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人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深的差異及其影響因素 積雪直接或間接地影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此監(jiān)測(cè)積雪深度對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[13]。積雪深度觀測(cè)是國(guó)家地面氣象觀測(cè)站的基本觀測(cè)項(xiàng)目之一，是指從積雪表面到地面的垂直深度[4]。 目前，氣象站測(cè)量積雪深度主要有人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量2 種方法。人工測(cè)量方法，即使用量雪尺或普通米尺在氣象觀測(cè)場(chǎng)附近選定3 個(gè)平整好的地段進(jìn)行測(cè)量[4]。 自動(dòng)測(cè)量方法，根據(jù)超聲波和激光測(cè)距原理采用雪深儀器進(jìn)行測(cè)量[59]。隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展 ，利用自動(dòng)雪深儀測(cè)量積雪深度正逐漸成為一種趨勢(shì)。 目前，河北省氣象部門仍以人工測(cè)量方法為主，自動(dòng)測(cè)量方法為輔，自動(dòng)測(cè)量?jī)x器多為超聲波雪深儀 。然而，有關(guān)超聲波傳感器測(cè)量與人工觀測(cè)積雪深度的誤差大小、差異原因及其影響因素的研究鮮見報(bào)道。為此，利 用 2 014年 2 月 至 2017年 12 月河北省廊坊市和張家口市6 個(gè)氣象站超波傳感器與人工觀測(cè)的雪深數(shù)據(jù)，研 究 2 種方法測(cè)得的結(jié)果誤差大小、差異性及其影響因素，以期為超聲波雪深儀的應(yīng)用及農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。 1 材料與方法 1.1材料日平均氣溫、日平均地溫及人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量的雪深數(shù)據(jù) ，來自張家口市的赤城、蔚縣、宣化和廊坊市的香河 、廊坊、霸 州 等 6 個(gè)國(guó)家氣象站。風(fēng)速、氣溫、地溫和人工觀測(cè)雪深數(shù)據(jù)經(jīng)過河北氣象信息中心質(zhì)量控制 ，超聲波傳感器測(cè)量的雪深數(shù)據(jù)刪除缺測(cè)和雪深儀未經(jīng)校準(zhǔn)所測(cè)量的數(shù)據(jù)（按規(guī)定每年入冬前各臺(tái)站要對(duì)雪深儀的測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)），最 終 保 留 189個(gè)有效數(shù)據(jù)。 1 . 2 方法 1.2.1 人工測(cè)量雪深中國(guó)氣象局編制的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[4]對(duì)人工測(cè)量雪深觀測(cè)地段及測(cè)量方法等均有詳細(xì)的規(guī)定，雪深值為3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均值，單位為cm。 1.2.2 超聲波傳感器測(cè)量雪深 1 ) 觀測(cè)原理。超聲波雪深儀主要采用超聲波作為測(cè)量信號(hào)，通過測(cè)量超聲波脈沖發(fā)射和返回的時(shí)間計(jì)算出傳感器探頭到目標(biāo)物的距離，由于傳感器安裝高度固定，通過連續(xù)測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雪深的監(jiān)測(cè)[8]。計(jì)算公式[w]:
式中，D 為積雪深度；H 為超聲波傳感器與測(cè)量基準(zhǔn)面的距離;V 為超聲波在空氣中的傳播速度；f 為超聲波往返時(shí)間。 2 ) 觀測(cè)方法。采 用 H S C - S R 8 0 A 雪深監(jiān)測(cè)儀，其核心部件是50 k H z 超聲波壓電傳感器。雪深儀工作溫度為一40〜 50°C，測(cè)量范圍為0〜2 500 mm，分辨率為1 mm，每 1 min輸 出 1 個(gè)雪深值，單位為mm。測(cè)雪板為大理石，長(zhǎng) X 寬 X 高 為 1 000 mmX1 000 m m X15 mm，安裝高度與觀測(cè)場(chǎng)地面齊平。由于空氣溫度是影響超聲波傳播速度的主要因素，因此，通過溫度修正對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算公式：
