劉志剛 吳東麗 邵長亮 吳麗俠 胡樹貞 宋樹禮

（1.秦皇島市氣象局，河北 秦皇島066000；2.中國氣象局氣象探測中心，北京100081；3.莒縣氣象局，山東 莒縣276500）

引言

中國氣象局定義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］。凍土自動觀測儀（以下簡稱“觀測儀”）是根據(jù)含有水分土壤的凍融特性，通過測量水的相態(tài)、土壤頻域反射［2］或溫度判識等方法，利用閾值判斷測量土壤凍結(jié)層次和深度的儀器（中國氣象局綜合觀測司，《凍土自動觀測規(guī)范》，2019）。2020年4月1日全國地面氣象觀測自動化改革業(yè)務(wù)正式運行，凍土自動觀測儀作為凍土自動化觀測設(shè)備在業(yè)務(wù)中應用。國內(nèi)主要采用電阻法、電容法［3-4］、測溫法、射線法、時域反射法和紅外遙感法等觀測方法，但目前氣象業(yè)務(wù)中缺少統(tǒng)一的凍土自動觀測分鐘數(shù)據(jù)質(zhì)量控制閾值參數(shù)［5-7］。氣象自動化觀測于21世紀初開始全面展開，各種地面氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法也在氣象業(yè)務(wù)、科研和服務(wù)中應用。周建華［8］研究了單站質(zhì)量控制方法，依據(jù)氣溫與相對濕度之間相關(guān)性高的特點，提出了一種基于GEP算法的地面逐時氣溫資料質(zhì)量控制方法，實現(xiàn)了相對濕度對氣溫的質(zhì)量控制。前人在自動氣象站的實時資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面做了較多研究，結(jié)合計算機程序化特點，設(shè)計了氣象自動站業(yè)務(wù)軟件［9-12］，并對全球地面氣象預報的歷史資料和1971—2000年全國700多個基準站基本站月氣候數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量驗證［13-15］。廖捷和熊安元［16］針對中國飛機觀測的氣象歷史數(shù)據(jù)做了質(zhì)量控制。國外在氣象數(shù)據(jù)評估和質(zhì)量控制方面早于國內(nèi)，也取得較多成果［17-21］。本文利用遼寧喀左國家氣象觀測站（以下簡稱喀左站）、遼陽國家氣象觀測站（以下簡稱遼陽站）和內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里國家基準氣候站（以下簡稱滿洲里站）凍土自動觀測外場試驗的數(shù)據(jù)資料，以喀左站、遼陽站和滿洲里站的人工定時對比觀測數(shù)據(jù)為參考，采用縱橫極值集合法，探討凍土分鐘數(shù)據(jù)時間一致性質(zhì)量控制參數(shù)變化取值范圍［22］，為開展凍土自動觀測業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供參考。

1 資料與方法

1.1 觀測實驗

按照氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法要求（中國氣象局綜合觀測司，《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法 總則（修訂）》，2017），考慮不同氣候區(qū)及最大凍土深度，選擇喀左站（41°7′N，119°46′E）、遼陽站（41°14′N，123°10′E）和滿洲里站（49°34′N，117°19′E）（圖1），3站近30 a最大凍土深度分別為116 cm、100 cm和367 cm（中國氣象局綜合觀測司，《綜合觀測司關(guān)于發(fā)布國家級氣象觀測站名錄》，2020）。安裝4組觀測儀及TB1-1型［23］人工觀測凍土器（其中滿洲里2組），在安裝布局時考慮傳感器測量相互之間不受影響，5種觀測儀以TB1-1型凍土器為圓心，等半徑（50 cm）呈圓形排列安裝。

