程相勤

（新疆禹通工程監(jiān)理有限公司，新疆 阿勒泰 836500）

當前，中小流域水文觀測仍以傳統(tǒng)的人工觀測方式為主，人工觀測存在工作效率低、受環(huán)境干擾強、觀測精度低等問題，特別是在高山峽谷、干旱缺氧等惡劣環(huán)境下觀測將嚴重威脅觀測人員安全，自動氣象監(jiān)測則是應對這困難的有力途徑[1]。隨著現(xiàn)代科技的進步與發(fā)展，先進技術和儀器設備在水文領域不斷推廣應用，監(jiān)測手段由傳統(tǒng)人工觀測逐步轉向自動監(jiān)測與巡測、駐測相結合的模式，自動化水平逐步提高[2]。近些年，國家持續(xù)加大水文基礎設施建設投入力度，水文站網(wǎng)布局進一步完善，監(jiān)測能力得到提高，服務水平和水文現(xiàn)代化水平不斷提升[3]。水文站網(wǎng)逐步完善，基本形成完整體系，我國已建成空間分布基本合理、監(jiān)測項目比較齊全、測站功能較為完善的水文站網(wǎng)體系，實現(xiàn)了對大江大河及其主要支流、有重點防洪任務的中小河流水文監(jiān)測基本覆蓋[4-5]。2022 年7 月以來，長江流域持續(xù)高溫少雨，江河來水嚴重偏少，江湖水位持續(xù)走低，旱情快速發(fā)展，為保障長江流域應急水量調(diào)度方案科學合理，水文觀測基礎數(shù)據(jù)及結果分析顯得尤為重要[6]。建立流域水文自動氣象監(jiān)測體系，有利于服務水利對象決策、調(diào)度管理，并實現(xiàn)動態(tài)管理和在線更新[7]。規(guī)?；陨系慕雍凑鸩酵晟平⒆詣託庀蟊O(jiān)測數(shù)據(jù)管理體系，為防汛抗旱以及水利突發(fā)事件的應急處置提供精準化支撐[8]。本文以開墾河水文站為研究對象，對自動氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，并基于分析結果評價自動氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性。

1 水文站概況

1.1 測站基本情況

開墾河水文站設于1956 年10月，集水面積371km2，河段長34 km。開墾河發(fā)源于天山東段北坡，徑流的主要補給源為大氣降水、中低山帶的季節(jié)性積雪融水。開墾河水文站位于昌吉市奇臺縣七戶鄉(xiāng)七戶一村，為國家基本水文站，屬二類精度水文站。開墾河站氣象蒸發(fā)場位于出山口地形，高程1 502 m，氣象蒸發(fā)場規(guī)格為16 m×20 m，觀測場距離建筑物約40 m。

1.2 測站設施情況

為實現(xiàn)水文測量工作自動化和信息化，適應現(xiàn)代社會對水文測驗的要求，降低野外測驗人員工作強度，實現(xiàn)水文測驗資料監(jiān)測自動化。開墾河站于2013 年9 月安裝TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站，經(jīng)過對設備不斷調(diào)試、升級，目前觀測數(shù)據(jù)可同步傳輸至昌吉水文勘測局服務器，每月對自動氣象站進行校檢3 次，包括儀器電源設備、網(wǎng)絡及儀器的時間等，有校檢記錄。該站自動氣象站主電采用太陽能供電，配有UPS 備用電源。自動氣象站數(shù)據(jù)可網(wǎng)絡傳輸和本地自行存儲，在發(fā)現(xiàn)斷網(wǎng)、停電的情況，在一個月內(nèi)可從自動氣象站本地存儲中調(diào)取，在自動氣象站調(diào)試升級或其它自動氣象站不能正常運行的情況下，應立即恢復人工觀測，并記錄原因。

2 儀器設備與數(shù)據(jù)選取

2.1 自動氣象儀器設備

為保證開墾河站氣溫比測資料的一致性，自動氣象站布設在氣象場內(nèi)，人工觀測溫度計和自動氣象站氣溫感應器都布設在同一高度。開墾河站自動氣象站位于百葉箱旁，2019 年開始使用，采用TRM-ZS9型中尺度自動氣象站，主要由氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀、氣象環(huán)境監(jiān)測軟件三部分組成，可監(jiān)測風向、溫度、濕度、雨量等要素。溫濕度采集器安裝在支架橫臂上，感應探頭距地面1.5 m，橫臂指向南。

該自動氣象站的工作原理：傳感器將對應氣象要素變化轉換成電信號變化，這種變化由單片機控制的數(shù)據(jù)采集器采集，進行定標處理，經(jīng)過處理后獲得各個氣象要素的實時值，然后由通信模塊傳輸?shù)街行恼镜奈C上。數(shù)據(jù)采集依托自動氣象站數(shù)據(jù)采集器，主要功能是數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸。自動氣象站采集到的氣象數(shù)據(jù)，需通過傳輸系統(tǒng)發(fā)至水文站指定的位置，供相關人員做數(shù)據(jù)分析。傳輸方式分2 種：①本地傳輸，設備有線連接，一般為RS485 傳輸；②無線傳輸，常用的無線傳輸方式為4G 傳輸。通過物聯(lián)網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)傳到服務器。

TRM-ZS9 型自動氣象站主要氣象技術參數(shù)見表1，主要組成構件見表2。

表1 TRM-ZS9 型自動氣象站主要氣象技術參數(shù)

