周 鹏， 杨 帅， 杨 斌， 闫利霞， 郭淑静， 张泽秀， 武铁飞

(1.廊坊市气象局，河北 廊坊 065000； 2.张家口市气象局，河北 张家口 075000； 3.霸州市气象局，河北 廊坊 065700； 4.太原市气象局，山西 太原 030082； 5.北京华创维想科技开发有限责任公司，北京 100071)

积雪直接或间接地影响农业生产，因此监测积雪深度对于农业生产具有重要意义[1-3]。积雪深度观测是国家地面气象观测站的基本观测项目之一，是指从积雪表面到地面的垂直深度[4]。目前，气象站测量积雪深度主要有人工测量和自动测量仪测量2种方法。人工测量方法，即使用量雪尺或普通米尺在气象观测场附近选定3个平整好的地段进行测量[4]。自动测量方法，根据超声波和激光测距原理采用雪深仪器进行测量[5-9]。随着气象现代化的发展，利用自动雪深仪测量积雪深度正逐渐成为一种趋势。

目前，河北省气象部门仍以人工测量方法为主，自动测量方法为辅，自动测量仪器多为超声波雪深仪。然而，有关超声波传感器测量与人工观测积雪深度的误差大小、差异原因及其影响因素的研究鲜见报道。为此，利用2014年2月至2017年12月河北省廊坊市和张家口市6个气象站超声波传感器与人工观测的雪深数据，研究2种方法测得的结果误差大小、差异性及其影响因素，以期为超声波雪深仪的应用及农业防灾减灾提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 数据来源 2014年2月至2017年12月的日平均风速(10 min平均风速)、日平均气温、日平均地温及人工观测与超声波传感器测量的雪深数据，来自张家口市的赤城、蔚县、宣化和廊坊市的香河、廊坊、霸州等6个国家气象站。风速、气温、地温和人工观测雪深数据经过河北气象信息中心质量控制，超声波传感器测量的雪深数据删除缺测和雪深仪未经校准所测量的数据(按规定每年入冬前各台站要对雪深仪的测量基准进行校准)，最终保留189个有效数据。

1.1.2 仪器 HSC-SR80A雪深监测仪，北京华创维想科技开发有限责任公司生产。

1.2 方法

1.2.1 人工测量雪深 中国气象局编制的《地面气象观测规范》[4]对人工测量雪深观测地段及测量方法等均有详细的规定，雪深值为3个观测点的平均值，单位为cm。

1.2.2 超声波传感器测量雪深

1) 观测原理。超声波雪深仪主要采用超声波作为测量信号，通过测量超声波脉冲发射和返回的时间计算出传感器探头到目标物的距离，由于传感器安装高度固定，通过连续测量即可实现对雪深的监测[8]。计算公式[10]：

D=H-Vt/2

式中，D为积雪深度；H为超声波传感器与测量基准面的距离；V为超声波在空气中的传播速度；t为超声波往返时间。

2) 观测方法。采用HSC-SR80A雪深监测仪，其核心部件是50 kHz超声波压电传感器。雪深仪工作温度为-40～50℃，测量范围为0～2 500 mm，分辨率为1 mm，每1 min输出1个雪深值，单位为mm。测雪板为大理石，长×宽×高为1 000 mm×1 000 mm×15 mm，安装高度与观测场地面齐平。由于空气温度是影响超声波传播速度的主要因素，因此，通过温度修正对超声波传播速度进行补偿，计算公式：

式中，V为超声波在空气中的传播速度；T为空气温度。

1.3 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 19.0对数据进行整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 人工观测及超声波传感器测量的雪深

