凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與TB1-1型凍土器比對(duì)試驗(yàn)

宋樹禮 陳冬冬 宋中玲

摘要：2020年11-12月，山東省氣象局根據(jù)凍土觀測(cè)站網(wǎng)布局工作需要，選擇了4個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站和8個(gè)國(guó)家基本氣象站建設(shè)了凍土自動(dòng)觀測(cè)儀，與TB1-1型凍土器開展對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。本文利用山東省12個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的比對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)各凍土層上下限準(zhǔn)確性、可比較性（各凍土層數(shù)據(jù)一致率、誤判均值、凍融趨勢(shì)相關(guān)性）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀和TB1-1型凍土器觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率、凍融趨勢(shì)相關(guān)性較好，誤判均值較小，但個(gè)別站點(diǎn)的準(zhǔn)確性和可比性偏低。

關(guān)鍵詞：凍土；對(duì)比觀測(cè)；分析

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)[1-2]，凍土觀測(cè)包括土壤凍結(jié)層數(shù)和凍結(jié)深度，由國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)指定臺(tái)站根據(jù)埋入土中凍土器內(nèi)水體結(jié)冰的部位，來測(cè)定凍結(jié)層次及其上、下限深度。凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于氣候狀況監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)、鐵路公路建設(shè)等領(lǐng)域。凍土測(cè)量方法有遙感法、達(dá)尼林凍土器測(cè)量法、坑測(cè)法、凍土鉆法等[3]，遙感法需用淺層地表土壤的凍融狀態(tài)做反演，數(shù)據(jù)分辨率較低，只適用于探測(cè)區(qū)域尺度和全球尺度的凍融循環(huán)[4-5]。我國(guó)在20世紀(jì)40年代從國(guó)外引進(jìn)了達(dá)尼林式凍土器，其工作原理是由觀測(cè)員每天08時(shí)用一只手將注水軟膠管提到地面之上，再用另一只手摸測(cè)軟膠管的硬度，進(jìn)而確定土壤的凍結(jié)層數(shù)和凍結(jié)深度[6-7]，是目前我國(guó)氣象臺(tái)站僅存的幾個(gè)人工觀測(cè)要素之一。

2020年，中國(guó)氣象局開始在全國(guó)進(jìn)行凍土自動(dòng)觀測(cè)儀業(yè)務(wù)化推廣的平行觀測(cè)試點(diǎn)，山東省氣象局根據(jù)中國(guó)氣象局的站網(wǎng)布局規(guī)劃，在全省范圍內(nèi)遴選了4個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站和8個(gè)國(guó)家基本氣象站建設(shè)了凍土自動(dòng)觀測(cè)儀，開展凍土比對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)。新建設(shè)的凍土自動(dòng)觀測(cè)儀承襲了現(xiàn)有TB1-1型凍土器的觀測(cè)原理和基本結(jié)構(gòu)，《凍土自動(dòng)觀測(cè)儀功能規(guī)格書》規(guī)定其技術(shù)指標(biāo)必須與TB1-1型凍土器的測(cè)量分辨力和測(cè)量精度保持一致。

作為新型凍土觀測(cè)設(shè)備，其觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量如何，與TB1-1型凍土器觀測(cè)數(shù)據(jù)有何差異，能否在凍土觀測(cè)設(shè)備自動(dòng)化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)凍土歷史資料的歷史沿革是眾多氣象觀測(cè)工作者關(guān)注的問題[8-10]。

1? ? 資料來源

2020年11—12月，山東省共建設(shè)凍土自動(dòng)觀測(cè)站12個(gè)，分別是陵城、惠民、墾利、龍口、莘縣、濟(jì)南、沂源、平度、濰坊、定陶、兗州、莒縣。為便于統(tǒng)一分析，選擇2021年1月1日—3月31日凍融期內(nèi)的逐日凍土觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成凍土對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于山東省氣象局信息中心。本文對(duì)山東省12個(gè)臺(tái)站開展的凍土對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2? ? 統(tǒng)計(jì)方法

以TB1-1型凍土器觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn)，分別從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可比較性（凍結(jié)層一致率、厚度誤判均值、最大深度凍融趨勢(shì)）等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

