治多县冻土人工观测与自动观测数据对比分析研究

摘要：冻土观测是中国气象局统一布局观测项目,是气象服务的一个重要要素，观测所获数据对于服务农业气象方面、预报气象灾害方面以及研究气候环境变化方面等领域均具有重要的作用。随着气候监测、农业生产、建筑规划设计以及环境监测等领域对冻土观测数据的需求不断增长，传统观测设备和方法已难以满足对高精度数据的要求，也无法适应现代气象观测向自动化、高精度发展的趋势。鉴于此，本研究旨在通过对比分析青海省玉树藏族自治州治多国家基本气象站的观测数据，客观评估冻土自动观测仪的性能及其在实际业务中的适用性。研究结果将为未来优化冻土自动观测仪的算法提供重要参考。

关键词：冻土；人工观测；自动观测；对比

引言

冻土是指因温度降至0℃或以下，导致土壤中水分冻结形成的状态。传统的冻土观测方法主要依赖人工操作，使用达尼林冻土器，每日手动将深达数米的注水软管提出地面，通过触摸判断管内水的冻结情况，从而确定冻土的层次和深度。然而，这种人工观测方式存在诸多挑战：它劳动强度大，软管在提取和触摸过程中容易损坏，并且观测结果易受观测人员主观判断的影响，导致数据存在人为误差。为了满足现代气象预报和服务对高精度、性能稳定、易于维护的冻土观测数据的需求，有关机构于2020年末开始在设有冻土观测任务的气象站点安装不同型号的自动化观测设备。自2021年1月1日起，这些站点正式开展了自动观测与人工观测的平行对比。初步结果显示，自动观测和人工观测在冻结深度和冻融日期上存在显著差异，数据一致性有待提高。因此，对这两种观测方式的冻土深度数据进行进一步的对比分析显得尤为必要。

1.资料与方法

资料来源于青海省玉树州治多国家基本气象站2021-2024年逐日自动与人工冻土对比观测数据。主要运用相关性分析、线性趋势分析、偏差值分析等统计方法进行分析研究。

2.研究内容

2.1平行观测数据趋势分析

根据治多国家基本气象站冻土人工观测（TB1-1型冻土器）和自动观测（DTD5型冻土自动观测仪）资料显示，2021—2022年冻土层出现于2021年10月16日，于2022年5月31日全部融化。

人工观测冻土期188d，自动观测冻土期228d较人工观测多40d；人工观测最大冻土出现在2022年3月9日，最大冻土深度为177cm，自动观测最大冻土出现在2022年2月14日，最大冻土深度为147cm，出现时间较人工观测提前23d，最大冻土深度相差30cm。冻土期开始后，人工观测与自动观测均有6d无冻土。从2021—2022年冻土期平行观测数据趋势来看，自动观测与人工观测第一层下限值数据趋势基本一致，第一层上限值数据在冻土融化期出现较为明显的分歧，原因与冻土融化期出现分层现象相关。

2022—2023年冻土层出现于2022年10月17日，于2023年4月22日全部融化。人工观测冻土期187d，自动观测冻土期178d较人工观测少9d；人工观测最大冻土出现在2023年2月26日，最大冻土深度为149cm，自动观测最大冻土出现在2023年2月18日，最大冻土深度为142cm，出现时间较人工观测提前7d，最大冻土深度相差7cm。冻土期开始后，人工观测5d无冻土。从2022—2023年冻土期平行观测数据趋势来看，自动观测与人工观测第一层下限值数据趋势基本一致，第一层上限值数据在冻土融化期出现较为明显的分歧。

2023—2024年冻土层出现于2023年10月21日，于2024年4月30日全部融化。人工观测冻土期190d，自动观测冻土期192d较人工观测多2d；人工观测最大冻土出现在2024年3月1日，最大冻土深度为160cm，自动观测最大冻土出现在2024年2月26日，最大冻土深度为146cm，出现时间较人工观测提前4d，最大冻土深度相差14cm。冻土期开始后，人工观测6d无冻土，自动观测4d无冻土。从2023—2024年冻土期平行观测数据趋势来看，自动观测与人工观测第一层下限值数据趋势基本一致，第一层上限值数据在冻土融化期出现较为明显的分歧。

