深层地温传感器检定维护及数据对比分析

2020-03-16王延东邬昀孙志娟

现代农业科技 2020年2期

王延东　邬昀　孙志娟

摘要本文对谷城县国家基本气象观测站检定过程中发现的备份站深层地温套管内积水问题进行了处理，对深层地温温度传感器进行了周期检定，并对检定前后的深层地温数据进行了对比分析。结果表明，备份站深层地温80、320 cm套管积水主要是由于降水引起的，套管内积水会引发深层地温数据异常偏高，其中80 cm深层地温偏高13.21 ℃，320 cm深层地温偏高13.18 ℃。在对积水进行处理后，备份站深层地温恢复正常，两站深层地温数据一致性较好。同时，为了确保深层地温传感器的正常运行和观测数据的准确可靠，应按照规定的时间进行周期检定和维护工作，尤其要做好日常维护和降水后检查深层地温进水情况。

关键词自动气象站;深层地温;传感器检定;套管积水

中图分类号 P414.5 文献标识码 A

文章编号 1007-5739（2020）02-0185-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract This article dealt with the problem of water accumulation in the deep ground temperature casing at the backup station of the National Basic Meteorological Observation Station of Gucheng County.The deep ground temperature sensor was periodically checked，and the deep ground temperature data before and after the verification were compared and analyzed.The results showed that the water accumulation in the casing of 80 cm and 320 cm was mainly caused by precipitation.The water accumulation in the casing causing abnormal high ground temperature data in the deep layer，the ground temperature was 13.21 ℃ higher than normal in the 80 cm and 13.18 ℃ higher in the 320 cm.After the treatment of the accumulated water，the deep ground temperature of the backup station returned to normal，the data of the two stations had good consistency.At the same time，in order to ensure the normal operation of the deep ground temperature sensor and the accurate and reliable observation data，periodic verification and maintenance should be carried out according to the prescribed time，especially the daily maintenance and inspection of deep ground temperature water intake after precipitation.

Key words automatic weather station;deep ground temperature;sensor verification;casing water

随着科学技术的不断发展和气象现代化建设的不断投入，我国已基本实现了地面气象观测的自动化或半自动化，提高了地面气象观测的质量和效率。目前，湖北省已建成80多个国家级自动气象站和2 500多个区域自動气象站，形成了较为完善的气象观测网。

自动气象站观测设备由于长期暴露在空气、雨雪、土壤中，周围环境变化剧烈，容易发生故障，影响观测质量[1-3]。其中，深层地温传感器发生故障及异常尤为突出。许多气象工作者对这些问题进行了研究，成喜良[4]对采集器接地不规范引起的深层地温传感器故障进行了总结;任丽梅等[5]针对梅河口市气象站深层地温传感器采集数据出现间歇性故障进行了分析处理;张运洲等[6]运用电阻测量法和数据分析法对铂电阻温度传感器的故障进行了分析;曾涛等[7]从电磁干扰角度入手分析了自动气象站温度传感器的常见故障，更多的气象工作者从传感器性能老化、设备故障及观测场地形、土壤方面进行分析[8-10]。从套管积水方面入手的研究比较少，对由积水引起的深层地温数据异常的研究也处于空白。

1 故障排查

根据《中华人民共和国计量法》《中华人民共和国气象法》和《JJG（气象）002—2015自动气象站铂电阻温度传感器》[11]（以下简称：检定规程）的要求，每2年对温度传感器进行1次周期检定，以保证气象数据的准确性。本文对襄阳市谷城县国家基本气象观测站深层地温传感器套管内积水问题进行了处理，并对检定前后的观测数据进行对比分析，以确定深层地温套管内积水对观测数据的影响。

1.1 资料来源

为了确定深层地温套管内积水对观测数据质量的影响，选取2套自动站2018年5月1—25日期间逐小时的深层地温数据。其中，检定前对比时间为5月1—12日，检定后的对比时间为5月14—25日，13日对地温传感器进行检定及积水处理，不进行数据对比，各深度层分别为40、80、160、320 cm。同时，为了确认降水与套管积水的关系，还调用了5月1—25日的日累计降水量。

1.2 故障现象

故障地点为湖北省襄阳市谷城县国家基本气象观测站，该站主要有2套观测系统，在用站型号为DZZ5，备份站型号为ZQZ-CⅡ。在检定过程中存在的主要问题是备份站80、320 cm深层地温套管内严重积水，在对木杆插拔过程中有水从套管内溢出，且备份站数据存在异常偏高问题。

1.3 原因分析

深層地温套管内积水多为观测场场地造成的，场地不平整及植被覆盖不均匀，容易造成部分地方积水，使观测数据异常[12];场地土壤成分复杂，有石块等杂质也会引起套管内积水;或者地温传感器安装不当，套管与地下土层贴合不好，有空隙，这种情况建议重新安装，并用质地均匀的细土进行填充;可能是套管口防水效果不好，雨水从套管口流入套管内，或者是套管有破损，雨水从土壤渗入套管内。

1.4 故障排除

深层地温套管内积水会导致观测数据不具备代表性，要将积水清理干净，用一根头部绑敷棉花或海绵的细竹竿插入管内将水吸出，反复多次进行，直至将套管内的积水吸干。同时，对套管口做好防水措施，比如在提环上扣上塑料瓶。如果发现深层套管内频繁积水，则需要检查是套管口进水还是套管破损，如果是套管破损，则需要更换新管。

1.5 温度传感器现场检定

根据检定规程要求，深层地温传感器现场检定设备采用RTC-158B型温度校准仪，使用无水乙醇作为控温介质，设备波动度为0.015 ℃/30 min，均匀度为0.015 ℃。标准器采用RCY-1A型二等标准铂电阻，设备具体性能参数见表1。

