尹貞鈐，田中偉，許偉峰，馮　偉

(渭南市氣象局，陜西渭南　714000)

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GStar-I型自動土壤水分觀測儀數(shù)據(jù)標定方法研究

尹貞鈐，田中偉，許偉峰，馮偉

(渭南市氣象局，陜西渭南714000)

摘要：采用數(shù)理統(tǒng)計方法對渭南市蒲城、白水、韓城、華陰4站人工與GStar-I型自動土壤水分觀測儀觀測的土壤體積含水量數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和多項式擬合，結(jié)果顯示：自動觀測土壤水分數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)顯著相關(guān)，擬合方程標定效果優(yōu)于D值標定效果，方程標定后數(shù)據(jù)準確率提高，可滿足干旱監(jiān)測和服務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：土壤水分數(shù)據(jù)；相關(guān)分析；多項式擬合；數(shù)據(jù)標定方法

GStar-I型自動土壤水分觀測儀可以快速、便捷獲取同一地點不同層次土壤水分連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。在實際業(yè)務(wù)服務(wù)中發(fā)現(xiàn)，自動觀測土壤水分數(shù)據(jù)經(jīng)過D值標定后，雖然滿足規(guī)范要求，但部分數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)絕對誤差較大，無法滿足監(jiān)測和服務(wù)需求。通過對比分析研究渭南市蒲城、白水、韓城、華陰4個固定土壤水分觀測站2010—2013年人工和自動土壤水分數(shù)據(jù)，得出進一步提高自動土壤水分數(shù)據(jù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)標定方法。

1資料及方法

1.1資料來源

蒲城、白水、韓城、華陰0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm人工和自動土壤體積含水量數(shù)據(jù)來源于渭南市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心資料室,數(shù)據(jù)均為逢8觀測(遇降水順延)。蒲城站資料的起止時間為2011-03-08—2013-09-18，白水站為2011-03-08—2013-08-08，韓城站為2010-03-28—2013-11-08，華陰站為2010-07-08—2012-05-28。

1.2資料處理

首先，剔除儀器故障造成的異常值；然后，用D值標定值(自動土壤水分觀測儀采集器標定包含A、B、C、D四個參數(shù)項，廠家利用自動和人工對比觀測數(shù)據(jù)求算標定參數(shù)，其中A、B均設(shè)為0，C設(shè)為1，D值分站分層次各不相同，自動土壤水分原始數(shù)據(jù)加D值得到標定值。)減去D值得到自動土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)。

1.3標定方法

采用多項式擬合方法對人工與自動土壤體積含水量數(shù)據(jù)進行標定，提高自動土壤水分數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。

2自動土壤水分數(shù)據(jù)可用性

自動土壤水分數(shù)據(jù)能否準確反映土壤水分變化情況是目前業(yè)務(wù)化使用中最為關(guān)心的問題。對蒲城(74組數(shù)據(jù))、白水(68組數(shù)據(jù))、韓城(92組數(shù)據(jù))、華陰(59組數(shù)據(jù))人工與自動站0～50 cm五個層次土壤體積含水量數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，結(jié)果顯示，4站五個層次人工與自動土壤水分數(shù)據(jù)顯著相關(guān)(見表1)，最大相關(guān)系數(shù)為0.987(白水站30～40 cm)，最小相關(guān)系數(shù)為0.884(蒲城站40～50 cm、韓城站20～30 cm)，表明自動土壤水分數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，通過合適的標定方法，可以取代人工觀測，投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