从图1看出，人工观测和超声波传感器测量的雪深变化趋势一致性较好，经相关性分析，2种方法测得的雪深值相关性极显著，相关系数为0.801。超声波传感器测量，廊坊市最大雪深为3 cm，分别出现在2015年2月21日的廊坊站、2017年2月22日的霸州站和2015年2月21日的香河站；张家口市最大雪深为15 cm，出现在2015年11月6日的赤城站。人工观测，廊坊市最大雪深为5 cm，分别出现在2015年2月21日和11月23日的廊坊站；张家口市最大雪深为18 cm，出现在2015年11月6日的宣化站。2种方法测量雪深差值绝对值最大为7 cm，出现在2015年11月6日和7日的宣化站。可见，差值绝对值的最大值一般出现在雪深最大时。2种方法测量雪深，差值>0的为83个，差值为0的为60个，差值<0的为46个，差值平均为0.1 cm；差值绝对值为0 cm的占31.7%，为1 cm的占39.2%，为2 cm的占15.9%，>2 cm的仅13.2%，差值绝对值≤1 cm时，86.0%的雪深≤2 cm，差值绝对值平均为1.2 cm。差值绝对值平均值小于梁延伟等[10]的测量值，可能是由于所用超声波雪深传感器、观测方法和环境因素不同等原因所致；差值平均值小于除多等[11]的测量值，可能与仪器、环境和数据处理方法(《地面气象观测规范》规定人工观测平均雪深不足0.5 cm记为0，而除多等[11]则将微量降雪赋值为0.5 cm)等有关，2015年11月6-8日张家口市宣化站(第159～161个雪深值)人工观测和超声波传感器测量的159～161个雪深值分别为1 cm、18 cm、9 cm和8 cm、11 cm、3 cm，二者差值绝对值较大，达6～7 cm。期间该站的降水量分别是17.4 mm(20:00至次日8:00为15.1 mm、8:00-20:00为2.3 mm)、6.7 mm(20:00至次日8:00)和1 mm(20:00至次日8:00)，平均气温为-0.5℃、0.1℃和1.8℃，平均风速为3.4 m/s、1.4 m/s和1.1 m/s，平均地温为0.1℃、0.0℃和0.0℃，未出现冻土。其中，6日20:00至次日8:00出现雨夹雪。

推测：可能是由于6日测雪板温度比地面温度低(尤其是2:00-8:00气温<0℃，土壤温度均≥0℃)，此时降雪量较大而且出现雨夹雪，测雪板更容易冻结，造成测雪板雪深较厚；7-8日，气温升高积雪融化，测雪板上液态水增加及其导热率更大、热容量更小，导致融雪更快[12-13]。表明，地面温度是研究区域主要的间接影响因素，测雪板是主要的直接影响因素。

2.2 不同因素对人工观测与超声波传感器测量雪深差值绝对值的影响

风速、气温、土壤霜冻、吹雪、测雪板材质和构型等[3-6,11,14-15]均会对人工观测和超声波传感器测量的雪深差值绝对值产生影响。经相关分析，差值绝对值与气温和大风的相关性均不显著(0.053和0.056)，与地温呈极显著正相关(0.192**)，说明地面温度是研究区域的主要气象影响因素。

2.2.1 风速 从图2看出，2014年2月至2017年12月2种方法差值绝对值与平均风速呈微弱的正相关(R2=0.0028)，受风速影响很小，只有雪深和风速均较大时，风速才对2种方法差值绝对值产生影响，期间日平均风速≥4.0 m/s为16 d，而差值绝对值>3 cm仅2 d。宣化站2015年11月22日的平均风速为5.8 m/s，人工观测雪深为5 cm，超声波传感器测量雪深为6 cm，雪深差值绝对值仅1 cm，表明，风速不是影响2种方法差值绝对值的主要因素，与梁延伟等[10]研究结果不一致。可能是研究站点出现风速大且差值绝对值也大的数据极少所致。但是风速会对超声波传感器测量的雪深产生影响，如蔚县站2014年2月26日13:00-14:00时超声波雪深值出现4 min野值(40.2 cm)和41 min缺测，期间气温和地温均在0℃以上，平均风速为6.3 m/s；该站2016年11月21日2:00有降雪，风速也较大，瞬时风速达4.9 m/s，超声波测量雪深出现4 min野值(40.9 cm)和8 min缺测。出现野值和缺测现象可能是降雪过程中因吹雪引起传感器被冰或雪遮挡所致[6,10-11,14-16]。

