凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)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(tái)，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(cè)是中國(guó)氣象局統(tǒng)一布局的觀測(cè)項(xiàng)目，觀測(cè)內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度，觀測(cè)方式主要使用TB1-1型凍土器進(jìn)行人工器測(cè)，方式較為原始，勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在人為誤差且測(cè)量數(shù)據(jù)密度不夠、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。隨著凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)在氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域需求的日益增多，傳統(tǒng)觀測(cè)儀器和方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前預(yù)報(bào)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(diǎn)的凍土自動(dòng)觀測(cè)儀。

目前，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展對(duì)自動(dòng)觀測(cè)凍土的研究。陳海波[2]等利用頻域反射測(cè)量原理，通過(guò)測(cè)量土壤介電常數(shù)變化實(shí)現(xiàn)凍土測(cè)量。其測(cè)量數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)趨勢(shì)一致,相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99以上,平均測(cè)量誤差小于3 cm。邴慧[3]等利用超聲波設(shè)計(jì)了一種適用于多種類(lèi)型的凍土超聲波換能器支架和恒溫箱的測(cè)試系統(tǒng)，可以對(duì)不同負(fù)溫下凍土樣品進(jìn)行測(cè)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(cè)試[4]、手勢(shì)識(shí)別[5]等方面。 2012年，河南省氣象科學(xué)研究所聯(lián)合中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 27 研究所設(shè)計(jì)了平面電容凍土傳感器，開(kāi)發(fā)凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，在佳木斯站安裝并試驗(yàn)。

本文通過(guò)對(duì)2016～2019年三年凍土期的人工和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，客觀地評(píng)估凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的性能及業(yè)務(wù)適用性，為全國(guó)氣象觀測(cè)站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)凍土自動(dòng)化觀測(cè)提供第一手評(píng)估資料。

1 凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)

凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸于一體的智能自動(dòng)觀測(cè)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(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)處理軟件組成。傳感器將采集的頻率信號(hào)及溫度信號(hào)傳送至采集器。采集器通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，通過(guò)凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)處理軟件顯示和查看數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)凍土深度及干土層深度自動(dòng)觀測(cè)[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(cè)量技術(shù)和半導(dǎo)體測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)凍土及干土層深度測(cè)量，其原理如下。將電容的兩極板設(shè)計(jì)在同一平面上，電容與固定電感組成一個(gè)振蕩電路；振蕩器工作頻率隨土壤電容的變化而變化，通過(guò)檢測(cè)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(cè)的思路，計(jì)算凍土層的深度，實(shí)現(xiàn)凍土深度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)[7]。在檢測(cè)過(guò)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(cè)。各層內(nèi)都設(shè)置一個(gè)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(cè)量?jī)鐾辽疃葧r(shí)，檢測(cè)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(jì)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(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)處理軟件

凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)處理軟件用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、監(jiān)控，可實(shí)時(shí)查看測(cè)試各臺(tái)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(xiàn)。

2 人工與自動(dòng)凍土深度數(shù)據(jù)測(cè)定方法

凍土傳感器安裝在佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)氣候站地面氣象觀測(cè)場(chǎng)中人工凍土器西直線(xiàn)距離20 m外試驗(yàn)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，土壤性質(zhì)、草皮覆蓋、周?chē)h(huán)境與地面氣象觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)相同。人工觀測(cè)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(xiàn)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(cè)凍土深度方法依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定：在凍土期開(kāi)始前將內(nèi)管灌滿(mǎn)干凈水；當(dāng)?shù)孛鏈囟冉档? ℃或以下，土壤開(kāi)始凍結(jié)時(shí)，每日早8時(shí)將凍土器內(nèi)管提到地面之上，用手摸測(cè)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(cè)至次年土壤完全解凍為止。人工觀測(cè)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(dòng)觀測(cè)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(shí)凍土深度數(shù)據(jù)，整數(shù)顯示，保存在凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)處理軟件中；同時(shí)，將數(shù)據(jù)上傳河南省氣象科學(xué)研究所與中國(guó)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(kù)。本試驗(yàn)以?xún)鐾良案赏翆幼詣?dòng)觀測(cè)系統(tǒng)早8時(shí)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)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(guó)家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)

