宋树礼 陈冬冬 宋中玲

摘要：2020年11-12月，山东省气象局根据冻土观测站网布局工作需要，选择了4个国家基准气候站和8个国家基本气象站建设了冻土自动观测仪，与TB1-1型冻土器开展对比观测试验。本文利用山东省12个国家级地面气象观测站的比对观测试验数据，对各冻土层上下限准确性、可比较性（各冻土层数据一致率、误判均值、冻融趋势相关性）进行统计分析。结果发现，冻土自动观测仪和TB1-1型冻土器观测数据一致率、冻融趋势相关性较好，误判均值较小，但个别站点的准确性和可比性偏低。

关键词：冻土；对比观测；分析

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或以下而呈冻结的状态[1-2]，冻土观测包括土壤冻结层数和冻结深度，由国务院气象主管机构指定台站根据埋入土中冻土器内水体结冰的部位，来测定冻结层次及其上、下限深度。冻土观测数据广泛应用于气候状况监测、农业生产、建筑规划与设计、铁路公路建设等领域。冻土测量方法有遥感法、达尼林冻土器测量法、坑测法、冻土钻法等[3]，遥感法需用浅层地表土壤的冻融状态做反演，数据分辨率较低，只适用于探测区域尺度和全球尺度的冻融循环[4-5]。我国在20世纪40年代从国外引进了达尼林式冻土器，其工作原理是由观測员每天08时用一只手将注水软胶管提到地面之上，再用另一只手摸测软胶管的硬度，进而确定土壤的冻结层数和冻结深度[6-7]，是目前我国气象台站仅存的几个人工观测要素之一。

2020年，中国气象局开始在全国进行冻土自动观测仪业务化推广的平行观测试点，山东省气象局根据中国气象局的站网布局规划，在全省范围内遴选了4个国家基准气候站和8个国家基本气象站建设了冻土自动观测仪，开展冻土比对观测试验。新建设的冻土自动观测仪承袭了现有TB1-1型冻土器的观测原理和基本结构，《冻土自动观测仪功能规格书》规定其技术指标必须与TB1-1型冻土器的测量分辨力和测量精度保持一致。

作为新型冻土观测设备，其观测数据质量如何，与TB1-1型冻土器观测数据有何差异，能否在冻土观测设备自动化转型进程中实现冻土历史资料的历史沿革是众多气象观测工作者关注的问题[8-10]。

1    资料来源

2020年11—12月，山东省共建设冻土自动观测站12个，分别是陵城、惠民、垦利、龙口、莘县、济南、沂源、平度、潍坊、定陶、兖州、莒县。为便于统一分析，选择2021年1月1日—3月31日冻融期内的逐日冻土观测数据，形成冻土对比观测数据集，数据来源于山东省气象局信息中心。本文对山东省12个台站开展的冻土对比观测试验数据进行对比分析。

2    统计方法

以TB1-1型冻土器观测数据为参考标准，分别从数据准确性、可比较性（冻结层一致率、厚度误判均值、最大深度冻融趋势）等方面进行对比分析。

2.1 数据准确性

选取每日TB1-1型冻土器每天观测的冻土层次、上下限深度，以及08时00分的冻土自动观测数据作为冻土上下限准确性的评估依据，选定冻土自动观测仪与TB1-1型冻土器对应样本上下限观测值，计算冻土自动观测仪的系统误差和标准偏差，以标准偏差作为观测数据准确性的对比分析方法。

xi—冻土自动观测仪与TB1-1型冻土器第i次测量差值，x-—系统误差，n—对比观测样本数。

2.2 可比较性

对TB1-1型冻土器和冻土自动观测仪观测的冻结层一致率、误判均值、冻融结趋势等进行可比性分析。

以TB1-1型冻土器观测的冻结深度累计值（冻结厚度）作为参考标准冻结厚度，用H表示；统计冻土自动观测仪与TB1-1型冻土器冻结深度一致的冻土厚度的累计值，作为观测仪正确识别厚度值，用h1表示；统计TB1-1型冻土器观测到的上下限范围内，冻土自动观测仪与冻土器冻结层不重叠的冻土厚度值，用h2表示。

（1）冻结层一致率

冻结层一致率是指冻土自动观测仪正确识别冻土层厚度值（h1）占参考标准冻结厚度值（H）的百分比。

（2）误判均值

误判均值是指冻土自动观测仪与冻土器冻结层不重叠的冻土层厚度（h2）的平均值。

（3）最大冻结深度冻融趋势

最大深度冻融趋势是指冻土自动观测设备在整个冻融过程中与冻土器逐日第一冻土层下限深度变化方向的一致性，用以反映冻土自动观测仪冻融变化规律和变化趋势的一致性。

3    观测数据对比分析

3.1 数据准确性

以2020—2021年冻融期（2021年1月1日—3月31日）内的TB1-1型冻土器每天08时观测数据为标准，将TB1-1型冻土器每天08时观测数据与冻土自动观测仪08时00分对应观测的各冻土层上下限深度进行对比分析，得到各对比试验站的标准偏差，各对比试验站2020—2021年冻土自动观测仪冻融期准确性统计分析情况见表1。

