恰拉水文站自動觀測儀器對比分析

阿里木·吐木爾

（新疆維吾爾自治區巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000）

隨著社會經濟發展，大量的水文自動觀測系統正在取代傳統常規觀測設備。由于技術和精度的原因，新舊2 種觀測系統之間存在一定的差異。為使觀測精準、規范，需對2種觀測系統的觀測結果進行對比分析。

1 概況

恰拉水文站于2004 年9 月設立，位于新疆維吾爾自治區尉犁縣塔里木鄉，是內陸河湖流域葉爾羌河、塔里木河區水系塔里木河上的大河重要控制站，觀測項目有水位、流量、降水、蒸發、氣溫、水質等[1]。該站屬省級重要水文站，測驗方式為駐測，測驗河段順直長度約500 m，河槽近似于梯形，主槽寬度約50 m，高水控制較好，高、低水位時無岔流、串流、逆流、回水、死水等情況；河床由細砂組成，高、中水受沖淤變化較大；兩岸植被較差，河岸無坍塌及河道開挖治理情況，上下游沒有對水流及測驗有影響的支流、彎道、引排水工程、堤防、橋梁及阻水建筑物，附近無支流匯入。該站多年平均年徑流量為6.461×108m3，多年平均年降水量為30.8 mm，實測最大流量為188 m3/s（2017年9月22日）。

塔里木河流域屬中溫帶大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，日溫差較大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發量大[2]。降水年際變化不大，年內降水主要集中在5—9月。多年平均年蒸發量為1 926 mm（20 cm蒸發量）[3]。

該站蒸發場設于水文站院內。蒸發場地面積320 m2，場內設有百葉箱、雨量器、E601 型蒸發器、20 cm 口徑蒸發器、自動氣象站，全年2 種蒸發器同時進行觀測。觀測場四周為1.0 m高的圍欄，場內觀測道寬0.5 m，地表植物高度低于0.2 m。2種蒸發器設置于氣象場內，各蒸發器的設置符合規范要求。

2 比對觀測的方法和意義

恰拉水文站采用自動化氣象觀測儀器，用以感知自然界風速風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降雨量、蒸發量。該站進行實時觀測，每隔5 min進行數據處理并傳輸，以滿足信息保存和顯示的需要。

2.1 選用資料與方法

1 月為冬季枯水期，4、7 月為高溫天氣和降雨較多時節。根據《地面氣象觀測規范》要求，選取恰拉水文站2020 年1、4、7 月自動儀器和人工觀測的氣溫、2020年5—9月降水、2020年6—10月20 cm口徑蒸發資料，探析自動觀測和人工觀測數據之間差值的特征和產生差異原因，進而規范自動氣象觀測儀器的精準性。

2.2 比對觀測的意義

目前，全國地面自動氣象觀測系統正在取代常規主要氣象要素的觀測，即人工觀測的器測項目逐步實現儀器自動化觀測。為了尋找出新舊2 種觀測方法之間的差異，將它們所獲取的資料進行對比是至關重要的。因此，在進行氣象要素觀測自動化進程中，需要一定時間的平行觀測，通過對比分析新舊儀器是否存在同步性、一致性和相關性，而且在統一的氣候資料存檔和管理原則下，來確保觀測資料的客觀性和科學性。

3 氣溫觀測對比分析

根據恰拉水文站和當地氣溫實際，選取2020 年1、4、7 月氣象觀測資料進行對比分析。依據《地面氣象觀測規范》第2.4條規定，對每日8、14、20時的自動、人工觀測氣溫數據進行對比，結果顯示，8時和14時偏差為-0.1，20時偏差為0，日最高偏差為-0.1，日最低偏差為0.3，均小于標準差0.4 的要求。