佳木斯站三年凍土對(duì)比觀測(cè)期，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)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(guó)家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測(cè)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(shí)間長(zhǎng)，凍土深度厚。三年凍土期最大凍土深度人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為157 cm，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為159 cm。2016～2017年凍土期因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)卡欠費(fèi)造成2017年4月21日后自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)丟失。2017～2018、2018～2019年凍土期實(shí)際觀測(cè)次數(shù)少于對(duì)比觀測(cè)次數(shù)。這是由于人工和自動(dòng)觀測(cè)凍土融化不同步，人工提前結(jié)束凍土觀測(cè)造成的。

表1 佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)氣候站凍土觀測(cè)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(kāi)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(dòng)觀測(cè)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(dòng)值差值為0，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中不作分析。對(duì)凍土深度第一層上限值分析的時(shí)間為從3月份凍土第一層上限開(kāi)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(dòng)采集數(shù)據(jù)4月21日后缺失，人工與自動(dòng)對(duì)比比較到4月21日。凍土融化期第一層上限人工與自動(dòng)觀測(cè)差異如圖2所示。

圖2 凍土融化期第一層上限人工與自動(dòng)觀測(cè)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(dòng)觀測(cè)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(dòng)值觀測(cè)次數(shù)較多， 說(shuō)明人工觀測(cè)凍土深度第一層上限融化速度低于自動(dòng)。2018年凍土融化后期人工觀測(cè)凍土深度第一層上限明顯融化速度加快，與自動(dòng)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(dòng)對(duì)比曲線(xiàn)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(dòng)對(duì)比曲線(xiàn)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(dòng)觀測(cè)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(kāi)始至凍土深度達(dá)最大值期間，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)大多低于人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(kāi)始融化后，自動(dòng)觀測(cè)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(cè)時(shí)內(nèi)管提取、摸測(cè)過(guò)程中造成其軟管中冰柱下滑、斷折，或即將全部融化時(shí)0 ℃冰水混合結(jié)冰不夠堅(jiān)實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(kāi)始凍結(jié)和凍結(jié)期，人工與自動(dòng)差值維持在-2～+2，在凍土解凍融化后期，人工與自動(dòng)差值增大，誤差值變大。其主要原因是人工觀測(cè)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(cè)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(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 凍土深度第二層上、下限人工與自動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)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(dòng)觀測(cè)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(dòng)數(shù)據(jù)完全一致。

4 結(jié)論

基于中國(guó)氣象局凍土觀測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)發(fā)展、實(shí)施，河南省氣象科學(xué)研究所與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 27 研究所設(shè)計(jì)了平面電容凍土傳感器，開(kāi)發(fā)了凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，在佳木斯國(guó)家基準(zhǔn)氣候站進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)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(dòng)值一致，差值為0；在凍土融化期，人工與自動(dòng)值差值范圍為-3～+6 cm，人工融化速度略低于自動(dòng)。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(dòng)值，自動(dòng)最大值出現(xiàn)日期較人工滯后1～2 d；凍土開(kāi)始融化后，自動(dòng)觀測(cè)凍土融化速度較人工慢，人工與自動(dòng)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(cè)到的凍土深度第二層上、下限數(shù)據(jù)人工和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好。凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到《凍土自動(dòng)觀測(cè)儀功能規(guī)格需求書(shū)》中測(cè)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(shí)現(xiàn)了凍土期連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)[11]、觀測(cè)精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等設(shè)計(jì)目標(biāo)。凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)基本符合地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)需求，適用于凍土自動(dòng)化觀測(cè)業(yè)務(wù)，可在承擔(dān)凍土觀測(cè)業(yè)務(wù)的臺(tái)站推廣安裝，投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。