式中，V 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為空氣溫度。 1 . 3 數(shù)據(jù)處理 2 結(jié)果與分析 2 . 1 人工觀測(cè)及超聲波傳感器測(cè)量的雪深 從圖1看出，人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的雪深變化趨勢(shì)一致性較好，經(jīng)相關(guān)性分析，2 種方法測(cè)得的雪深值相關(guān)性極顯著，相 關(guān) 系 數(shù) 為 0. 801。超聲波傳感器測(cè)量，廊 坊 市 最 大 雪 深 為 3 cm，分別出現(xiàn)在2015年 2 月 2 1 日的廊坊站、2017年 2 月 22日的霸州站和2015年 2 月 2 1 日的香河站；張家口市最大雪深為15 cm，出 現(xiàn) 在 2015年 1 1 月 6 日的赤城站。人工觀測(cè)，廊坊市最大雪深為5 cm，分別出現(xiàn)在2015年 2 月 2 1 日和1 1 月 2 3 日的廊坊站；張家口市最大雪深為18 cm，出現(xiàn)在2015年 1 1 月 6日的宣化站。2 種方法測(cè)量雪深差值絕對(duì)值最大為7 cm，出 現(xiàn) 在 2015年 1 1 月 6 日 和 7 日的宣化站�？梢�，差值絕對(duì)值的最大值一般出現(xiàn)在雪深最大時(shí)。2 種方法測(cè)量雪深，差值> 0 的 為 8 3 個(gè) ，差 值 為 0 的為 6 0 個(gè) ，差值< 0 的 為 4 6 個(gè) ，差 值 平 均 為 0. 1 cm;差 值 絕 對(duì) 值 為 0 c m 的 占 31. 7 % ，為 1 c m 的占39. 2 % ，為 2 cm 的占 15. 9 % ，> 2 cm 的僅 13. 2 % ，差 值 絕 對(duì) 值 cm 時(shí) ，86. 0 % 的雪深< 2 cm，差值絕對(duì)值平均為1. 2 cm。差值絕對(duì)值平均值小于梁延偉等[10]的測(cè)量值，可能是由于所用超聲波雪深傳感器、觀測(cè)方法和環(huán)境因素不同等原因所致;差值平均值小于除多等[11]的測(cè)量值，可能與儀器、環(huán)境和數(shù)據(jù)處理方法(《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定人工觀測(cè)平均雪深不足〇. 5 cm 記 為 0,而除多等[11]則將微量降雪賦值為〇. 5 cm)等有關(guān)，2015年 1 1 月 6 — 8 日張家口市宣化站（第 159〜161個(gè)雪深值）人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的159〜161個(gè)雪深值分別為1 cm、18 cm、9 cm 和 8 cm、 l l cm、3 cm，二者差值絕對(duì)值較大，達(dá) 6〜7 cm。期間該站的降水量分別是17.4 mm(20: 00 至次日 8:00 為 15. 1 mm、8: 00 —20:00 為 2. 3 mm)、6. 7 mm(20:00 至次日 8:00)和20:00至次日8 :00)，平均氣溫為一0.5°C、0. 1°C和 1. 8°C ，平均風(fēng)速為 3. 4 m/s、l . 4 m/s 和 注 :人 工 觀測(cè)及超聲波傳感器測(cè)量雪深數(shù)據(jù)為2 0 1 4 年 2 月至2 0 1 7 年 1 2 月廊坊市的前4 2 個(gè)和張家口市的第4 3 〜 1 8 9 個(gè) 。 圖 1 人工與超聲波傳感器測(cè)量的雪深及其差值絕對(duì)值 推測(cè)：可能是由于6 日測(cè)雪板溫度比地面溫度低（尤其 是 2:00 — 8:00氣溫<0°C ，土壤溫度均>0°C) ，此時(shí)降雪量較大而且出現(xiàn)雨夾雪，測(cè)雪板更容易凍結(jié)，造成測(cè)雪板雪深較厚;7 — 8 日，氣溫升高積雪融化，測(cè)雪板上液態(tài)水增加及其導(dǎo)熱率更大、熱容量更小，導(dǎo)致融雪更快[1213]。表 明 ，地面溫度是研究區(qū)域主要的間接影響因素，測(cè)雪板是主要的直接影響因素。 2 . 2 不同因素對(duì)人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量深差值絕對(duì)值的影響 雪風(fēng)速、氣溫、土壤霜凍、吹雪、測(cè)雪板材質(zhì)和構(gòu)型等[3m 15]均會(huì)對(duì)人工觀測(cè)和超聲波傳感器測(cè)量的雪深差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響。經(jīng)相關(guān)分析，差值絕對(duì)值 與 氣 溫 和 大 風(fēng) 的 相 關(guān) 性 均 不 顯 著 （〇. 0 5 3 和0. 056)，與地溫呈極顯著正相關(guān)（0. 192〃 ），說明地面溫度是研究區(qū)域的主要?dú)庀笥绊懸蛩亍?br/> 2.2.1 風(fēng)速 從圖2看出，2014年 2 月 至 2017年1 2 月 2 種方法差值絕對(duì)值與平均風(fēng)速呈微弱的正相關(guān)CR2=〇. 0028)，受風(fēng)速影響很小，只有雪深和風(fēng)速均較大時(shí)，風(fēng) 速 才 對(duì) 2 種方法差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響，期間日平均風(fēng)速>4.0 m/s為 16 d，而差值絕對(duì)值> 3 cm 僅 2 d。宣 化 站 2015年 1 1 月 2 2 日的平均風(fēng)速為5. 8 m/s，人工觀測(cè)雪深為5 cm，超聲波傳感器測(cè)量雪深為6 cm，雪 深 差 值 絕 對(duì) 值 僅 1 cm，表明，風(fēng)速不是影響2 種方法差值絕對(duì)值的主要因素 ，與梁延偉等[1()]研究結(jié)果不一致�？