的土的溫度，與自然狀態下的各個層的土壤溫度差異巨大，因此受回填土溫度的影響，造成地溫傳感器更換后土壤穩定期內，傳感器探測的地溫與實際地溫差異較大，而無法使用，造成該時段內地溫的缺測。

為研究傳感器更換前后的數據變化，開展了地溫數據平行觀測實驗，在實驗中在待更換的傳感器旁布設一組相同規格的實驗用備份傳感器，二者平行觀測地溫數據，進行數據比對。更換地溫傳感器時僅開挖待檢傳感器，而實驗用備份傳感器保持原狀態。通過長期數據對比，在更換前，二者的溫差約為0.3℃。

3.1 傳統的淺層地溫傳感器檢定更換方法對地溫觀測數據的影響

在日常工作中，發現淺層地溫的更換，對地溫觀測影響巨大，5cm和10cm溫度傳感器，雖然更換后其土壤層也遭到破壞，但與地表的熱交換相對較快，一般在更換后2到3個小時，可完成土壤的溫度平衡，而是15cm和20cm，因距地表相對較遠，周邊環境土壤的溫度相對偏低，造成土壤間的熱平衡時間較長，實際工作中，發現更換地溫傳感后對15cm和20cm的影響尤為顯著。通過大量的淺層地溫傳感器更換前后與實驗備用溫度傳感器的溫度的對比，發現采用傳統開挖土層的方法更換地溫傳感器后，探測的15cm和20cm溫度與實驗用備份的傳感器溫度發生顯著跳變。見圖1。圖1中，更換傳感器的時間為10時前，更換前，傳感器與實驗用備份傳感器的溫差約0.3℃，更換后的10時，15cm和20cm溫度與實驗用備份傳感器溫差分別為1.8℃和1.6℃。由于土層溫度平衡的重新構建，較大的溫差持續時間很長，到8個小時后的17時，溫差仍然高達0.6℃和0.7℃，探測到的數據因為溫度差異過大而不能正常使用，而進行缺測處理。一般情況下，約10個小時以上，15cm和20cm溫度才基本接近正常范圍。長時間的數據缺測，對氣象數據的完整性造成巨大影響。

3.2 淺層地溫支架和更換方法的改進研究

為確保探測數據的完整，秦皇島市氣象探測技術人員，通過大量的實驗，改進了更換方法，改進制作新型后置鎖扣淺層地溫表支架，見圖2。圖中A為原傳統淺層氣溫支架，B為改進后的地溫支架，1為溫度傳感器，2為溫度傳感器鎖扣。改進后的支架，將支架立板的傳感器鎖扣，改變到立板后側。采用后置鎖扣支架的地溫，在更換傳感器時，僅僅開挖支架后部土壤，將傳感器從后側拉出，再插入新檢測的傳感器。新型支架的優點是，不破壞傳感器感應部分的土壤狀態，使地溫傳感器探頭附近的土壤，土壤層和溫度環境沒有變化，后側開挖的土壤較少，且距離傳感器探頭距離較遠，對傳感器影響大為降低。

3.3 采用改進方法對觀測數據可用性的改善

通過實際的測試，發現采用新型地溫支架更換淺層地溫傳感器，更換后，15cm和20cm溫度與實驗備用傳感器溫差變化幅度很小，約0.5℃，為可用數據范圍，見圖3。更換傳感器的時間為10時前，從分鐘數據分析，約15分鐘，新的傳感器的溫度即可達到正常的溫度探測范圍。改進后的淺層地溫支架大大縮短了傳感器更換后的淺層地溫的溫度平衡時間，使新檢測的傳感器，在更換后不久，就可以進行正常的地溫探測，確保了觀測數據的完整性。

淺層地溫傳感器更換方法改進實驗嚴格按照《地面氣象觀測規范》中規定標準要求開展，改進的更換方法可直接在日常氣象觀測中開展。改進的方法大大縮短了淺層地溫傳感器在檢定更換和日常設備更換中的時間，使工作效率大大提高，對氣象探測數據的連續性準確性的提高具有積極意義。

4 結語

通過在實際氣象觀測工作中淺層地溫傳感器檢定方法的研究，發現在氣象探測設備傳感器檢定更換對中淺層地溫探測數據的影響嚴重問題，并通過實驗，改進了傳統的不合理地設備部件和進行更換方法的改進，通過大量的實驗數據分析，改進后的更換方法，可基本維持原有淺層地溫傳感器附近土壤狀態，使傳感器更換后，溫度差異較傳統方法大大降低，探測數據在可用范圍內，更換后傳感器的與土壤的溫度平衡時間由傳統方法的近10小時縮短到15分鐘，大大提高了淺層地溫傳感器檢定更換后的數據可用率。

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作者簡介：毛佩柱（1967—），男，漢族，河北秦皇島人，本科，高級工程師，研究方向：氣象綜合探測。