2.2平行观测数据差异性分析

2.2.1冻结前期

在冻结前期,冻土白天融化,夜晚冻结。2021年至2022年治多国家基本气象站冻土冻结前期为2021年10月16日至11月7日，共计23d,人工观测有6d无冻土。冻土深度第一层下限偏差均在5cm以内，均值为-2.1cm。

2022年至2023年治多国家基本气象站冻土冻结前期为2022年10月17日至11月18日，共计33d,人工观测有5d无冻土。冻土深度第一层下限偏差均在5cm以内，均值为-0.9cm。

2023年至2024年治多国家基本气象站冻土冻结前期为2023年10月21日至11月9日，共计20d,人工观测有3d无冻土，自动观测有4d无冻土。冻土深度第一层下限偏差均在5cm以内，均值为-0.9cm。

2.2.2冻结期

按照业务规定,当冻土深度稳定达到10cm后进入冻结期。2021年至2022年治多国家基本气象站冻结期为2021年11月8日至2022年3月9日，共计122d,其中冻土深度第一层下限偏差值≤5cm的天数为75d,偏差值≤10cm的天数为7d,偏差值＞10cm的天数为30d。冻土深度第一层下限偏差平均值为-7.6cm。

2022年至2023年治多国家基本气象站冻结期为2022年11月19日至2023年2月28月，共计102d。其中冻土深度第一层下限偏差值≤5cm的天数为79d,偏差值≤10cm的天数为23d。冻土深度第一层下限偏差平均值-0.2cm。

2023年至2024年治多国家基本气象站冻结期为2023年11月10日至2024年3月9月，共计121d。其中冻土深度第一层下限偏差值≤5cm的天数为43d,偏差值≤10cm的天数为18d，偏差值＞10cm的天数为57d。冻土深度第一层下限偏差平均值-11.8cm。

2.2.3融化期

2021年至2022年治多国家基本气象站冻土融化期为2022年3月10日至5月31日，共计83d。人工观测有38d无冻土，由于融化期冻土分层明显,故作第一层上下限偏差值分析。第一层上限绝对偏差平均值-2.6cm，第一层下限绝对偏差平均值-26.9cm。

2022年至2023年治多国家基本气象站冻土冻结前期为2023年3月1日至4月22日，共计53d。自动观测有10d无冻土，由于融化期冻土分层明显,故作第一层上下限偏差值分析。第一层上限绝对偏差平均值-37.8cm，第一层下限绝对偏差平均值-5.1cm。

2023年至2024年治多国家基本气象站冻土融化期为2024年3月10日至4月30日，共计52d。人工观测有3d无冻土，由于融化期冻土分层明显,故作第一层上下限偏差值分析。第一层上限绝对偏差平均值-25.4cm，第一层下限绝对偏差平均值-17.4cm。

2.3冻土人工观测与自动观测数据相关性分析

运用Pearson相关性分析方法，用于衡量人工观测与自动观测数据之间的线性关系强度和方向。基于协方差的概念，通过计算两个变量的协方差除以它们各自的标准差的乘积，得到一个范围在-1到1之间的相关系数。定义人工观测数据为X变量集，自动观测数据为Y变量集。

Pearson相关系数（r）的计算公式为：

r=cov(X,Y)/(σX*σY)

其中cov(X, Y)表示X和Y的协方差，σX和σY表示X和Y的标准差。相关系数的取值范围在-1到1之间，当r>0时表示正相关，r<0时表示负相关，r=0时表示无相关关系。相关系数大于0.7或小于-0.7被认为是强相关，0.4到0.7或-0.4到-0.7之间被认为是中等相关，0到0.4或-0到-0.4之间被认为是弱相关（图1）。

图1冻土人工观测与自动观测数据相关性系数对比

根据Pearson相关性分析，2021—2024年治多国家基本气象观测站冻土人工观测与自动观测数据呈现显著的正相关关系，其中2023—2024年观测数据相关性最强，相关系数为0.954，2022—2023年观测数据相关性偏弱，相关系数为0.839。