赡苁茄芯空军c(diǎn)出現(xiàn)風(fēng)速大且差值絕對(duì)值也大的數(shù)據(jù)極少所致。但是風(fēng)速會(huì)對(duì)超聲波傳感器測(cè)量的雪深產(chǎn)生影響，如蔚縣站2014年 2 月 2 6 日 13:00 —14:00時(shí)超聲波 雪深值出現(xiàn)4 m in野 值 （40. 2 cm)和 41 m in缺測(cè) ，期 間 氣 溫 和 地 溫 均 在 〇°C 以 上 ，平 均 風(fēng) 速 為6. 3 m/s ;該 站 2016年 1 1 月 2 1 日 2:00有降雪，風(fēng)速也較大，瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)4. 9 m/s ，超聲波測(cè)量雪深出
圖 2 2014年2月至2017年12月雪深差值絕對(duì)值與平均風(fēng)速的關(guān)系 2.2.2 氣溫氣溫對(duì)差值絕對(duì)值的影響 主要表現(xiàn)在 2 個(gè)方面:一是溫度會(huì)影響超聲波脈沖的行程和傳感器性能，二是氣溫較高時(shí)導(dǎo)致超聲波傳感器滴水破壞積雪表面，使得儀器測(cè)量值失真，從 而 影 響 2種 方 法 測(cè) 量 的 差 值 。從 圖 3 看 出 ，2014年 2 月至 2017年 1 2 月 2 種方法差值絕對(duì)值與平均氣溫呈微弱的正相關(guān)CR2=〇. 003 2)，受氣溫影響很小。可能原因：一 是 HSC-SR80A 超聲波傳感器存在溫度補(bǔ)償;二是日最高氣溫>〇°C且降雪量較大的日數(shù)很少 ，從而發(fā)生超聲波傳感器滴水破壞積雪表面的日數(shù)也少。
圖 3 2014年 2 月 至 2017年 12月 雪 深 差 值 絕 對(duì) 值 與 平 均氣 溫 的 關(guān) 系 2.2.3 地面溫度從圖4看出，2014年 2 月至2017年 1 2 月 2 種方法差值絕對(duì)值與地面溫度呈正相關(guān)CR2=〇. 036 9)，相關(guān)趨勢(shì)大于風(fēng)速和氣溫�？赡茉颍喝斯び^測(cè)和超聲波雪深儀對(duì)雪深的測(cè)量面不同所致。人工觀測(cè)雪深的下墊面是土壤，而超聲波雪深儀測(cè)量雪深的基準(zhǔn)面是15 m m 厚的大理石板 ，由于不同下墊面導(dǎo)致雪的物理特性、土壤水熱交換及其二者間的相互作用不同，尤其在地面溫度相對(duì)較高時(shí)更明顯。所 以 ，間接影響因素主要是地面溫度，直接因素則為下墊面。
2.2.4 其他因素2 種方法的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不一致和測(cè)量面材質(zhì)不同是影響二者差值的2 個(gè)外界因素。測(cè)量面材質(zhì)不同則可能會(huì)導(dǎo)致積雪和融雪的速度等不同，從而影響差值大小。觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不同勢(shì)必會(huì)對(duì)2 種方法差值絕對(duì)值產(chǎn)生影響。主要原因：超聲波傳感器位于觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，僅 有 1 套儀 器 ，人工觀測(cè)方式是取觀測(cè)場(chǎng)外3 個(gè) 相 距 至 少 10 m 的觀測(cè)點(diǎn)的平均值，即二者的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量不一致;太陽輻射、大風(fēng)和地表特征等局部因素不同，其通過風(fēng)吹雪和融雪等影響2 種 方 法 的 差 值 絕 對(duì) 值 。 3 結(jié)論與討論 關(guān)于人工觀測(cè)與超聲波傳感器測(cè)量雪深存在的誤差。吳書成等[6]建議雪深測(cè)量基準(zhǔn)面材質(zhì)需要繼續(xù)改進(jìn)，并且考慮測(cè)雪板下部埋入土層20 cm 以上。梁延偉等[10]建議超聲波雪深儀安裝地點(diǎn)應(yīng)選擇避風(fēng)條件較好的區(qū)域或者采用避風(fēng)措施，并且選擇多點(diǎn)觀測(cè)取其平均值。另 外 ，為 消 除 和 避 免 2 種觀測(cè)方式存在的誤差，觀測(cè)員應(yīng)注意2 點(diǎn) ：一是由于差值絕對(duì)值的最大值一般出現(xiàn)在雪深最大時(shí)，因此在任何一種測(cè)量方式雪深> 4 cm 時(shí) ，觀測(cè)員應(yīng)關(guān)注2 種觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)差值，在差值絕對(duì)值> 1 cm 時(shí)記錄2 種觀測(cè)方式測(cè)量的下墊面或影響因素；二是有積雪和降雪時(shí)，及時(shí)清除超聲波雪深傳感器上的積雪，避免其融化時(shí)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生影響。總之，為提高超聲波雪深儀測(cè)量的準(zhǔn)確性，還需進(jìn)行更多的試驗(yàn)及對(duì)雪深傳感器進(jìn)行改良，同時(shí)觀測(cè)員也應(yīng)盡量保留原始記錄和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。 |
