凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

褚春燕,孫桂玉,蘭朝生,鄭冠龍

(1.佳木斯市氣象局，黑龍江 佳木斯 154004；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150000；3.北大荒通用航空有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)[1]。凍土觀測是中國氣象局統(tǒng)一布局的觀測項目，觀測內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度，觀測方式主要使用TB1-1型凍土器進(jìn)行人工器測，方式較為原始，勞動強(qiáng)度大，存在人為誤差且測量數(shù)據(jù)密度不夠、不能實時監(jiān)測的問題。隨著凍土觀測數(shù)據(jù)在氣候監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑規(guī)劃與設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域需求的日益增多，傳統(tǒng)觀測儀器和方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前預(yù)報和服務(wù)需求，亟待研制具有精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等特點的凍土自動觀測儀。

目前，我國已經(jīng)開展對自動觀測凍土的研究。陳海波[2]等利用頻域反射測量原理，通過測量土壤介電常數(shù)變化實現(xiàn)凍土測量。其測量數(shù)據(jù)與人工觀測趨勢一致,相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99以上,平均測量誤差小于3 cm。邴慧[3]等利用超聲波設(shè)計了一種適用于多種類型的凍土超聲波換能器支架和恒溫箱的測試系統(tǒng)，可以對不同負(fù)溫下凍土樣品進(jìn)行測試。隨著電容傳感技術(shù)的發(fā)展，電容傳感器應(yīng)用于原油高合水測試[4]、手勢識別[5]等方面。 2012年，河南省氣象科學(xué)研究所聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)公司第 27 研究所設(shè)計了平面電容凍土傳感器，開發(fā)凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)，在佳木斯站安裝并試驗。

本文通過對2016～2019年三年凍土期的人工和自動觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，客觀地評估凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)的性能及業(yè)務(wù)適用性，為全國氣象觀測站網(wǎng)實現(xiàn)凍土自動化觀測提供第一手評估資料。

1 凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)

凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸于一體的智能自動觀測設(shè)備，由平面電容凍土傳感器、采集器、服務(wù)器、凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)處理軟件組成。傳感器將采集的頻率信號及溫度信號傳送至采集器。采集器通過有線或無線的方式，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，通過凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)處理軟件顯示和查看數(shù)據(jù)，實現(xiàn)凍土深度及干土層深度自動觀測[6]。

1.1 平面電容式凍土傳感器構(gòu)造和原理

基于電容式土壤水分測量技術(shù)和半導(dǎo)體測溫技術(shù)實現(xiàn)凍土及干土層深度測量，其原理如下。將電容的兩極板設(shè)計在同一平面上，電容與固定電感組成一個振蕩電路；振蕩器工作頻率隨土壤電容的變化而變化，通過檢測振蕩頻率的變化，判斷土壤的凍結(jié)狀態(tài)，利用垂直分層檢測的思路，計算凍土層的深度，實現(xiàn)凍土深度的自動監(jiān)測[7]。在檢測過程中，把土壤的垂直剖面從上到下，依次按照凍土層和未凍土層進(jìn)行分層檢測。各層內(nèi)都設(shè)置一個平面電容傳感器。由于各層內(nèi)介電特性不同，各層感應(yīng)電容保持在不同的范圍，表現(xiàn)在各層的振蕩頻率不同[8-10]。測量凍土深度時，檢測振蕩頻率發(fā)生跳變的電容傳感器，可以確定土壤的凍融界面，計算出凍土深度。平面電容凍土傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平面電容凍土傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of basic structure of planar capacitive permafrost sensor

1.2 凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)處理軟件

凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)處理軟件用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、監(jiān)控，可實時查看測試各臺站的凍土深度、干土層厚度、不同深度土濕和地溫及區(qū)間要素變化曲線。

