农业气象人工与自动土壤水分平行观测资料对比分析

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摘 要：本文采用对比差值和差值概率等方法对武功县2011年3月3日至2013年4月28日期间农业气象自动观测站自动传感采取的土壤相对湿度资料与同地段人工平行对比观测的土壤相对湿度资料进行统计和分析研究。结果显示： 人工观测与自动观测资料的一致性在40 cm、50 cm 土层表现最好， 在10 cm 土层表现相对最差，二者数据差异常在多雨季节大于少雨或干旱季节，并从理论上分析自动土壤水分观测与人工取土土壤水分观测存在误差的原因，为自动土壤水分观测资料的实际应用提供一种指导方法。

关键词：农业气象；土壤水分；自动监测；对比分析；观测资料

中图分类号： P412 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20151132055

引言

陕西省气象局于2010年建成72个农业气象自动土壤水分监测站，据陕气探函〔2010〕23号《关于收集2010年欲建土壤水分站站点信息的通知》武功县气象站于2010年11月建立武功作物地段（V0998）固定地段（57034）2个农业气象自动土壤水分监测站。本文对收集的2011 年3月3 日至2013年4月28 日期间人工实际观测与自动站观测的土壤相对湿度数据进行了对比分析， 为寻找人工观测与自动观测结果产生差异的原因，开发和更好利用自动站土壤水分数据提供参考依据。

1 资料来源和分析方法

资料来源是武功县国家农业气象站2011年3月3日至2013年4月28日自动站与人工对比观测期间内，土壤相对湿度数据，总共显示了5个土层的数据，即50 、40、30、20、10cm。其中，每一层均显示了土壤水分自动监测与人工观测两组数据，各包含40个有效数据序列。观测是在自然状态下进行的固定地段土壤测定，未采取过任何灌溉措施。人工取土采取定期取土模式，每旬8日为期限，进行取土，而当遇到暴雨影响观测数据时，则将其改为隔天取土，测定的方法为烘干称重法，符合气象局的农业气象观测规范要求。其土壤相对湿度计算上，利用 R= w / f c .. 100%公式，推算出土壤水分重量含水率。在这一公式内，土壤重量含水率（% ） 由其中w表示；农业田间持水量由f c表示；土壤相对湿度（%）则由R表示，得出结果取整数。

在自动站观测数据与人工观测数据的对比上，采用统计法、差值对比及差值概率等多种方法，实现对观测数据差值的具体比较分析，并推测出每层数据段差值的概率及两者见的关联性。在2方面数据的比较分析过程中，主要考虑自然状态下的土壤数据，未纳入自动观测仪器安装引起的误差，以尽可能显示出最真实的观测数据，进而提升数据可比性。

2 分析过程与结果

2. 1 自动与人工观测土壤水分差值及其概率分布情况

在土壤相对湿度上，人工观测与自动观测所得的差值，随土壤层的变化而不同。从整体上看，土层深度越深，极大差值越小。其中，在50cm处存在最小差值，10cm处存在最大差值； 在极小差值上，每一土层基本都接近1%，而在平均差值上，最小为40 cm 土层7.2%， 紧接着为50 cm 土层处的7.5% ； 平均差值的最大值为10cm 土层的37. 5%，最小值为 40 cm 土层的7.2%（ 见表1）。

通过不同数据段自动与人工观测数据的概率分布，能观察到：10 cm 土层差值在30%以内的概率基本都没有达到50%；40 cm土层差值在30%以内的概率为79.4%；50 cm 土层差值为30% 以内的概率为90. 8% ， 而出现在10%以内的50 cm 土层差值概率可达52. 2%， 出现在20%以内的概率可达74. 9% （ 表2） 。

2.2 分析

通过上述表格数据分析得出，在40cm与50cm 2个土层内，自动站与人工观测数据的一致性相对最好，而在30 cm土层而表现一般， 在10 cm土层表现相对而言最差。

3 结束语

本次研究的武功县固定地段土壤相对湿度，通过自动站观测与人工观测2种形式获取的数据资料无较大差异。其中，40 cm、50 cm 土层表现最好， 30 cm、20 cm土层次之， 10 cm土层最末。相比于人工观测 自动站观测数据受季节影响较大，在2011 年4～ 6 月内，10 cm土层的偏差明显高于其他时段。

在本文研究中，2种不同形式的观测数据排列，在每一土层都反映出较明显的相关性，且土壤含水量的变化趋势，基本上能通过多项式回归趋势反应出来。但是最好相关并没有出现在一致性表现相对较好的40 cm、50 cm土层；在少雨或干旱时段内， 人工观测与自动站观测数据基本一致， 尤其是在春季与冬季，武功通常冬、春季节降水量较少。例如，2011 年10 月上旬至11 月上旬，武功县的降水次数少，且降水量不多，。在这一阶段内，各层土壤相对湿度偏差的平均值基本都处在5% 内； 但在夏、秋两季，降水量增多，自动站观测土壤湿度常高达100%，在一定情况下上升到150% 以上， 相比于人工观测值，存在明显偏差。如2012 年6 月12日夜间强降水过后，自动站隔天测得10cm 土壤相对湿度高达150% ， 高出人工观测50%。

在一定程度上可以说明：Gstar-A型自动监测站土壤水分传感器对土壤近饱和状态下的水分表现过于敏感。

分析Gstar-A型土壤水分，出现人工观测与自动监测站观测数据资料之间差异的因素包括：取土测点的土壤水分本身差异影响到观测数据结果； Gstar-A型土壤水分人工观测与自动监测站的原理差异性，造成系统系的偏差； 自动站设备因素，造成不同季节探测资料与人工观测结果的偏差；人工操作过程中存在的失误；自动站订正值、土壤物理特性可能需要作进一步校准。

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作者简介：马鲜花（1981-），女，在职研究生，现职称：工程师，从事应用气象、气象服务和业务运行技术保障工作。