3.1 相關性分析

根據恰拉水文站自動與人工觀測氣溫資料統計分別繪制1、4、7 月的8、14、20 時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫相關性，如圖1—5 所示，得到相關關系分別為y=0.986 7x+0.010 4（R2=0.999 4）、y=0.985 7x+0.159 8（R2=0.999 3）、y=0.990 6x+0.151 6（R2=0.999 5）、y=0.995 6x+0.023 4（R2=0.999 4）、y=1.000 4x+0.273 2（R2=0.999 2）。從圖1—5 可以看出，人工與自動觀測的相關數據分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關關系顯著。

圖1 恰拉水文站自動與人工觀測8時氣溫相關性

圖2 恰拉水文站自動與人工觀測14時氣溫相關性

圖3 恰拉水文站自動與人工觀測20時氣溫相關性

圖4 恰拉水文站自動與人工觀測日最高氣溫相關性

圖5 恰拉水文站自動與人工觀測日最低氣溫相關性

3.2 誤差分析

分別點繪1、4、7 月的8、14、20 時、日最高、日最低自動與人工觀測氣溫的偏差圖，經分析得出自動與人工觀測氣溫偏差較小，最大為±0.9°，最小為0，系統偏差為-0.1～0.3，標準差均為0.4。產生差異的主要原因如下。

（1）設備儀器的構造不同。自動儀器采集鉑電阻輸出電量的變化，用來反映溫度表感應部分的水銀或乙醇變化。隨著溫度高低的變化，鉑電阻的輸出電量很快被采集器采集成線性化進行定標處理，進而實現要素變量的轉變，促進感應時間更精確、反映溫度變化更及時和靈敏。而人工觀測的溫度表是靠液體的熱脹冷縮來反映氣溫的變化，雖然溫度表的刻度是等距離的，但液體的變化卻并非是固定的，而且反映較慢，計數沒有溫度傳感器精準。

（2）觀測時間上存在誤差。因為觀測需要花費時間，所以人工觀測一般會提前10 min 對各氣象要素進行觀測。自動儀器則是自動計時，到正點會按氣溫、相對濕度、降水、風向風速、氣壓、地溫的順序瞬時完成觀測。一般情況下，人工觀測距正點的時間相差5 min 左右，而自動儀器則沒有時間誤差，其觀測數據會更加精準、具有代表性。所以，時間上的不同步會造成氣溫不同程度的變化。

（3）觀測樣本數存在較大差異。人工觀測時只讀取1次儀器值，不可避免地存在視覺和讀數視差。而自動儀器的每1個數據都是通過多個樣本值求平均得到的，更接近氣象要素真實狀況，排除了人工造成的干擾和誤差。

（4）觀測連續精準水平具有差異。自動儀器能連續24 h 對氣象要素進行觀測，觀測時間長、精準。雖然人工觀測也有部分要素的自記儀器，但各時次的數據都要通過人工修正，且自記值也較粗略，資料的代表性較差。人工觀測要打開百頁箱，會受到空氣、風力的影響，造成溫度變化，而自動儀器觀測不會受到這些因素影響。

4 降水觀測對比分析

4.1 相關性分析

點繪恰拉水文站5—9 月自動與人工觀測日、月降水量相關性，如圖6—7 所示，經分析可以得出逐日、逐月自動與人工觀測降水量相關關系分別為y=0.998 2x（R2=0.996 4）、y=1.001 6x（R2=0.999 8）。從圖6—7 可以看出，人工與自動觀測的相關數據分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關關系顯著。

圖6 恰拉水文站自動與人工觀測日降水量相關性

圖7 恰拉水文站自動與人工觀測月降水量相關性

4.2 誤差分析

采用2020 年實測資料進行降水量對比分析，自動儀器采集器采集降水量與人工觀測降水量的時間相差10 min，單次降水過程中定時觀測數值相差較大，特別是臨近正點下雨差值更大，但降水總量差別不大。自動與人工觀測降水量差值不穩定，其很大原因是觀測時間不同步，具體情況詳見表1—2。