2 人工與自動凍土深度數(shù)據(jù)測定方法

凍土傳感器安裝在佳木斯國家基準(zhǔn)氣候站地面氣象觀測場中人工凍土器西直線距離20 m外試驗觀測場內(nèi)，土壤性質(zhì)、草皮覆蓋、周圍環(huán)境與地面氣象觀測場內(nèi)相同。人工觀測TB1-1型凍土器由外管與內(nèi)管組成。外管為標(biāo)有0 cm刻度線的硬橡膠管。內(nèi)管為一根有厘米刻度的橡皮管，底端封閉，頂端與短金屬管、木棒及鐵蓋相連。人工觀測凍土深度方法依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定：在凍土期開始前將內(nèi)管灌滿干凈水；當(dāng)?shù)孛鏈囟冉档? ℃或以下，土壤開始凍結(jié)時，每日早8時將凍土器內(nèi)管提到地面之上，用手摸測內(nèi)管冰柱所在位置，根據(jù)冰柱上下兩端的相應(yīng)刻度數(shù)，判斷凍土層次和深度。觀測至次年土壤完全解凍為止。人工觀測凍土深度數(shù)據(jù)，以cm為單位，四舍五入，取整數(shù)記錄。凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)從土壤凍結(jié)至全部融化期間，每天24 h連續(xù)采集每小時凍土深度數(shù)據(jù)，整數(shù)顯示，保存在凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)處理軟件中；同時，將數(shù)據(jù)上傳河南省氣象科學(xué)研究所與中國電子科技集團(tuán)公司第 27 研究所建立的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。本試驗以凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)早8時自動采集的數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)為試驗材料,利用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并分析。

3 應(yīng)用分析

3.1 佳木斯國家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測數(shù)據(jù)

佳木斯站三年凍土對比觀測期，觀測數(shù)據(jù)時間序列分別為2016年10月至2017年5月、2017年10月至2018年5月、2018年11月至2019年5月。佳木斯國家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，佳木斯站冬季凍土期時間長，凍土深度厚。三年凍土期最大凍土深度人工觀測數(shù)據(jù)為157 cm，自動觀測數(shù)據(jù)為159 cm。2016～2017年凍土期因為無線卡欠費造成2017年4月21日后自動采集的數(shù)據(jù)丟失。2017～2018、2018～2019年凍土期實際觀測次數(shù)少于對比觀測次數(shù)。這是由于人工和自動觀測凍土融化不同步，人工提前結(jié)束凍土觀測造成的。

表1 佳木斯國家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測數(shù)據(jù) Tab.1 Observation data of frozen soil of Jiamusi National Reference Climate Station

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 凍土深度第一層上限數(shù)據(jù)分析

2016～2019的10月至次年3月為土壤開始凍結(jié)和凍結(jié)深度增加期。凍土深度第一層上限人工與自動觀測值在2018年12月3日出現(xiàn)一次為5 cm，其余均為0 cm，且人工與自動值差值為0，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計中不作分析。對凍土深度第一層上限值分析的時間為從3月份凍土第一層上限開始融化至5月份凍土全部融化結(jié)束。2017年凍土融化期，自動采集數(shù)據(jù)4月21日后缺失，人工與自動對比比較到4月21日。凍土融化期第一層上限人工與自動觀測差異如圖2所示。

圖2 凍土融化期第一層上限人工與自動觀測差異圖 Fig.2 Difference diagram between manual and automatic observation of the upper limit of the first layer in thawing permafrost

從圖2可以看出：2017～2019年凍土融化期凍土深度第一層上限值人工與自動觀測值差值范圍為-3～+6 cm， 差值為0和負(fù)值居多；2017和2018年變化規(guī)律接近；2019年規(guī)律性不明顯，但人工低于自動值觀測次數(shù)較多， 說明人工觀測凍土深度第一層上限融化速度低于自動。2018年凍土融化后期人工觀測凍土深度第一層上限明顯融化速度加快，與自動差值增大，存在一定的誤差。

3.2.2 凍土深度第一層下限數(shù)據(jù)分析

凍土期凍土深度第一層下限值人工與自動對比曲線如圖3所示。

圖3 凍土期凍土深度第一層下限值人工與自動對比曲線圖 Fig.3 Manual and automatic comparison curves of the lower limit value of the first layer of frozen soil depth during the permafrost period