選取每日TB1-1型凍土器每天觀測(cè)的凍土層次、上下限深度，以及08時(shí)00分的凍土自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為凍土上下限準(zhǔn)確性的評(píng)估依據(jù)，選定凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與TB1-1型凍土器對(duì)應(yīng)樣本上下限觀測(cè)值，計(jì)算凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以標(biāo)準(zhǔn)偏差作為觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的對(duì)比分析方法。

xi—凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與TB1-1型凍土器第i次測(cè)量差值，x-—系統(tǒng)誤差，n—對(duì)比觀測(cè)樣本數(shù)。

2.2 可比較性

對(duì)TB1-1型凍土器和凍土自動(dòng)觀測(cè)儀觀測(cè)的凍結(jié)層一致率、誤判均值、凍融結(jié)趨勢(shì)等進(jìn)行可比性分析。

以TB1-1型凍土器觀測(cè)的凍結(jié)深度累計(jì)值（凍結(jié)厚度）作為參考標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)厚度，用H表示；統(tǒng)計(jì)凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與TB1-1型凍土器凍結(jié)深度一致的凍土厚度的累計(jì)值，作為觀測(cè)儀正確識(shí)別厚度值，用h1表示；統(tǒng)計(jì)TB1-1型凍土器觀測(cè)到的上下限范圍內(nèi)，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與凍土器凍結(jié)層不重疊的凍土厚度值，用h2表示。

（1）凍結(jié)層一致率

凍結(jié)層一致率是指凍土自動(dòng)觀測(cè)儀正確識(shí)別凍土層厚度值（h1）占參考標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)厚度值（H）的百分比。

（2）誤判均值

誤判均值是指凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與凍土器凍結(jié)層不重疊的凍土層厚度（h2）的平均值。

（3）最大凍結(jié)深度凍融趨勢(shì)

最大深度凍融趨勢(shì)是指凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備在整個(gè)凍融過程中與凍土器逐日第一凍土層下限深度變化方向的一致性，用以反映凍土自動(dòng)觀測(cè)儀凍融變化規(guī)律和變化趨勢(shì)的一致性。

3? ? 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

以2020—2021年凍融期（2021年1月1日—3月31日）內(nèi)的TB1-1型凍土器每天08時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將TB1-1型凍土器每天08時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)與凍土自動(dòng)觀測(cè)儀08時(shí)00分對(duì)應(yīng)觀測(cè)的各凍土層上下限深度進(jìn)行對(duì)比分析，得到各對(duì)比試驗(yàn)站的標(biāo)準(zhǔn)偏差，各對(duì)比試驗(yàn)站2020—2021年凍土自動(dòng)觀測(cè)儀凍融期準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)分析情況見表1。

結(jié)果表明，陵城、墾利、沂源、平度和濰坊等5個(gè)站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過2 cm，占對(duì)比試驗(yàn)站的41.7%，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀建設(shè)時(shí)間較晚，外套管周圍的土壤未經(jīng)過一定時(shí)間的沉降，以及TB1-1型凍土器0 cm刻度線與地面不平齊是導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)偏差偏大的主要原因。

3.2 數(shù)據(jù)可比較性

以2020—2021年凍融期（2021年1月1日—3月31日）內(nèi)的TB1-1型凍土器每天08時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將TB1-1型凍土器每天08時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)與凍土自動(dòng)觀測(cè)儀08時(shí)00分對(duì)應(yīng)觀測(cè)的各凍土層上下限深度進(jìn)行對(duì)比分析，各對(duì)比試驗(yàn)站可比較性（凍結(jié)層一致率、誤判均值和相關(guān)系數(shù)）統(tǒng)計(jì)分析情況見表2。

結(jié)果表明，墾利、龍口、濟(jì)南、莒縣等4個(gè)站點(diǎn)的凍結(jié)層一致率偏低。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，莒縣站凍土自動(dòng)觀測(cè)儀和TB1-1型凍土器四周積雪覆蓋超過20 d，TB1-1型凍土器附近無觀測(cè)踏板，每日人工觀測(cè)時(shí)積雪被踩踏融化較快、較早，導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致率異常偏低。

沂源、平度2站凍土自動(dòng)觀測(cè)儀誤判均值超過6 cm，是受設(shè)備周圍土壤凍結(jié)抬升地面導(dǎo)致0 cm與地面不平齊等因素影響較大。

陵城站凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與TB1-1凍土器最大深度凍融趨勢(shì)僅為0.518 79，明顯偏小，原因是該站凍土自動(dòng)觀測(cè)儀安裝時(shí)間較晚，外套管四周土壤未經(jīng)過一定時(shí)間的沉降，凍土傳感器外套管周圍土壤密實(shí)度不夠。