结果表明，陵城、垦利、沂源、平度和潍坊等5个站点的标准偏差超过2 cm，占对比试验站的41.7%，冻土自动观测仪建设时间较晚，外套管周围的土壤未经过一定时间的沉降，以及TB1-1型冻土器0 cm刻度线与地面不平齐是导致标准偏差偏大的主要原因。

3.2 数据可比较性

以2020—2021年冻融期（2021年1月1日—3月31日）内的TB1-1型冻土器每天08时观测数据为标准，将TB1-1型冻土器每天08时观测数据与冻土自动观测仪08时00分对应观测的各冻土层上下限深度进行对比分析，各对比试验站可比较性（冻结层一致率、误判均值和相关系数）统计分析情况见表2。

结果表明，垦利、龙口、济南、莒县等4个站点的冻结层一致率偏低。调研发现，莒县站冻土自动观测仪和TB1-1型冻土器四周积雪覆盖超过20 d，TB1-1型冻土器附近无观测踏板，每日人工观测时积雪被踩踏融化较快、较早，导致数据一致率异常偏低。

沂源、平度2站冻土自动观测仪误判均值超过6 cm，是受设备周围土壤冻结抬升地面导致0 cm与地面不平齐等因素影响较大。

陵城站冻土自动观测仪与TB1-1冻土器最大深度冻融趨势仅为0.518 79，明显偏小，原因是该站冻土自动观测仪安装时间较晚，外套管四周土壤未经过一定时间的沉降，冻土传感器外套管周围土壤密实度不够。

4    结论

冻土自动观测设备与冻土人工观测设备观测数据存在的超大偏差，除设备的自身故障外，主要归结于两者安装位置、埋设年代、土壤成分、土壤密度等地下感应环境存在差异，导致冻土自动观测设备与冻土人工观测设备两者直接的冻融进程不同步，在冻土层数量和位置、冻结上下限深度等方面产生超差[11-13]。

4.1 大部分站点的观测数据准确性较好

接近60%站点的冻土自动观测数据与人工观测数据之间的标准偏差小于2 cm，说明冻土自动观测设备的观测数据准确性较好。经调查，冻土自动观测仪的规格为0～150 cm，人工冻土器的规格为为0～50 cm，冻土自动观测仪与人工冻土器规格不一致是影响观测数据准确性的一部分，原因是外套管中的空气存在上下热量交换，对冻结层次产生一定影响。个别站点的人工冻土器周围土壤冻结隆起或下沉，致使零厘米刻度线与地面不平齐，同样影响到观测数据准确性评价。

4.2 大部分站点观测数据一致率较好

60%以上的站点观测数据一致率在80%以上，说明大部分站点的冻土自动观测数据与人工观测数据一致性较好。经调查，有的站点观测数据一致率偏低的原因主要是冻土自动观测设备安装时间较晚，冻土自动观测仪四周的土壤未经过一定时间的沉降，与管壁之间留有空隙。建议根据设备安装维护手册的要求，在冻结期开始前1个月完成冻土自动观测仪和人工冻土器的安装，并经过一定时间的沉降，确保冻土外套管与土壤之间密贴，不让冷空气下沉到管壁与周围土壤的空隙里。

4.3 大部分站点误判均值较小

有的站点全部为正偏差或全部为负偏差，自动观测曲线与人工观测曲线基本平行，大多为设备安装不规范，外套管零厘米刻度线与地面不平齐，导致测量基准零点不一致。有的站点土壤冻结地面上升或自然沉降导致外套管零厘米刻度线与地表面不平齐，台站未及时维护，导致测量基准零点不一致，导致对比观测的冻结深度误判均值偏大。建议定期开展设备维护，发现外套管周围的地面因冻结隆起或自然沉降后，及时平整外套管四周的土壤，确保基准零点一致。

4.4 大部分站点冻融趋势一致

80%以上的站点冻融趋势较好，相关系数在0.8以上。经调查，部分站点相关系数偏小（即冻融趋势不一致）的原因是人工观测设备与自动观测设备周围积雪覆盖不同导致。人工观测踩踏了冻土人工观测设备四周积雪，融化较快，而冻土自动观测仪四周积雪覆盖较好，因积雪覆盖不同，观测到的冻土深度偏差较大，冻融趋势不一致。建议在冻土人工观测设备附近设置一个木质踏板，每天人工观测时业务人员站在踏板上，避免对踩踏设备四周积雪，确保冻土自动观测设备与人工观测设备四周积雪覆盖相同。

综上所述，大部分站点的观测数据准确性、数据一致率、误判均值、冻融趋势一致性较好，可以替代人工实现冻土自动观测。

参考文献

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