圖1 實驗站點分布Fig.1 Distribution of observation sites

2019年2—3月在3個試驗站安裝了4組觀測儀，采集包括電阻和測溫2種不同測量原理5種型號的試驗資料和TB1-1型人工對比觀測資料（表1）。電阻式測量是利用水的相態(tài)發(fā)生改變時體積、電阻等物理特性隨之變化的原理，通過非純凈水做感應介質(zhì)，測量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度，該原理利用水相變時阻值突變的原理，與TB1-1型凍土器測量原理相同。測溫式測量是根據(jù)水凝結(jié)成冰或冰融化成水的溫度變化特性，結(jié)合凍點確定算法，獲得凍結(jié)層次和上下限深度，該原理是采用溫度要素測量冰點的方式判斷土壤凍結(jié)深度［24］。

表1 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站觀測儀與人工試驗數(shù)據(jù)表Table 1 Automatic and manual data table at Kazuo station，Liaoyang station，and M anzhouli station in 2019

1.2 數(shù)據(jù)處理

對所收集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)完整性和層次一致性分析，應用縱橫極值集合法計算凍土分鐘數(shù)據(jù)變化值，最后進行時間一致性質(zhì)量控制［25］，并確定相關(guān)的閾值參數(shù)。本文采用Delphi 7.01、Python 3.7和M icrosoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)讀取與處理分析。

1.2.1 凍土分鐘界限值檢查及數(shù)據(jù)完整性

根據(jù)氣象部門業(yè)務(wù)要求，凍土自動觀測儀在設(shè)備端已經(jīng)對凍土觀測的瞬時值進行了界限值檢查，檢查瞬時值是否在傳感器的測量范圍內(nèi)，如果未通過檢查，則該值不能用于進一步計算?！罢_”瞬時值的判斷條件為上限0 cm，下限450 cm（中國氣象局綜合觀測司，《凍土自動觀測儀功能規(guī)格需求書》，2018）。然而在實際觀測過程中，凍土傳感器長度往往達不到450 cm，因此下限應取凍土傳感器實際長度。

試驗中數(shù)據(jù)缺測的原因包括未通過界限值檢查和外界異常干擾，以分鐘數(shù)據(jù)為完整性分析單元，對缺測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算觀測儀分鐘數(shù)據(jù)的缺測率，即：

式（1）中，M為試驗期內(nèi)觀測儀累計缺測分鐘次數(shù)；N為應觀測總分鐘次數(shù)。

1.2.2 凍土層次一致性

采用每天08時、14時、20時人工定時觀測凍土數(shù)據(jù)為參考標準［26］，4組TB1-1型凍土器共觀測到505組定時凍土數(shù)據(jù)，變化次數(shù)為1168次；觀測到凍土數(shù)據(jù)1224578 min，采集到各層變化次數(shù)3094502次（表1）。由凍土平均層次分析可知，A組中人工觀測平均1.16層，觀測儀平均凍土層數(shù)1.65層；B組中人工觀測平均1.19層，觀測儀平均凍土層數(shù)1.42層；C組中人工觀測平均1.14層，觀測儀平均凍土層數(shù)1.15層；D組中人工觀測平均1.16層，觀測儀平均凍土層數(shù)1.24層；C組和D組與人工觀測最接近，A組中A4和A5設(shè)備相差略大，由設(shè)備自身閾值設(shè)置導致?？傮w人工觀測平均凍土層數(shù)1.16層，觀測儀平均1.36層，自動與人工一致，觀測結(jié)果符合業(yè)務(wù)凍土分布特性［27］。

1.2.3 縱橫極值集合法計算凍土分鐘數(shù)據(jù)

凍土是氣象觀測要素中唯一包含上下限值和不定層數(shù)的觀測要素，根據(jù)其要素特點，凍土自動觀測分鐘數(shù)據(jù)變化包含橫向分鐘對應層次變化和縱向自身層高變化兩種情況。橫向?qū)獙哟巫兓侵盖昂? min采集的凍土數(shù)據(jù)，各層凍土的上下限對應變化；縱向自身層高變化是指相鄰2 min采集的凍土數(shù)據(jù)，對應自身層次深度的高度變化，縱向與橫向變化最大值作為凍土自動觀測分鐘數(shù)據(jù)變化值，見圖2。

