芮建文，楊婷婷，芮建梅

(1.哈密市氣象局，哈密 839000；2.寶雞市氣象局，寶雞 721006)

0 引言

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)，是中國氣象局統(tǒng)一布局的觀測項目[1]。當?shù)乇頊囟认陆档? ℃或以下時開始觀測，于每日08：00觀測1次，直到土壤完全解凍后停止觀測，觀測內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度。凍土觀測數(shù)據(jù)在氣候監(jiān)測和災害預報等領域有著極其重要的作用，國內(nèi)各業(yè)務臺站觀測凍土普遍使用的是TB1-1型凍土器。冶林茂[2]等認為凍土觀測方法并不科學且觀測不方便、耗時耗力、測量數(shù)據(jù)密度不夠，不能實時監(jiān)測凍土深度及其發(fā)展變化情況。苗傳海[3]等簡述了常規(guī)觀測方法存在的觀測誤差、標尺誤差等缺陷。沙莉[4]等指出傳統(tǒng)的測量方式會造成凍土深度測量的準確度低，難以適應氣象觀測現(xiàn)代化對高精度自動觀測的需要。因此，凍土項目的觀測設備及觀測方法急需進行針對性和實質(zhì)性的改進，以解決以上弊端，進一步提高各業(yè)務臺站的觀測質(zhì)量和觀測效率。

為貫徹落實中國氣象局關于全面實現(xiàn)地面觀測自動化的決策部署，實現(xiàn)地面氣象要素全自動、智能化觀測，中國氣象局加大了自動化觀測設備的推進部署。2020年11月下旬DTD5型凍土自動觀測儀開始在哈密局推廣應用。自此，凍土結(jié)束了長達半個多世紀的人工觀測，實現(xiàn)了自動、連續(xù)觀測，其觀測準確度也大幅度提升，能夠更好地為各行各業(yè)提供服務。

1 凍土自動觀測儀的測量原理

哈密局下屬6個國家級業(yè)務臺站采用的是DTD5型凍土自動觀測儀，其根據(jù)水與冰相變后電阻發(fā)生改變的物理特性，利用非純凈水做感應介質(zhì)(自來水、河水、井水即可)，每1 cm設置1個電極，根據(jù)每層電極檢測信號判別土壤凍融狀態(tài)，建立相關數(shù)學模型，計算出土壤凍結(jié)層次及其上限和下限深度。

2 凍土自動觀測儀的結(jié)構(gòu)組成

DTD5型凍土自動觀測儀由軟件和硬件兩部分組成。軟件為嵌入式軟件；硬件主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電單元(在無外部供電條件下，蓄電池必須保證儀器能連續(xù)運行7 d以上)和外圍設備4大部分組成，獨立掛接至串口服務器(綜合集成硬件控制器)，通過ISOS業(yè)務軟件顯示凍土觀測各相關數(shù)據(jù)，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 DTD5型凍土自動觀測儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 凍土自動觀測儀的安裝與調(diào)試

3.1 安裝

設備的安裝位置，應符合《地面氣象觀測規(guī)范》中關于觀測場儀器布局的原則，滿足《新型自動氣象站觀測場值班室建設規(guī)范0922版》中相關要求，同時達到ISO9001質(zhì)量管理體系審核(內(nèi)審+外審)要求。由于各業(yè)務臺站的觀測任務不同，為便于安裝與維護，根據(jù)當?shù)貧v史極值資料，可采取集成式(0～150 cm凍結(jié)層)或分段式方法(>150 cm凍結(jié)層)安裝。其中：數(shù)據(jù)采集器箱(水泥基座大小為350 mm(長)×350 mm(寬)×600 mm(深)、埋入地下550 mm、高出地面50 mm)，安置在備份站(備站)地溫分采東側(cè)60 cm處；傳感器安裝在備份站320 cm地溫外套管南側(cè)，間距50 cm，南北成列、東西成行、自西向東、由深到淺(注：傳感器0 cm測量單元與外套管0線刻度要保持平齊，并與觀測場裸露地表處在同一水平面上)。哈密局下屬臺站凍土凍結(jié)層不同，安裝略有不同。

3.2 調(diào)試

待凍土機箱、采集器、傳感器各線路連接正確后，需對設備進行調(diào)試：

1)通過RS-485與采集器通訊，打開串口調(diào)試助手，設置波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)位為8，奇偶校驗為無，停止位為1；

2)打開串口，待串口調(diào)式助手顯示準備就緒后，發(fā)送命令“HELP”，收到返回命令，則表明程序運行正常；

3)發(fā)送“DATETIM”命令，查看軟件運行時間，重新用“DATETIM”訂正時間至當前時間。

3.3 初始化參數(shù)設置

由于凍土自動觀測儀為獨立掛接項，需要在ISOS軟件中設置正確的端口，待ISOS軟件與凍土自動觀測儀通信正常后，需要對參數(shù)進行初始化設置。以某基準站(區(qū)站號12345、88°44′E、66°16′N)為例，凍土自動觀測儀參數(shù)初始化設置具體如下：

