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人工觀測與超聲波傳感器測量雪深的差異及其影響因素 積雪直接或間接地影響農業生產，因此監測積雪深度對于農業生產具有重要意義[13]。積雪深度觀測是國家地面氣象觀測站的基本觀測項目之一，是指從積雪表面到地面的垂直深度[4]。 目前，氣象站測量積雪深度主要有人工測量和自動測量儀測量2 種方法。人工測量方法，即使用量雪尺或普通米尺在氣象觀測場附近選定3 個平整好的地段進行測量[4]。 自動測量方法，根據超聲波和激光測距原理采用雪深儀器進行測量[59]。隨著氣象現代化的發展 ，利用自動雪深儀測量積雪深度正逐漸成為一種趨勢。 目前，河北省氣象部門仍以人工測量方法為主，自動測量方法為輔，自動測量儀器多為超聲波雪深儀 。然而，有關超聲波傳感器測量與人工觀測積雪深度的誤差大小、差異原因及其影響因素的研究鮮見報道。為此，利 用 2 014年 2 月 至 2017年 12 月河北省廊坊市和張家口市6 個氣象站超波傳感器與人工觀測的雪深數據，研 究 2 種方法測得的結果誤差大小、差異性及其影響因素，以期為超聲波雪深儀的應用及農業防災減災提供科學依據。 1 材料與方法 1.1材料日平均氣溫、日平均地溫及人工觀測與超聲波傳感器測量的雪深數據 ，來自張家口市的赤城、蔚縣、宣化和廊坊市的香河 、廊坊、霸 州 等 6 個國家氣象站。風速、氣溫、地溫和人工觀測雪深數據經過河北氣象信息中心質量控制 ，超聲波傳感器測量的雪深數據刪除缺測和雪深儀未經校準所測量的數據（按規定每年入冬前各臺站要對雪深儀的測量基準進行校準），最 終 保 留 189個有效數據。 1 . 2 方法 1.2.1 人工測量雪深中國氣象局編制的《地面氣象觀測規范》[4]對人工測量雪深觀測地段及測量方法等均有詳細的規定，雪深值為3個觀測點的平均值，單位為cm。 1.2.2 超聲波傳感器測量雪深 1 ) 觀測原理。超聲波雪深儀主要采用超聲波作為測量信號，通過測量超聲波脈沖發射和返回的時間計算出傳感器探頭到目標物的距離，由于傳感器安裝高度固定，通過連續測量即可實現對雪深的監測[8]。計算公式[w]:
式中，D 為積雪深度；H 為超聲波傳感器與測量基準面的距離;V 為超聲波在空氣中的傳播速度；f 為超聲波往返時間。 2 ) 觀測方法。采 用 H S C - S R 8 0 A 雪深監測儀，其核心部件是50 k H z 超聲波壓電傳感器。雪深儀工作溫度為一40〜 50°C，測量范圍為0〜2 500 mm，分辨率為1 mm，每 1 min輸 出 1 個雪深值，單位為mm。測雪板為大理石，長 X 寬 X 高 為 1 000 mmX1 000 m m X15 mm，安裝高度與觀測場地面齊平。由于空氣溫度是影響超聲波傳播速度的主要因素，因此，通過溫度修正對超聲波傳播速度進行補償，計算公式：
式中，V 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為空氣溫度。 1 . 3 數據處理 2 結果與分析 2 . 1 人工觀測及超聲波傳感器測量的雪深 從圖1看出，人工觀測和超聲波傳感器測量的雪深變化趨勢一致性較好，經相關性分析，2 種方法測得的雪深值相關性極顯著，相 關 系 數 為 0. 801。超聲波傳感器測量，廊 坊 市 最 大 雪 深 為 3 cm，分別出現在2015年 2 月 2 1 日的廊坊站、2017年 2 月 22日的霸州站和2015年 2 月 2 1 日的香河站；張家口市最大雪深為15 cm，出 現 在 2015年 1 1 月 6 日的赤城站。人工觀測，廊坊市最大雪深為5 cm，分別出現在2015年 2 月 2 1 日和1 1 月 2 3 日的廊坊站；張家口市最大雪深為18 cm，出現在2015年 1 1 月 6日的宣化站。2 種方法測量雪深差值絕對值最大為7 cm，出 現 在 2015年 1 1 月 6 日 和 7 日的宣化站。可見，差值絕對值的最大值一般出現在雪深最大時。2 種方法測量雪深，差值> 0 的 為 8 3 個 ，差 值 為 0 的為 6 0 個 ，差值< 0 的 為 4 6 個 ，差 值 平 均 為 0. 1 cm;差 值 絕 對 值 為 0 c m 的 占 31. 7 % ，為 1 c m 的占39. 2 % ，為 2 cm 的占 15. 9 % ，> 2 cm 的僅 13. 2 % ，差 值 絕 對 值 cm 時 ，86. 0 % 的雪深< 2 cm，差值絕對值平均為1. 2 cm。差值絕對值平均值小于梁延偉等[10]的測量值，可能是由于所用超聲波雪深傳感器、觀測方法和環境因素不同等原因所致;差值平均值小于除多等[11]的測量值，可能與儀器、環境和數據處理方法(《地面氣象觀測規范》規定人工觀測平均雪深不足〇. 