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冻土自动观测原理的研究

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：王大鹏张道远吴丹晖沈瑱王锰

[导读] 冻土观测是我国地面气象观测的重要组成部分，主要实现对农田土壤冻结解冻深度观测和干土层观测，该数据的测量对农业气象观测-土壤水分观测具有重要意义；目前我省冻土观测完全是人工观测，采用达尼林冻土器，人工判断，工作量大，观测数据时间分辨率低。

江苏省气象探测中心王大鹏张道远吴丹晖沈瑱王锰 210009

摘要：冻土观测是我国地面气象观测的重要组成部分，主要实现对农田土壤冻结解冻深度观测和干土层观测，该数据的测量对农业气象观测-土壤水分观测具有重要意义；目前我省冻土观测完全是人工观测，采用达尼林冻土器，人工判断，工作量大，观测数据时间分辨率低。近年来国内外厂家科研院所研制的冻土自动测量传感器，在气象观测、冻土区铁路、公路建设、以及农业生产等应用领域得到了部分应用。实现了对冻土及干土层的高分辨的自动观测；冻土自动观测仪能够实现冻土连续自动观测，观测项目包括冻结层次和冻结深度。本文介绍冻土及干土层自动观测系统的原理研究，分为现状需求分析、观测原理、数据采集处理和数据评估等方面简要研究。
关键词：冻土；自动观测；测量技术；数据质量
        0引言
        冻土观测是气象业务、服务和科研的基础内容之一。其中，冻土观测为农业生产（冻土周期、积温值、保墒）、冻土区交通基础建设、气候变化、环境保护等方面提供科学依据。同时，随着冻土观测数据在气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境监测等领域需求的日益增多，传统观测仪器和方式方法已经不能满足当前预报和服务需求，具有观测精度高、性能稳定、维护方便等特点的冻土自动观测仪也在部分地区应用，本文将对冻土自动观测仪进行简要研究。
        1研究需求分析
        冻土观测是我国地面气象观测的重要组成部分，主要实现对农田土壤冻结解冻深度观测和干土层观测，该数据的测量对农业气象观测-土壤水分观测具有重要意义；目前我省冻土观测完全是人工观测，采用达尼林冻土器，人工判断，工作量大，观测数据时间分辨率低。
        冻土器测量误差可能存在的原因：1）水与含有水分的土壤比热是不同的，再加上其他因素（如土壤质地、水溶液成分和浓度及外界条件如压力）的不同，其冻结（冰点）温度与水的冻结温度并不相同。
        2）进行冻土器观测时，由于把内管抽出，使外界的冷/热空气进入外套管，同时内管也遭受冷/热空气侵袭，破坏热平衡。因此，从冻土器上观测的冰柱长度不一定是当时当地的冻土深度。
        近年来国内外厂家科研院所研制的冻土自动测量传感器，在气象观测、冻土区铁路、公路建设、以及农业生产等应用领域得到了部分应用。实现了对冻土及干土层的高分辨的自动观测；冻土自动观测仪能够实现冻土连续自动观测，观测项目包括冻结层次和冻结深度。其测量性能遵循《地面气象自动观测规范》（第一版）和《冻土自动观测仪功能规格需求书》（以下简称“功能规格需求书”）要求，通过综合集成硬件控制器与地面综合观测业务软件（ISOS）连接，由地面综合观测业务软件（ISOS）完成观测数据自动采集。
       冻土自动观测仪与现有人工冻土观测设备具有很好的兼容性和一致性，能够满足不同地区、不同深度冻土自动观测，适用于我国气象部门国家级站点以及中、小尺度自动站和气候站观测业务需求。
        2冻土观测测量方法分析
        冻土自动观测仪与现有人工冻土观测设备具有很好的兼容性和一致性，能够满足不同地区、不同深度冻土自动观测，适用于我国气象部门国家级站点以及中、小尺度自动站和气候站观测业务需求。目前国内冻土观测的方法主要有以下几点类：
        1）遥感法，优点：测量连续性、覆盖范围广，能保证探测地表冻融时空变化。缺点：分辨率较粗，无法掌握局部范围冻土层结构内部的冻融变化过程。
        2）冻土器法，优点：地面气象观测规范中冻土观测以冻土器为标准。缺点：通过人工摸测水的结冰，间接测量土壤冻结，土壤冻结（冰点）温度与纯水的冻结温度并不相同，不能实时自动观测。
        3）直接测量法（坑测法或冻土钻凿洞法），优点：测量直接、直观。缺点：费时费力，取样过程对测量地破坏较大，数据密度不够，不能实时监测土壤冻融深度及其发展变化情况。
        3自动观测原理简析
        冻土自动观测仪主要由软件和硬件两部分组成。软件为嵌入式软件；硬件主要由传感器、数据采集器、通信单元、供电单元和外围设备等组成，可接入综合集成硬件控制器。
        3.1自动观测数据采集
        冻土自动观测仪输出的观测数据格式符合《地面气象观测数据文件和记录表簿格式》的规定，经地面综合观测业务软件（ISOS）处理之后，形成冻土分钟数据文件，并写入地面小时BUFR数据文件，其传输符合《QX/T 427-2018 地面气象观测数据格式 BUFR编码》格式要求。