选取-10、0、20、50 ℃共4个温度作为检定点，采用比较法的方式，将标准温度计和备份站ZQZ-CⅡ深层地温传感器插入到控温介质中，使被检温度传感器和标准温度计在同一温度环境下进行测温，并将测量得到的数据进行对比，结果见表2。可以看出，在-10 ℃检定点最大误差绝对值为0.1 ℃，在0、20、50 ℃检定点最大误差绝对值为0.2 ℃，均小于规定的最大允许误差±0.3 ℃。由此表明，4支温度传感器符合检定规程要求，性能良好，备份站深层地温数据异常与温度传感器无关，其数据异常是套管内积水引起的。

2 数据对比分析

2.1 方法

本文主要采用分析方法，利用气候统计学中的差值平均值、超差率、相关系数，对两站深层地温观测数据进行对比分析[13-15]。

2.2 结果分析

由于将在用站和备份站数据按照同一日期进行比较才有意义，故备份站所缺测的数据不做分析。在用站有效样本数为1 152个（缺测率为0），备份站80 cm深层地温由于采集器故障造成5月21—25日数据缺测，总有效样本数为1 032个（缺测率为10.42%）。40 cm深层，检定前两站地温一致性好，相关系数高达0.976 5，备份站比在用站平均高0.009 4 ℃。检定后，两站地温变化基本一致，但是由于备份站5月25日的数据异常，出现了较高的超差率，为27.43%，检定后两站的相关系数也比较低，为0.201 6。80 cm深层，由于套管内积水使备份站与在用站的差值均值为6.742 0，超差率为52.43%，致使相关系数也很低，为0.682 4，检定后，超差率降低为21.43%，相关系数提高为0.748 1。160 cm深层，检定前后变化不大，两站地温一致性强，超差率为0，相关系数均高达0.99以上。320 cm深层，检定前备份站地温长期异常偏高，差值均值为13.238 2，超差率为100%，经过检定及处理积水后，数据恢复正常，两站差值均值为-0.236 4，超差率为0，相关系数也恢复至正常水平，为0.933 9（表3）。

为了确定套管内积水与降水的关系，用备份站与在用站地温温度差值与日累计降水量进行了对比分析（图1），深层地温处于地下深处，周围环境比较稳定，温度日变化不大[16]，因而选取8：00数据作为当日的温度代表值。40 cm深层，检定前后两站地温差值比较小，由于25日的降水，现场维护发现备份站地温套管内发生了积水，使得40 cm数据异常偏高15.5 ℃，这也是检定后两站数据相关系数较低的原因，见图1（a）。80 cm深层，由于6日的降水导致套管内积水，使得备份站地温异常偏高，差值平均值为12.87 ℃，13日经过检定及处理积水后，数据恢复正常，两站数据差值平均值为0.14 ℃，在经过17日、18日的降水后，发现备份站地温套管积水，数据持续异常，两站数据差值平均值为14.25 ℃，之后由于采集器故障，数据缺测。2次降水都会引起套管内积水并导致温度异常偏高，说明80 cm深层地温数据异常偏高与降水导致的套管积水有较好的对应关系，其套管内反复积水，有可能是套管破损，建议进行更换，见图1（b）。160 cm深层，检定前后两站数据一致性较好，降水对两站数据影响不大，日地温平均差值为0.12 ℃，见图1（c）。320 cm深层，备份站由于持续受积水的影响，使其测得的温度值长期异常偏高，其数值比较稳定，与在用站相比平均高13.18 ℃，由于5月6日的降水，套管内有温度高于积水温度的雨水注入，备份站与在用站的差值增加至15.5 ℃，随着积水温度的降低，7日又减小至12.8 ℃，降至平均值左右，说明320 cm深层地温异常与降水导致的套管积水有较好的对应关系。在检定及维护处理后，两站地温数据一致性很高，平均差值为0.22 ℃，经过数次降水天气后没有出现异常值，说明其防水措施取得了较好的效果，见图1（d）。

3 结论

（1）通过对备份站ZQZ-CⅡ深层地温传感器的现场检定，得出的检定数据符合检定规程的要求，深层地温传感器性能良好，其数据异常与温度传感器无关，是由套管内积水引起。

（2）通过对日降水量与两站深层地温差值的分析和现场检查，确定谷城县国家基本气象观测站备份站ZQZ-CⅡ深层地温套管内积水主要是由降水引起的，在用站DZZ5深层地温没有发生进水现象，其防水措施要优于备份站深层地温。备份站80 cm深层地温反复积水，有可能是套管破损，导致雨水从裂缝处流进套管，建议进行更换;320 cm深层地温排除积水后并在提环上扣上塑料瓶后，防水性能得到提高，深层地温数据恢复了正常。

（3）经过对深层地温温度传感器的现场检定及检定前后两站深层地温数据对比分析，确定备份站ZQZ-CⅡ深层地温80、320 cm套管内积水会引发数据异常偏高，且其數据异常偏高与降水导致的套管内积水有较好的对应关系，其中80 cm偏高13.21 ℃，320 cm偏高13.18 ℃。

（4）为了确保深层地温的正常运行和观测数据的准确可靠，应按照规定的时间进行周期检定和相关维护工作，尤其是要做好日常维护和降水后检查深层地温进水情况。

4 展望

本文对气象观测站由套管积水引起的深层地温传感器故障进行了分析，提出了保障建议，并阐明了定期进行检定和维护工作的必要性。通过对深层地温数据和降水资料进行分析，发现深层地温数据异常偏高与降水引起的套管内积水有较好的对应关系，由于使用的分析数据有限，所得到的由降水引起的深层地温数据偏高结论具有一定的局限性，后期需要对更多的数据进行统计分析，以得到更有代表性的结论。

5 参考文献

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