AG 2.0型超声波蒸发数据质量控制分析

摘要 为了推进蒸发自动化观测进程，掌握AG 2.0型超声波蒸发传感器的观测性能，按照有、无降水及降水过程强度，依照阜新县气象观测站2013年夏、秋季的观测数据的统计结果，对AG 2.0型超声波蒸发传感器的观测数据与理论蒸发量（彭曼-蒙蒂斯公式）软件的计算结果进行比较分析。结果表明：在无降水日和小雨日，两者数据的差值大部分在理论范围之内；在中雨和大雨时，两者数据的绝对差值较大，有待于进一步试验与研究。

关键词 AG 2.0型超声波蒸发传感器；理论蒸发量；数据比较；质量控制

中图分类号 P414 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）06-0204-02

蒸发是水平衡的重要组成部分，是水循环中最直接受土地利用和气候变化影响的一项，对气候变化起到调节作用。蒸发量是地面气象观测中的重要项目之一。AG 2.0型超声波蒸发传感器可以实现自动化观测，有利于提高蒸发观测的准确性、连续性、稳定性，为气象防灾减灾、为农服务和科学研究等提供重要基础资料。因此，开发理论蒸发量软件，通过理论蒸发量计算与蒸发传感器的观测数据对比分析，对于AG 2.0型超声波蒸发传感器的蒸发观测数据质量监控具有必要性和直接的现实意义，可减少因某些原因所造成的观测数据可用率低和仪器故障发现时间晚等现象。本文运用理论蒸发量（彭曼-蒙蒂斯公式[1]）软件对2013年6―9月阜新县观测站蒸发理论数据和业务用AG 2.0型超声波蒸发传感器的观测数据进行比对分析。

1 软件计算公式和蒸发传感器原理

1.1 软件计算公式

理论蒸发量软件是根据彭曼公式的改进型公式[2-3]编写的，公式原型为：

E0=？驻/（？驻+γ）[Ra（1-r）（0.29cos？椎+0.52n/N）]-？驻/（？驻+γ）[δTa4（0.10+0.90n/N）（0.56-0.08ed1/2）]+γ/（？v+γ）[0.26（1+h/20 000）（1+u/100）（ea-ed）]

对软件计算数据和自动站数据对比的结果给出3种提示：理论范围之内（差值≤1.0）、理论范围有偏差（1.01.5）。

1.2 蒸发传感器原理

AG 2.0型超声波蒸发传感器是由大型蒸发器加装超声波传感器组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对大型蒸发器内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出，并配置温度校准部分，以保证测量精度[4]。

2 蒸发观测数据分析

理论蒸发量由软件自动读取自动站B文件计算求得，自动站蒸发量数据系AG 2.0超声波蒸发传感器观测数据。根据有无降水和降水过程强度进行数据比对分析，其中有无降水情况分为有日照和全天无日照2种情况；降水强度分为小雨（0.1～9.9 mm）、中大雨（10.0 mm及以上）2种情况。

2.1 无降水有日照情况

在82 d无降水有日照的天气情况中，有54 d误差值在理论范围内，有20 d误差值和理论范围有偏差，有8 d误差值和理论范围偏差较大。选取27次误差≤0.5 mm的数据进行比较（表1）。对28 d误差超过理论范围内的气象资料数据分析可以发现蒸发传感器数据受风速、气温、日照等影响，有个别小时蒸发数据为疑误。考虑到相关因素影响，可认为理论蒸发软件对蒸发数据的质量监控有重要的参考价值，发现AG 2.0超声波蒸发传感器在个别时次采集的数据存在疑误现象。

2.2 无降水无日照情况

在7 d无降水无日照中，理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器所得数据比较见表2。从表中可以看出，7 d无降水无日照的蒸发绝对误差都在理论范围内，但是通过对差值较大的6月5日、7月7日和9月17日3 d气温、风速和相对湿度的等因素对蒸发传感器小时数据较大，由于理论蒸发软件所用数据多为平均值，故两者偏差大属于合理现象。