2.2.2 气温 气温对差值绝对值的影响主要表现在2个方面：一是温度会影响超声波脉冲的行程和传感器性能，二是气温较高时导致超声波传感器滴水破坏积雪表面，使得仪器测量值失真，从而影响2种方法测量的差值[6,10]。从图3看出，2014年2月至2017年12月2种方法差值绝对值与平均气温呈微弱的正相关(R2=0.003 2)，受气温影响很小。可能原因：一是HSC-SR80A超声波传感器存在温度补偿；二是日最高气温>0℃且降雪量较大的日数很少，从而发生超声波传感器滴水破坏积雪表面的日数也少。

2.2.3 地面温度 从图4看出，2014年2月至2017年12月2种方法差值绝对值与地面温度呈正相关(R2=0.036 9)，相关趋势大于风速和气温。可能原因：人工观测和超声波雪深仪对雪深的测量面不同所致。人工观测雪深的下垫面是土壤，而超声波雪深仪测量雪深的基准面是15 mm厚的大理石板，由于不同下垫面导致雪的物理特性、土壤水热交换及其二者间的相互作用不同[12-13,15-17]，尤其在地面温度相对较高时更明显。所以，间接影响因素主要是地面温度，直接因素则为下垫面。

2.2.4 其他因素 2种方法的观测点数量不一致和测量面材质不同是影响二者差值的2个外界因素[6,10,16]。测量面材质不同则可能会导致积雪和融雪的速度等不同，从而影响差值大小。观测点数量不同势必会对2种方法差值绝对值产生影响。主要原因：超声波传感器位于观测场内，仅有1套仪器，人工观测方式是取观测场外3个相距至少10 m的观测点的平均值，即二者的观测点数量不一致；太阳辐射、大风和地表特征等局部因素不同，其通过风吹雪和融雪等影响2种方法的差值绝对值[6,10-11,14-16]。

3 结论与讨论

随着气象观测业务和气象观测设备的自动化及智能化发展，自动雪深仪将逐步代替人工观测。研究分析了人工观测与超声波传感器测量雪深及差值绝对值，探讨气温、风速、地温和其他因素对2种观测方式测量雪深的影响。研究结果表明，人工观测与超声波传感器测量雪深的变化趋势呈较好的一致性，相关性极显著，相关系数为0.801，人工观测雪深的平均值大于超声波传感器观测值得平均值，其差值绝对值平均为1.2 cm；气温、大风、地面温度和测雪板等因素对2种观测方式差值绝对值均有影响，其中地面温度为主要的间接影响因素，测雪板可能是主要的直接影响因素。

关于人工观测与超声波传感器测量雪深存在的误差。吴书成等[6]建议雪深测量基准面材质需要继续改进，并且考虑测雪板下部埋入土层20 cm以上。梁延伟等[10]建议超声波雪深仪安装地点应选择避风条件较好的区域或者采用避风措施，并且选择多点观测取其平均值。另外，为消除和避免2种观测方式存在的误差，观测员应注意2点：一是由于差值绝对值的最大值一般出现在雪深最大时，因此在任何一种测量方式雪深≥4 cm时，观测员应关注2种观测方式的数据差值，在差值绝对值>1 cm时记录2种观测方式测量的下垫面或影响因素；二是有积雪和降雪时，及时清除超声波雪深传感器上的积雪，避免其融化时对测量值产生影响。总之，为提高超声波雪深仪测量的准确性，还需进行更多的试验及对雪深传感器进行改良，同时观测员也应尽量保留原始记录和对数据进行质量控制。