表1　渭南各縣市0~50 cm五個層次人工與自動土壤體積含水量相關(guān)分析

注：各層相關(guān)系數(shù)均通過0.05顯著性檢驗

3數(shù)據(jù)標定

自動土壤水分數(shù)據(jù)經(jīng)D值標定，基本滿足《自動土壤水分觀測規(guī)范(試行)》要求，人工觀測土壤體積含水量與器測土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對誤差≤5%[1]。但在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，部分自動土壤水分數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)絕對誤差較大。以白水站2013年5—7月0～10 cm土壤水分觀測為例(表2)，人工與D值標定后自動土壤體積含水量平均絕對誤差為4.7%，單次絕對誤差≥5%的數(shù)據(jù)對占44%，最大絕對誤差為7.1%。為降低誤差，利用多項式法對自動土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)進行標定。以人工觀測數(shù)據(jù)[2]為標準建立擬合方程，使標定后數(shù)據(jù)更接近人工觀測值。蒲城站、白水站以2011年3月8日—2012年11月28日0～50 cm人工與自動土壤數(shù)據(jù)做五個層次標定方程，韓城站以2010年3月28日—2012年12月18日0～50 cm人工與自動土壤數(shù)據(jù)做五個層次標定方程，華陰站以2010年7月9日—2011年11月28日人工與自動土壤數(shù)據(jù)做四個層次標定方程(40～50 cm D值標定效果良好，未重新標定)。標定結(jié)果(表3)顯示，各站各層多項式標定方程擬合度均達0.8以上，擬合度高，方程可信。白水站2013年5—7月人工和采用多項式標定后自動土壤體積含水量的平均絕對誤差為2.5%，較D值標定的平均絕對誤差降低2.2%，單次絕對誤差≥5%數(shù)據(jù)對占11%，較D值標定比例降低33%。

表2　白水站2013年5—7月0～10 cm自動土壤體積含水量標定誤差　%

表3　渭南各縣市0～50 cm自動土壤體積含水量多項式標定方程

注：y為擬合后自動土壤體積含水量，x為自動土壤體積含水量原始數(shù)據(jù)。

4結(jié)果驗證

數(shù)據(jù)標定完成后，利用蒲城、白水、韓城2013年3月8日—9月18日及華陰2012年3月8日—5月28日數(shù)據(jù)驗證標定方程。運用標定方程將自動土壤體積含水量數(shù)據(jù)換算為土壤相對濕度，依據(jù)干旱指數(shù)劃分標準[3]，將人工和標定后自動土壤相對濕度絕對誤差≤10%作為判斷標定效果優(yōu)劣的標準，結(jié)果顯示(表4)：方程標定后各站各層自動土壤體積含水量平均絕對誤差為1.0%～2.7%，符合規(guī)范要求，與D值標定平均絕對誤差比較，除華陰站20～30cm平均絕對誤差增加0.1%外，其余減小0.5%～4.6%；人工和多項式標定后自動土壤相對濕度絕對誤差≤10%數(shù)據(jù)比例占67%～100%，較D值標定后數(shù)據(jù)比例增加10%～100%，方程標定結(jié)果明顯優(yōu)于D值標定且效果優(yōu)良。

表4　渭南0～50 cm自動土壤體積含水量標定誤差　%

5小結(jié)

(1)采用相關(guān)分析方法研究人工和自動土壤水分數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，自動土壤水分數(shù)據(jù)能夠真實反映土壤水分變化情況，可以在業(yè)務(wù)中推廣使用。

(2)自動土壤水分原始數(shù)據(jù)經(jīng)過多項式擬合方法標定，結(jié)果較D值標定優(yōu)良，能夠滿足干旱監(jiān)測和業(yè)務(wù)服務(wù)需求。

(3)自動土壤水分數(shù)據(jù)差異較大臺站，采用相關(guān)分析結(jié)合多項式擬合方法，可提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可用性。

參考文獻：

[1]中國氣象局綜合觀測司.自動土壤水分觀測規(guī)范(試行)[S].2010:14.

[2]黃飛龍,何艷麗,陳武框.FDR土壤水分自動站三級標定的方法[J].廣東氣象,2011(6)：62.

[3]GB/T 20481—2006氣象干旱等級[S].北京：中國標準出版社，2006：4.

賀音.國家自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].陜西氣象，2015(6)：38-40.

基金項目：陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點科研項目(2012Z-7)

作者簡介：賀音(1981—)，女，陜西西安人，碩士，工程師，從事氣象數(shù)據(jù)資源開發(fā)與應(yīng)用氣象工作。

收稿日期：2015-02-02

文章編號：1006-4354(2015)06-0038-03

中圖分類號：P415.1

文獻標識碼：A