由圖3可知，2016～2019三年凍土期，凍土深度第一層下限人工與自動觀測數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同，均在3月凍土深度達(dá)最大值。在土壤凍結(jié)開始至凍土深度達(dá)最大值期間，自動觀測數(shù)據(jù)大多低于人工觀測數(shù)據(jù)，凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)測量土壤凍結(jié)速度偏慢，最大值出現(xiàn)日期較人工滯后1～2 d。3月凍土開始融化后，自動觀測凍土深度第一層下限值融化速度較人工慢，2018年凍土全部融化比人工晚1 d，2019年則晚4 d，但數(shù)據(jù)變化非常規(guī)律、平穩(wěn)；人工則變化大，誤差原因有可能TB1-1型凍土器在人工觀測時內(nèi)管提取、摸測過程中造成其軟管中冰柱下滑、斷折，或即將全部融化時0 ℃冰水混合結(jié)冰不夠堅實造成凍土器內(nèi)冰柱的消融。凍土深度第一層下限值人工與自動差值占比如表2所示。

表2 凍土深度第一層下限值人工與自動差值占比 Tab.2 Proportion of the difference between manual and automatic value of the lower limit value of the first layer of frozen soil depth

從表2可知，2016～2019三年凍土期，凍土深度第一層下限值人工與自動差值范圍為-4～+2 cm，差值在-1～+1 cm比例占60%以上，差值在-2～+2 cm比例占97%以上。在土壤開始凍結(jié)和凍結(jié)期，人工與自動差值維持在-2～+2，在凍土解凍融化后期，人工與自動差值增大，誤差值變大。其主要原因是人工觀測凍土融化速率加大。

3.2.3 凍土深度第二層上、下限數(shù)據(jù)分析

2016～2019年，凍土期觀測到的凍土深度第二層上、下限數(shù)據(jù)共4次人工與與自動數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 凍土深度第二層上、下限人工與自動數(shù)據(jù)對比 Tab.3 Comparison of manual and automatic data on the upper and lower limits of the second layer of frozen soil depth

人工觀測數(shù)據(jù)和自動采集的數(shù)據(jù)只有2017年4月13日的上限值差1 cm，其余完全一致。從表3可知，人工和自動觀測的凍土第二層數(shù)據(jù)一致性較好，尤其是第二層凍土深度下限值，人工與自動數(shù)據(jù)完全一致。

4 結(jié)論

基于中國氣象局凍土觀測自動化業(yè)務(wù)發(fā)展、實施，河南省氣象科學(xué)研究所與中國電子科技集團(tuán)公司第 27 研究所設(shè)計了平面電容凍土傳感器，開發(fā)了凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)，在佳木斯國家基準(zhǔn)氣候站進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明：凍土深度第一層上限值在土壤凍結(jié)期，人工與自動值一致，差值為0；在凍土融化期，人工與自動值差值范圍為-3～+6 cm，人工融化速度略低于自動。凍土深度第一層下限值在凍土凍結(jié)期，人工值大多高于自動值，自動最大值出現(xiàn)日期較人工滯后1～2 d；凍土開始融化后，自動觀測凍土融化速度較人工慢，人工與自動差值范圍為-4～+2 cm，差值在-2～+2 cm的比例占97%以上；2016～2019三年凍土期觀測到的凍土深度第二層上、下限數(shù)據(jù)人工和自動觀測數(shù)據(jù)一致性較好。凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)達(dá)到《凍土自動觀測儀功能規(guī)格需求書》中測量深度：0～450 cm，分辨力為1 cm，最大允許誤差為±2 cm的參數(shù)要求，實現(xiàn)了凍土期連續(xù)自動觀測[11]、觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等設(shè)計目標(biāo)。凍土及干土層自動觀測系統(tǒng)基本符合地面氣象觀測業(yè)務(wù)需求，適用于凍土自動化觀測業(yè)務(wù)，可在承擔(dān)凍土觀測業(yè)務(wù)的臺站推廣安裝，投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。