从2021—2024年冻土冻结的三个时期分时段来看，冻土自动观测与人工观测数据冻结期相关性更强，而融化期相关性偏弱。

2.5冻土平行观测期间可能存在的问题

2.5.1 1.0cm刻度线不准确或外套管周围土壤密实度不够

台站安装时间较短，土壤较松弛，对地下岩石层采用开挖后填埋的方式安装，土壤沉降导致0cm刻度线不准确，导致冻土仪外套管周围土壤密实度与人工冻土器不同，观测数据准确性和一致性降低。

2.5.2冻土仪和冻土器周围环境不同

台站人工冻土器外敷设了一个金属套管，导致外套管内温度环境与实际偏差较大；冻土仪受周边障碍物遮挡，和人工冻土器相比环境明显不同；人工冻土器外套管不符合规定的50cm要求；人工冻土器附近由其他设备水泥底座，导致土壤温度环境与实际不符，均导致冻土观测序列差异大。

2.5.3部分型号的冻土仪观测数据准确性有待进一步提升

DTD5型冻土仪的观测数据准确性不足60%，设备在非冻结期仍然输出冻土数据，需进一步核查是否存在设备故障。

2.5.4台站提升冻土观测数据分析研判能力

台站对冻土数据分析研判能力不足，如冻土观测设备故障，土壤冻结深度与地温变化明显存在不符现象。

2.6冻土平行观测建议

2.6.1台站开展设备检查

冻结期开始前2个月，检查并调整冻土仪或冻土器外套管0cm刻度线与地面平齐，外套管与土壤之间贴合紧密，不得留有空隙；如设备沉降导致0cm刻度线不准确，需及时进行调整。冻土器或冻土仪受周围物体遮挡导致长期处于背阴地带的台站需对设备进行调整。

2.6.2厂家在优化完善设备

厂家需对冻土仪观测层数较人工冻土器观测层数明显偏多的设备需进一步优化算法，降低误判均值。对观测数据准确性偏低的设备需进行设备性能核查，持续优化完善设备性能。

2.6.3加强观测人员业务培训

冻结期开始前需按照设备特点更换测量介质，做好设备使用前的检查维护工作。在设备生产厂家的配合下进一步开业务培训，让基层业务人员了解设备工作原理，提高设备故障研判和数据分析能力，提升设备维护能力。

3.结论

通过对2021—2024年治多国家基本气象观测站的冻土人工观测与自动观测数据进行分析,得出以下结论:

（1）冻土期平行观测数据趋势来看，自动观测与人工观测第一层下限值数据趋势基本一致，第一层上限值数据在冻土融化期出现较为明显的分歧，原因与冻土融化期出现分层现象相关。

（2）从冻土层基本特征来看，2021—2024年治多国家基本气象站冻土层出现时间均在每年10月中下旬，人工观测最大冻土深度较自动观测深7—30cm,最大冻土出现时间较自动观测晚2—23d。

（3）从冻土平行观测数据差异性分析来看，2021—2024年治多国家基本气象站冻结前期自动观测与人工观测冻土深度第一层下限偏差平均值均在5cm以内，冻结期冻土深度第一层下限偏差值在-11.8—-0.2cm之间，融化期冻土深度第一层上限绝对偏差平均值在-37.8—-2.6cm之间，第一层下限绝对偏差平均值在-26.9—-5.1cm之间。

（4）从Pearson相关性分析来看，2021—2024年治多国家基本气象站人工观测与自动观测数据呈现显著的正相关关系，相关系数在0.839—0.954之间，其中2023—2024年观测数据相关性最强，—2023年观测数据相关性偏弱。分时段来看，冻土自动观测与人工观测数据冻结期相关性更强，而融化期相关性偏弱。

参考文献

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作者简介：金庆发（1998.12），男，汉，青海省海东市化隆回族自治县，本科，助理工程师，研究方向：气象信息技术。

*通讯作者:祁继桂（1997.05），女，汉族，青海平安人，本科，助理工程师，研究方向：综合气象业务。