圖2 相鄰兩分鐘凍土觀測數(shù)據(jù)變化對比示意Fig.2 Sketch map of comparison of frozen soil observation between adjacent two m inutes

縱橫極值集合法計算變化值見下式：

式（2）中，Δτi為第i個變化值；xi為橫向初始分鐘狀態(tài)第i個層次值；yi為當前分鐘狀態(tài)對應第i個層次值；zi為縱向自身第i個層次深度的變化值；當橫向變化融化消失或新生凍結(jié)層時｜xi-yi｜按0 cm處理。

1.2.4 凍土分鐘數(shù)據(jù)時間一致性質(zhì)量控制

依據(jù)縱橫極值集合法，確定凍土逐分鐘的每一層凍土變化值，與人工對比觀測對應層變化值作比較，生成層對比變化時間一致性質(zhì)量控制參數(shù)序列，見下式：

式（3）中，fi為第i層凍土分鐘數(shù)據(jù)時間一致性質(zhì)量控制參數(shù)（以下簡稱“質(zhì)控參數(shù)”），其大小可表示變化Δτi值的質(zhì)量狀況，Δτi引用式（2），顯然｜fi｜越大，Δτi越可疑，甚至為異常數(shù)據(jù)；Ri為當前分鐘所在兩次定時內(nèi)人工觀測第i層凍土變化值。當Ri=0時，只記錄Δτi不計算fi值，Ri≠0時，根據(jù)剔除異常值統(tǒng)計學原理，將質(zhì)控參數(shù)｜fi｜≥3的數(shù)據(jù)標注為奇異值（即錯誤數(shù)據(jù)），｜fi｜≤1標識數(shù)據(jù)正確，1＞｜fi｜＞3標識數(shù)據(jù)可疑［6］。上述基于線性回歸數(shù)據(jù)評估方法來計算數(shù)據(jù)的質(zhì)控參數(shù)值，以判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查算法，稱為線性回歸質(zhì)量檢查算法。

2 結(jié)果分析

2.1 凍土分鐘數(shù)據(jù)的完整性和層次一致性

由式（1）計算和表1可知，2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站20套觀測儀共計運行2923200 m in，實際采集到數(shù)據(jù)2911165 min，數(shù)據(jù)缺測率為0.41%。其中，A 組觀測儀數(shù)據(jù)缺測率最高為0.70%，D 組最低為0.10%，B組和C組分別為0.46%和0.34%；ZY4100型號觀測儀完整性最好，平均缺測率為0.00%，XLX1型號完整性略差，平均缺測率為0.70%，DOD1型號平均缺測率為0.22%，DTD1型號平均缺測率為0.47%，HY-DT1型號平均缺測率為0.67%。全部觀測儀完整性較好，均滿足氣象部門資料缺測率不大于2%的要求（中國氣象局綜合觀測司，《凍土自動觀測儀功能規(guī)格需求書》，2018）。

由式（2）可得，圖2中第一層38—43 cm經(jīng)過1 min變化后全部融化，即縱向融化變化均取5 cm，橫向無對比參考值故按0 cm處理；初始第二層和第三層1 min后兩層凍結(jié)合并為當前分鐘的第一層，縱向26—29 cm層凍結(jié)消失，故均取3 cm，橫向上限由22 cm 變?yōu)?3 cm 融化1 cm，下限33 cm 變?yōu)?4 cm，凍結(jié)1 cm，同一層凍土數(shù)據(jù)變化既包含橫向又包含縱向變化時，取變化大值作為變化范圍計算值，因此計算變化量時取縱向變化3 cm；初始第四層變化為當前第二層，上限對應無變化取0 cm，下限凍結(jié)4 cm，即橫向和縱向均變化4 cm；初始第五層變成當前第三層，狀態(tài)無變化，因此對應變化量均為0 cm。按照此方法統(tǒng)計A、B、C、D四組觀測儀設(shè)備3094502次變化幅度及人工觀測1168次變化幅度出現(xiàn)次數(shù)及比例情況見表2。