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        3.2主要特点
        （1）结构设计采用集成化微处理技术
        感应器与采集器一体化结构，采用标准长度冻土传感器直接插入冻土外套管中测量；采用高度集成化的微处理技术，提高数据采集、处理、存储、传输的可靠性。
        （2）分辨率满足观测业务需求
        冻土深度测量准确性由探测系统的感应单元所决定的，每间隔一定距离（1cm）设置探测电极，且不因环境而改变。
        （3）设备安装简单
        冻土自动观测仪较好地延续了《地面气象观测规范》（2003版）相关安装使用要求，传感器故障具有自动告警功能。冻土较深地区采用分段式安装时，需按《地面气象自动观测规范（第一版）》的要求布设各层传感器。
        （4）设备维护方便
        冻土自动观测仪的深度标尺是装置在内管中间的感应电极，其间距由数控设备加工，没有累积误差，也不受介质冻结状态的影响，但使用前需进行通断检查和测试。
        3.3传感器
        （1）测量性能
        测量深度：0cm～150cm，根据当地可能出现的最大冻土深度，选取规格适宜的传感器，采用分段安装的方式开展冻土自动观测。
分辨力：1cm。最大允许误差：±2cm。
        （2）环境适应指标
        在下列气候条件下，冻土自动观测仪应能正常工作：
        空气温度：﹣50℃～﹢60℃。相对湿度：5%～100%。降水强度：≤6mm/min。抗风能力：≤75m/s。
        （3）外观要求颜色为白色（9003）。
        （4）安装要求
        根据历史记录，江苏最大冻结深度小于1.5m。采用标准长度冻土传感器直接插入冻土外套管中测量。冻土自动观测仪0cm测量单元需与外套管0线刻度平齐，并与地表处于同一水平面上。
        3.4采集器
        冻土自动观测仪整体结构采用模块化设计、嵌入软件系统，数据采集器的硬件部分由嵌入式处理器、数据存储器、时钟电路、通信接口和指示灯等多种电路模块组成。数据采集器的主要功能是获取传感器采样数据，对采样数据进行计算处理、质量控制、数据存储、通信传输，与终端计算机进行交互。
        数据采集器硬件设计时满足以下要求：
        （1）电源：用高精度、高稳定性电源模块，满足采集器供电要求，外接电源供电电压为DC（9～15）V。
        （2）时钟：自带高精度实时时钟，时钟误差≤15秒/月，接受终端软件校时，校时误差小于1秒。
        （3）存储：程序存储器容量满足嵌入式软件需求。数据存储器至少能够存储10天的冻土自动观测分钟数据、状态信息以及正点观测数据，并留有30%以上的存储空间。数据存储须采用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖最早存储的数据，采集器数据存储器具备断电保存功能。
        （4）通信接口：具有RS232/RS485通信接口。
        （5）监控电路：硬件看门狗，主板温度监测，电池电压监测，通信状态监测。
        （6）指示灯：用于供电、运行、通信等状态指示。
        4结束语
        实现对冻土层的高分辨的自动观测，冻土自动测量具有误差小，一致性较好，满足气象业务对冻土深度测量技术的要求；仪器能够连续自动观测土壤水分、地温和冻融状态变化，减少了观测站人员工作量，对全面实现气象观测自动化的具有重要的意义。
5参考文献
[1]郭卫华, 李波, 等. FDR 系统在土壤水分连续动态监测中的应用[J]. 干旱区研究, 2003, 20(4): 247-248.
[2]王宗海, 韩秀兰, 徐长芹, Erik van der, E., et al. 造成冻土观测记录误差的原因分析[J]. 山东气象, 2006, 12(4): 49-50.
作者简介：王大鹏（1986.12），男，汉，江苏扬州人，硕士，工程师，从事综合气象观测，气象装备保障工作。
基金项目：江苏省气象局青年基金项目（名称：区域站冗余观测及设备端质控新算法的研究），编号：KQ202108