4? ? 結(jié)論

凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備與凍土人工觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)存在的超大偏差，除設(shè)備的自身故障外，主要?dú)w結(jié)于兩者安裝位置、埋設(shè)年代、土壤成分、土壤密度等地下感應(yīng)環(huán)境存在差異，導(dǎo)致凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備與凍土人工觀測(cè)設(shè)備兩者直接的凍融進(jìn)程不同步，在凍土層數(shù)量和位置、凍結(jié)上下限深度等方面產(chǎn)生超差[11-13]。

4.1 大部分站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較好

接近60%站點(diǎn)的凍土自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2 cm，說明凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較好。經(jīng)調(diào)查，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的規(guī)格為0～150 cm，人工凍土器的規(guī)格為為0～50 cm，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀與人工凍土器規(guī)格不一致是影響觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一部分，原因是外套管中的空氣存在上下熱量交換，對(duì)凍結(jié)層次產(chǎn)生一定影響。個(gè)別站點(diǎn)的人工凍土器周圍土壤凍結(jié)隆起或下沉，致使零厘米刻度線與地面不平齊，同樣影響到觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。

4.2 大部分站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率較好

60%以上的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率在80%以上，說明大部分站點(diǎn)的凍土自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好。經(jīng)調(diào)查，有的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致率偏低的原因主要是凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備安裝時(shí)間較晚，凍土自動(dòng)觀測(cè)儀四周的土壤未經(jīng)過一定時(shí)間的沉降，與管壁之間留有空隙。建議根據(jù)設(shè)備安裝維護(hù)手冊(cè)的要求，在凍結(jié)期開始前1個(gè)月完成凍土自動(dòng)觀測(cè)儀和人工凍土器的安裝，并經(jīng)過一定時(shí)間的沉降，確保凍土外套管與土壤之間密貼，不讓冷空氣下沉到管壁與周圍土壤的空隙里。

4.3 大部分站點(diǎn)誤判均值較小

有的站點(diǎn)全部為正偏差或全部為負(fù)偏差，自動(dòng)觀測(cè)曲線與人工觀測(cè)曲線基本平行，大多為設(shè)備安裝不規(guī)范，外套管零厘米刻度線與地面不平齊，導(dǎo)致測(cè)量基準(zhǔn)零點(diǎn)不一致。有的站點(diǎn)土壤凍結(jié)地面上升或自然沉降導(dǎo)致外套管零厘米刻度線與地表面不平齊，臺(tái)站未及時(shí)維護(hù)，導(dǎo)致測(cè)量基準(zhǔn)零點(diǎn)不一致，導(dǎo)致對(duì)比觀測(cè)的凍結(jié)深度誤判均值偏大。建議定期開展設(shè)備維護(hù)，發(fā)現(xiàn)外套管周圍的地面因凍結(jié)隆起或自然沉降后，及時(shí)平整外套管四周的土壤，確?；鶞?zhǔn)零點(diǎn)一致。

4.4 大部分站點(diǎn)凍融趨勢(shì)一致

80%以上的站點(diǎn)凍融趨勢(shì)較好，相關(guān)系數(shù)在0.8以上。經(jīng)調(diào)查，部分站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)偏?。磧鋈谮厔?shì)不一致）的原因是人工觀測(cè)設(shè)備與自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備周圍積雪覆蓋不同導(dǎo)致。人工觀測(cè)踩踏了凍土人工觀測(cè)設(shè)備四周積雪，融化較快，而凍土自動(dòng)觀測(cè)儀四周積雪覆蓋較好，因積雪覆蓋不同，觀測(cè)到的凍土深度偏差較大，凍融趨勢(shì)不一致。建議在凍土人工觀測(cè)設(shè)備附近設(shè)置一個(gè)木質(zhì)踏板，每天人工觀測(cè)時(shí)業(yè)務(wù)人員站在踏板上，避免對(duì)踩踏設(shè)備四周積雪，確保凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備與人工觀測(cè)設(shè)備四周積雪覆蓋相同。

綜上所述，大部分站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)一致率、誤判均值、凍融趨勢(shì)一致性較好，可以替代人工實(shí)現(xiàn)凍土自動(dòng)觀測(cè)。

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