表1 恰拉水文站自動與人工觀測日降水量對比mm

表2 恰拉水文站自動與人工觀測月降水量對比mm

4.3 產生誤差的主要原因

一方面是自動與人工觀測儀器本身所造成的誤差；另一方面是自動與人工觀測在觀測記錄時間上存在較大差異，在觀測時間上不同步。

5 蒸發觀測對比分析

2020 年6 月1 日—10 月31 日，對人工和自動觀測蒸發數據進行了比測，其間無缺測和故障，共取得比測數據153 組，比測方法符合《水面蒸發觀測規范》（SL630—2013）要求。

5.1 日蒸發量

5.1.1 相關性分析

點繪恰拉水文站6—10 月自動與人工觀測逐日蒸發量相關性，如圖8 所示，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R2=0.977 4。從圖8 可以看出，人工與自動觀測的相關數據分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關關系顯著。

圖8 恰拉水文站自動與人工觀測逐日蒸發量相關性

5.1.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的日蒸發量數據進行統計分析，結果詳見表3。由表3 可知，自動觀測的日蒸發量誤差在0～1.0 mm 的天數占觀測期的百分比為100%，日最大誤差為1.0 mm。經分析，自動觀測成果是合理的。

表3 2020年6—10月自動與人工觀測日蒸發量誤差統計

5.2 旬蒸發量

5.2.1 相關性分析

點繪恰拉水文站6—10 月自動和人工觀測旬蒸發量相關性，如圖9 所示，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R2為0.997 8。從圖9 可以看出，人工與自動觀測的相關數據分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關關系顯著。

圖9 恰拉水文站自動與人工觀測旬蒸發量相關性

5.2.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的各旬蒸發量數據進行統計分析，結果詳見表4。由表4 可知，自動與人工觀測各旬蒸發量數據相對偏差基本在5.0%以內。

表4 自動與人工觀測旬蒸發量對比

5.3 月蒸發量

5.3.1 相關性分析

點繪恰拉水文站6—10月自動和人工觀測月蒸發量相關性，如圖10所示，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R2為0.998 5。從圖10可以看出，人工與自動觀測的相關數據分布密集且呈直線趨勢，斜率為1，說明二者的相關關系顯著。

圖10 恰拉水文站自動與人工觀測月蒸發量相關性

5.3.2 誤差分析

對2020年6—10月自動和人工觀測的各月蒸發量數據進行統計分析，結果詳見表5。由表5 可知，自動與人工觀測各月蒸發量數據相對偏差基本在2%以內，符合《水面蒸發觀測規范》（SL630—2013）技術要求[5]。

5.4 影響觀測結果的主要因素分析

（1）自動觀測每5 min收集1次數據，每日8時統計上一日的蒸發量，而人工觀測每日8時收集1次數據。自動觀測量程達80 mm/5 min，蒸發精度為0.01 mm，其產生的誤差極小。人工觀測采用人工降雨量計算日蒸發量，如遇強降雨則增加觀測次數，因不同人員、不同觀測位置、不同視覺等都是影響蒸發讀數的重要因素，故其產生的誤差較大。

（2）自動觀測生成的數據自動存儲，不需錄入和人工計算，同時下載的成果報表可直接進行整編；有關技術人員每日登陸相關系統便可檢查降水和蒸發等數據，觀察其是否合理、有無異值，既便捷又省時；儀器設備可以隨時檢查維護，有問題可以遠程在線維修，即使無法自動觀測時也可進行人工觀測。而人工觀測需人每日8時定時觀測，勞動強度大，還不可避免地產生誤差，出現誤差時也只能根據前后日的數據進行對比校正；每月觀測數據還需人工錄入計算機方能整編，不僅費時費力，還易產生錯誤。

6 結語

通過對自動與人工觀測的氣溫、降水、蒸發3 個主要氣象要素數據對比分析可知，兩者觀測值相關度高，接近于1，這說明自動觀測儀器測量可靠、所得數據精度較高，同時滿足相應規范的技術要求。因此，恰拉水文站自動觀測的氣溫、降水、蒸發數據完全可以代替人工觀測值，并應用于該站氣溫、降水、蒸發資料整編。