3.4 輸出數(shù)據(jù)格式

凍土自動觀測儀各參數(shù)設置完畢后，通過ISOS業(yè)務軟件主菜單命令：設備管理→維護終端→選擇端口→凍土串口處理→輸入“READDATA”命令，敲回車確認，以某基準站為例，ISOS終端返回如下數(shù)據(jù)格式：

“BG，812345，00，YSFS，001，20210115124600，001，005，13，ATAa，000，ATAc，071，ATIa，000，ATIc，071，ATIb，1201，00000，z，0，xD_AT，0，y_ATA150，0，y_ATA300，-，y_ATA450，-，xB_AT150，0，xB_AT300，-，xB_AT450，-，wA_AT150，0，wA_AT300，-，wA_AT450，-，tC_AT，0，rI_AT，0，3982，ED”

從中可以得出：BG為數(shù)據(jù)段起始標識；區(qū)站號為12345；臺站類型為基準站；儀器設備標識符為YSFS；設備ID為001；數(shù)據(jù)觀測時間為北京時間20210115124600；調(diào)取為當前實時分鐘數(shù)據(jù)；臺站當前凍土數(shù)據(jù)為0～71 cm；臺站凍土極值上下限為0～150 cm等相關設備信息。

4 凍土自動觀測儀的故障檢修

業(yè)務運行過程中，在確保膠管內(nèi)水分充足的前提下，如遇到凍土自動觀測儀采集數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)缺測或儀器故障，參照以下方式對故障進行逐一排查。

4.1 業(yè)務軟件端排查

首先查看其他獨立掛接(如日照、能見度等)項數(shù)據(jù)是否正常，如正常，將獨立掛接項PORT口切換至凍土使用PORT口(獨立掛接項在ISOS中相應參數(shù)也需要做相應的修改)，如數(shù)據(jù)顯示正常，則排除了電腦遠端至綜合集成硬件控制器之間的通訊及綜合集成硬件控制器PORT口異常；通過ISOS軟件維護終端發(fā)送相關命令查詢儀器是否能正確返回ID、時間、凍土各相關數(shù)據(jù)等，如顯示正常，則進一步排除了綜合集成硬件控制器的異常。

4.2 設備硬件端排查

4.2.1 采集器端排查

1)查看電源指示燈是否常亮，如果常滅，檢查電源端子是否連接松動，接線是否牢固，重新接線插入，如仍未啟動，對空氣開關端子電壓進行測量，若電壓異常則排查電源箱接線是否合理及正常，若電壓顯示正常，則說明主板發(fā)生故障，需更換主板；2)電源指示燈正常，檢查運行指示燈是否正常閃爍，如不閃爍，則主板出現(xiàn)故障，需更換新的主板；3)使用串口調(diào)試助手，通過RS-485接口與采集器通訊，連續(xù)發(fā)送“DATETIME”指令，如連續(xù)返回正常，則排除采集器故障，需進一步排查傳感器是否異常。

4.2.2 傳感器端排查

1)檢查傳感器和采集器之間的線路是否正常(是否有破損、松動)，重新插拔后，使用串口調(diào)試助手確認二者之間的通訊是否正常。2)若某一傳感器出現(xiàn)故障，將直接導致該層對應的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或異常，通過串口調(diào)試助手發(fā)送“sensor_para”指令，對異常數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、觀察每層電阻值。若某一層或某幾層電阻值對應均為0(觀測期正常情況下終端返回數(shù)據(jù)段均為非零，例如某站發(fā)送指令后終端返回<150 150 150 150>)，則說明該層傳感器發(fā)生故障，已無法正常運行。

5 凍土自動觀測儀的維護

由于凍土觀測具有其特殊性，在日常工作中，應定期做好凍土自動觀測儀的日常檢查、維護和保養(yǎng)工作，確保設備在觀測來臨時能正常啟動運行。

定期查看傳感器狀態(tài)燈了解設備運行、通信狀態(tài)；定期查看設備各連接部分損壞或腐蝕情況及程度；定期檢查供電設施，確保交流—直流—蓄電池切換正常并對蓄電池進行充放電；對傳感器補水維護時，應錯開正點并避免內(nèi)管中留有氣泡；對儀器的故障維修和數(shù)據(jù)處理等情況需進行相關備注。凍土期來臨前1個月，對傳感器進行全面檢查與維護：查看外套管中有無積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；傳感器內(nèi)管、外管的0線與地面是否齊平等，如發(fā)現(xiàn)問題，應立即處理。凍土期結(jié)束后，將內(nèi)管水排空，沖洗干凈后收回值班室或安放在原處，同時避免雜物等落入外套管內(nèi)。

6 結(jié)束語

自動觀測儀的推廣應用，極大地減輕了人工勞動量，提高了工作效率，為今后全面實現(xiàn)地面氣象自動化觀測奠定了堅實基礎。DTD5型凍土自動觀測儀具有穩(wěn)定性強、測量精度高、安裝維護簡單等特點，文章對其結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試和維護維修方法進行了介紹，在日常工作中工作人員應加強維護、維修和保養(yǎng)，確保各儀器設備正常運行并能解決極端情況下出現(xiàn)的各種問題。