表2 TRM-ZS9 型自動氣象站主要組成構件

2.2 觀測數(shù)據(jù)選取

經(jīng)多次現(xiàn)場調(diào)試后，開墾河站于2020 年1 月1 日起開始進行人工與自動氣象站比測工作，每天8 時、14 時、20 時人工觀測百葉箱內(nèi)干球溫度時，同時觀測TRM-ZS9 型自動氣象站記錄環(huán)境氣溫。本文采用2020 年日平均、最高、最低氣溫各342 組數(shù)據(jù)進行比測分析。自動氣象站和人工觀測氣溫比測數(shù)據(jù)均是從2020 年1 月1 日到12 月31 日（2 月13 日～15 日、9 月17 日-30 日、12 月25-31 日自動氣象站觀測氣溫無數(shù)據(jù)，不進行對比分析）。

3 分析結果

3.1 氣溫偏差分析

在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析前，首先剔除在測量過程中受環(huán)境或人為因素干擾記錄下來的不切合實際的異常值。根據(jù)《自動氣象站觀測規(guī)范》（GB/T 33703-2017）的要求，將人工觀測氣溫減去自動氣象站同步記錄的環(huán)境氣溫得到差值，分析兩個氣溫變化受外部因素影響程度。

對人工定時觀測數(shù)據(jù)與自動氣象站記錄環(huán)境氣溫進行差值分析，8 時氣溫偏差在-1.8～1.7℃之間，14 時氣溫偏差在-2～1.4℃之間，20 時氣溫偏差在-2～2℃之間，見表3。日平均氣溫偏差范圍在-1.3～0.8℃之間，日最高氣溫偏差在-2～2℃之間，日最低氣溫偏差在-2.0～2.0 之間，見表4。年最高氣溫偏差-0.6℃，年最低氣溫偏差0.4℃，年平均氣溫偏差-0.1℃，見表5。

表3 自動化與人工觀測定時氣溫對比表

表4 自動化與人工觀測氣溫偏差對比表

表5 自動化與人工觀測氣溫對比表

3.2 氣溫差值分析

由表6 可以看出8 時氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計次數(shù)最多，出現(xiàn)202 次，出現(xiàn)頻率為59.1%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)83 次，出現(xiàn)頻率為24.3%。14 時氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計次數(shù)也最多，出現(xiàn)183 次，出現(xiàn)頻率為53.5%；差值介于0～1℃的出現(xiàn)86 次，出現(xiàn)頻率為25.1%。20 時氣溫差值介于-0～1℃統(tǒng)計次數(shù)最多，出現(xiàn)149 次，出現(xiàn)頻率為43.6%；差值介于-1～0℃的出現(xiàn)111 次，出現(xiàn)頻率為32.5%。

表6 人工觀測與自動氣象站觀測氣溫差值統(tǒng)計表

可以看出人工觀測與自動化氣象站觀測日平均氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計次數(shù)最多，出現(xiàn)263 次，出現(xiàn)頻率為76.9%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)72次，出現(xiàn)頻率為21.1%。日最高氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計次數(shù)亦最多，出現(xiàn)139 次，出現(xiàn)頻率為40.6%；其次為差值介于0～1℃的出現(xiàn)114 次，出現(xiàn)頻率為33.3%。日最低氣溫差值介于-1～0℃統(tǒng)計次數(shù)最多，出現(xiàn)165 次，出現(xiàn)頻率為48.2%；其次為差值介于-1.5～-1℃的出現(xiàn)124 次，出現(xiàn)頻率為36.3%。具體見表7。

表7 兩種不同方法觀測氣溫均值/極值差值一覽表

基于上述氣溫偏差與氣溫差值的分析，表明采用TRM-ZS9 型自動氣象站和人工觀測方法所測得的數(shù)據(jù)，在8 時、14 時和20 時的氣溫偏差介于-2～2℃，出現(xiàn)頻率最多的氣溫差值為-1～0℃，說明自動與人工觀測數(shù)據(jù)的差值小，測量誤差在合理運行范圍內(nèi)，該TRM-ZS9 型自動氣象站可替代人工進行觀測。

3.3 相關性分析

通過對人工觀測與自動化氣象站觀測的氣溫數(shù)據(jù)系列建立相關關系（圖1-6），分析相關性和變化是否連續(xù)、有無突變現(xiàn)象。基于每日8 時、14 時、20 時、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫可以看出數(shù)據(jù)觀測無突變現(xiàn)象，均呈線性關系，相關性良好。

圖1 開墾河站8 時氣溫兩種不同方法記錄相關圖

圖2 開墾河站14 時氣溫兩種不同方法記錄相關圖

圖3 開墾河站20 時氣溫兩種不同方法記錄相關圖

圖4 開墾河站平均氣溫兩種不同方法記錄相關圖

圖5 開墾河站最高氣溫兩種不同方法記錄相關圖

圖6 開墾河站最低氣溫兩種不同方法記錄相關圖

4 結論與展望

本文通過人工觀測與自動觀測氣溫差值分析，得出8 時、14 時、20 時氣溫偏差，日平均、最高、最低氣溫偏差，年平均、最高、最低氣溫偏差，以及氣溫差值出現(xiàn)次數(shù)和頻率，結果表明二者的氣溫數(shù)據(jù)差值小，所測數(shù)據(jù)吻合度高。當前流域水文監(jiān)測自動化程度不足，新技術新儀器研發(fā)應用水平有待提升，基于人工智能、大數(shù)據(jù)的水文信息監(jiān)測及反饋分析技術是后續(xù)的重點研究方向。