由表2可知，凍土自動觀測數(shù)據(jù)變化集中在0—4 cm，占總數(shù)的99.99%以上，大于4 cm的變化不足0.01%，其中5—10 cm變化占0.0051%，大于10 cm變化占0.0029%；人工凍土對比數(shù)據(jù)6 h最大變化14 cm 出現(xiàn)3次，次大變化12 cm 出現(xiàn)8次，0—10 cm變化占98.63%。

表2 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站凍土觀測儀與人工觀測凍土數(shù)據(jù)變化幅度與出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計Table 2 Comparisons of variable am plitude and frequency between automatic and manual observations of frozen soil at Kazuo station，Liaoyang station，and Manzhouli station in 2019

2.2 質(zhì)控參數(shù)閾值確定及數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.2.1 質(zhì)控參數(shù)閾值

凍土分鐘變化幅度與觀測點的土壤、地理位置等多因素有關(guān)。質(zhì)控參數(shù)是凍土數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的決定性參數(shù)，控制參數(shù)值過小會引起大量真實數(shù)據(jù)剔除，造成數(shù)據(jù)失去連續(xù)性，過大則會將錯誤數(shù)據(jù)引入氣象大數(shù)據(jù)平臺，影響區(qū)域氣候分析和專業(yè)氣象服務(wù)效果。依據(jù)2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站凍土數(shù)據(jù)的變化幅度和凍土分鐘數(shù)據(jù)完整性情況統(tǒng)計，對分鐘數(shù)據(jù)應用式（3）逐條進行驗證，得出5種型號的變化幅度及異常值次數(shù)分布統(tǒng)計見表3。

表3結(jié)果表明，3094502個變化數(shù)據(jù)中，0—4 cm變化數(shù)據(jù)正確，5—10 cm變化157次中存在67次奇異值的錯誤變化占42.7%，52次變化為可疑（無法確定正確或錯誤）占33.1%，38次變化為正確，占24.2%，大于10 cm的89次100%為錯誤變化。根據(jù)數(shù)據(jù)時間一致性檢查結(jié)果，采用人工復核對全部錯誤變化數(shù)據(jù)進行分析歸納，分為突變野值、鋸齒跳變和其他錯誤數(shù)據(jù)三種情況，見圖3。

表3 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站凍土觀測分鐘變化幅度及異常值統(tǒng)計Table 3 Statistics ofm inutely change of amp litude and abnormal value of frozen soil observation data at Kazuo station，Liaoyang station，and M anzhouli station in 2019

觀測過程中部分數(shù)據(jù)變化雖然超過4 cm，如圖3a中第3—4 min，但是從數(shù)據(jù)的前后一段時間內(nèi)變化與人工觀測值對比分析看，變化符合規(guī)律，正確變化范圍0—10 cm在試驗中均出現(xiàn)過，見表4示例1。圖3a中第10—11min和圖3b中第21min、41min為突變野值，這種凍土深度數(shù)據(jù)或變化量突變主要表現(xiàn)為一段時間較穩(wěn)定，突然出現(xiàn)1 min變化較大數(shù)據(jù)，由于0—4 cm變化全部正確，因此跳變數(shù)據(jù)大于4 cm認為數(shù)據(jù)異常。此類數(shù)據(jù)在試驗中出現(xiàn)33次，跳變范圍5—62 cm，見表4示例2和示例3。圖3a中第20—29 m in為鋸齒跳變，此類數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為一段較短時間內(nèi)數(shù)據(jù)震蕩跳變多次，無固定規(guī)律，跳變幅度超過4 cm，在試驗中出現(xiàn)52次，見表4示例4。其他異常數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)前后變化無對應層次關(guān)系等， 試驗中出現(xiàn)71次，見表4示例5。