2.3 小雨天情况

在22 d小雨天气情况中，理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器数据比较见表3。可以看出，其中有73%的绝对误差保持在理论蒸发范围内，另有6次蒸发差值偏大。分析数据表明，此6 d中，有短时降水大、降水时段风速较大、降水时段蒸发传感器可能有部分数据疑误等原因，对数据对比都有一定影响。

2.4 中大雨天情况

在6 d中大雨天气情况中，理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器数据比较见表4。可以看出，有3 d绝对误差在理论蒸发范围内，另有2 d理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器的数据绝对误差较高。

3 测量误差分析

在本文对比的所有蒸发数据中，按照无降水和有降水进行分类分析，则在117 d对比分析日中，有89 d无雨，有28 d有雨。在89 d无雨日中，有61 d两者的绝对误差在蒸发软件的理论范围内；有20 d两者绝对误差与理论范围有偏差，其中有8 d两者绝对误差与理论范围偏差较大（表5）。在28 d有雨日中，有19 d两者的绝对误差在蒸发软件的理论范围内；有5 d两者绝对误差与理论范围有偏差，其中有4 d两者绝对误差与理论范围偏差较大。

对89 d无雨日中不在理论范围内的28 d数据进行研究分析，可初步判定为理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器对比数据受日照、风速、温度和相对湿度等因素影响较大。理论蒸发软件计算的日蒸发量一般根据1 d的平均数值、日极值和日合计值计算求得，蒸发传感器所测得日蒸发量是由各小时蒸发量累计而得；不同的运算机制也对数据的对比起到一定的影响；蒸发传感器采集的部分小时蒸发数据为疑误数据，也一定程度影响数据的对比。

对28 d有雨日中不在理论范围内的9 d数据进行研究分析，可初步判定为理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器对比数据的绝对误差受降水、风速、日照、相对湿度、气度及地温等影响，尤其短时强降水和风速很大的情况可以造成水面波动、溅水等现象[5]，从而影响蒸发传感器采集数据的准确度。蒸发传感器采集的部分小时蒸发数据为疑误数据，也在一定程度上影响对比数据的差异。

由上述分析可知，理论蒸发软件与蒸发传感器数据的绝对误差大部分都在理论范围内，能满足日常工作中蒸发数据质量的监控和检查。绝对误差偏大的情况有以下几方面：一是降水、风速、日照、温度及相对湿度等气象要素影响，这种影响占主要部分；二是蒸发传感器采集的部分小时蒸发数据为疑误数据，影响了对比结果；三是选取不同公式、不同算法、不同统计模式都可能影响对比数据，但这种影响较小[6]。

4 结论

本文通过对理论蒸发量计算和蒸发传感器的观测数据进行对比分析，发现在无降水日和小雨日理论蒸发软件与AG 2.0超声波蒸发传感器的数据差值大部分在理论范围之内；在中雨和大雨时，两者数据的绝对差值较大。同时，AG 2.0超声波蒸发传感器在短时强降水、大风等天气时数据偏大，并且个别时次存在数据疑误现象。考虑到计算模式和统计模式的不同，初步推断两者的绝对误差与各个气象因子对蒸发量影响的比重有关，或由于蒸发传感器采集的部分小时蒸发数据为疑误数据所致，具体原因有待进一步分析。

5 参考文献

[1] 闶骞.彭曼公式应用中的两个问题的探讨[J].气象，1992（11）：17-21.

[2] 闶骞.利用彭曼公式预测水面蒸发量[J].水利水电科技进展，2001，21（1）：37-39.

[3] 于正东，史学正.我国土壤水分状况的估算[J].自然资源学报，1998，13（3）：229-233.

[4] 中国气象局政策法规司.气象行业标准汇编[M].1版，北京：气象出版社，2007：139-143.

[5] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2011：64-67.

[6] 中国气象局.气象仪器和观测方法指南[M].北京：气象出版社，2011.