圖3 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站凍土分鐘變化量（a）和深度變化（b）Fig.3 M inute change curve of frozen soil in variation quantity（a）and in-depth（b）at Kazuo station，Liaoyang station，and M anzhouli station in 2019

表4 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站凍土分鐘數(shù)據(jù)變化量示例Table 4 Exam ples of variation of frozen soilm inute data at Kazuo station，Liaoyang station，and M anzhouli station in 2019

出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的原因主要是觀測儀采集算法與分鐘數(shù)據(jù)處理方法缺陷、計算機對觀測儀校對時造成數(shù)據(jù)采集中斷、沖擊電壓等外界信號干擾影響等因素造成，試驗后期采取優(yōu)化采集算法、調(diào)整數(shù)據(jù)處理方法和加裝UPS穩(wěn)壓電源等措施后錯誤數(shù)據(jù)顯著減少。

2.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

應用2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站3個試驗站的數(shù)據(jù)進行了數(shù)值試驗，對凍土分鐘數(shù)據(jù)異?？梢蔀? cm和異常閾值為11 cm及時間一致性質(zhì)量控制和縱橫極值集合法進行驗證，所選時間段為設(shè)備在試驗站安裝完畢，數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集48 h之后5 d的凍土分鐘數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)驗證基本情況見表5。由表5可知，5 d內(nèi)102778個變化數(shù)據(jù)中，102742個變化數(shù)據(jù)正確，5—10 cm變化21次中存在8次異常值的錯誤變化占38.1%，大于10 cm的15次變化100%為錯誤，該結(jié)果與表3統(tǒng)計一致，表明該閾值和方法準確、合理有效。

表5 2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站觀測儀分鐘數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況Table 5 Quality control of observed m inute data from instrument in frozen soil at Kazuo station，Liaoyang station，and M anzhouli station in 2019

3 結(jié)論與討論

（1）2019年喀左站、遼陽站和滿洲里站觀測儀分鐘數(shù)據(jù)完整性較好，數(shù)據(jù)缺測率為0.41%，數(shù)據(jù)完整率為99.59%，滿足氣象部門資料完整性要求，從而也能反映出設(shè)備可靠性較好。3個外場試驗站的觀測儀平均凍土層數(shù)1.36層，與人工觀測平均1.16層基本吻合，同時也符合凍土業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分布特點，自動化后凍土層次與原人工觀測有較好的連續(xù)性。

（2）3個外場凍土分鐘數(shù)據(jù)對比同期人工觀測凍土數(shù)據(jù)，確定凍土自動觀測分鐘數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的變化量范圍為0—4 cm，異?？梢蓴?shù)據(jù)的變化量范圍為5—10 cm，異常數(shù)據(jù)的變化量范圍為＞10 cm。觀測表明，該5種類型觀測儀能較好地反演出不同氣候區(qū)域的凍土分鐘數(shù)據(jù)時間一致性變化特征［28］，凍土自動觀測分鐘數(shù)據(jù)變化范圍可以作為凍土時間一致性質(zhì)量控制指標。

（3）觀測數(shù)據(jù)中變化量范圍為0—4 cm包含了99.99%的數(shù)據(jù)，但大于4 cm變化中出現(xiàn)156次分鐘異常數(shù)據(jù)，主要原因是設(shè)備采集算法、數(shù)據(jù)處理方法和受到外界干擾等因素造成，觀測后期應用優(yōu)化采集算法、調(diào)整數(shù)據(jù)處理方法等措施，顯著降低了錯誤數(shù)據(jù)來源，提高了分鐘數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（4）凍土觀測在氣象服務(wù)中作用較為重要，在中國全國開展平行觀測后，當分鐘數(shù)據(jù)足夠多時，建議開展“一站一評估”，對凍土自動觀測采集算法及數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性、空間一致性等其他質(zhì)量控制方法進一步研究，全面提升凍土數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的準確性。