5 cm 記 為 0,而除多等[11]則將微量降雪賦值為〇. 5 cm)等有關，2015年 1 1 月 6 — 8 日張家口市宣化站（第 159〜161個雪深值）人工觀測和超聲波傳感器測量的159〜161個雪深值分別為1 cm、18 cm、9 cm 和 8 cm、 l l cm、3 cm，二者差值絕對值較大，達 6〜7 cm。期間該站的降水量分別是17.4 mm(20: 00 至次日 8:00 為 15. 1 mm、8: 00 —20:00 為 2. 3 mm)、6. 7 mm(20:00 至次日 8:00)和20:00至次日8 :00)，平均氣溫為一0.5°C、0. 1°C和 1. 8°C ，平均風速為 3. 4 m/s、l . 4 m/s 和 注 :人 工 觀測及超聲波傳感器測量雪深數據為2 0 1 4 年 2 月至2 0 1 7 年 1 2 月廊坊市的前4 2 個和張家口市的第4 3 〜 1 8 9 個 。 圖 1 人工與超聲波傳感器測量的雪深及其差值絕對值 推測：可能是由于6 日測雪板溫度比地面溫度低（尤其 是 2:00 — 8:00氣溫<0°C ，土壤溫度均>0°C) ，此時降雪量較大而且出現雨夾雪，測雪板更容易凍結，造成測雪板雪深較厚;7 — 8 日，氣溫升高積雪融化，測雪板上液態水增加及其導熱率更大、熱容量更小，導致融雪更快[1213]。表 明 ，地面溫度是研究區域主要的間接影響因素，測雪板是主要的直接影響因素。 2 . 2 不同因素對人工觀測與超聲波傳感器測量深差值絕對值的影響 雪風速、氣溫、土壤霜凍、吹雪、測雪板材質和構型等[3m 15]均會對人工觀測和超聲波傳感器測量的雪深差值絕對值產生影響。經相關分析，差值絕對值 與 氣 溫 和 大 風 的 相 關 性 均 不 顯 著 （〇. 0 5 3 和0. 056)，與地溫呈極顯著正相關（0. 192〃 ），說明地面溫度是研究區域的主要氣象影響因素。 2.2.1 風速 從圖2看出，2014年 2 月 至 2017年1 2 月 2 種方法差值絕對值與平均風速呈微弱的正相關CR2=〇. 0028)，受風速影響很小，只有雪深和風速均較大時，風 速 才 對 2 種方法差值絕對值產生影響，期間日平均風速>4.0 m/s為 16 d，而差值絕對值> 3 cm 僅 2 d。宣 化 站 2015年 1 1 月 2 2 日的平均風速為5. 8 m/s，人工觀測雪深為5 cm，超聲波傳感器測量雪深為6 cm，雪 深 差 值 絕 對 值 僅 1 cm，表明，風速不是影響2 種方法差值絕對值的主要因素 ，與梁延偉等[1()]研究結果不一致。可能是研究站點出現風速大且差值絕對值也大的數據極少所致。但是風速會對超聲波傳感器測量的雪深產生影響，如蔚縣站2014年 2 月 2 6 日 13:00 —14:00時超聲波 雪深值出現4 m in野 值 （40. 2 cm)和 41 m in缺測 ，期 間 氣 溫 和 地 溫 均 在 〇°C 以 上 ，平 均 風 速 為6. 3 m/s ;該 站 2016年 1 1 月 2 1 日 2:00有降雪，風速也較大，瞬時風速達4. 9 m/s ，超聲波測量雪深出
圖 2 2014年2月至2017年12月雪深差值絕對值與平均風速的關系 2.2.2 氣溫氣溫對差值絕對值的影響 主要表現在 2 個方面:一是溫度會影響超聲波脈沖的行程和傳感器性能，二是氣溫較高時導致超聲波傳感器滴水破壞積雪表面，使得儀器測量值失真，從 而 影 響 2種 方 法 測 量 的 差 值 。從 圖 3 看 出 ，2014年 2 月至 2017年 1 2 月 2 種方法差值絕對值與平均氣溫呈微弱的正相關CR2=〇. 003 2)，受氣溫影響很小。可能原因：一 是 HSC-SR80A 超聲波傳感器存在溫度補償;二是日最高氣溫>〇°C且降雪量較大的日數很少 ，從而發生超聲波傳感器滴水破壞積雪表面的日數也少。
圖 3 2014年 2 月 至 2017年 12月 雪 深 差 值 絕 對 值 與 平 均氣 溫 的 關 系 2.2.3 地面溫度從圖4看出，2014年 2 月至2017年 1 2 月 2 種方法差值絕對值與地面溫度呈正相關CR2=〇. 036 9)，相關趨勢大于風速和氣溫。可能原因：人工觀測和超聲波雪深儀對雪深的測量面不同所致。人工觀測雪深的下墊面是土壤，而超聲波雪深儀測量雪深的基準面是15 m m 厚的大理石板 ，由于不同下墊面導致雪的物理特性、土壤水熱交換及其二者間的相互作用不同，尤其在地面溫度相對較高時更明顯。所 以 ，間接影響因素主要是地面溫度，直接因素則為下墊面。
2.2.4 其他因素2 種方法的觀測點數量不一致和測量面材質不同是影響二者差值的2 個外界因素。測量面材質不同則可能會導致積雪和融雪的速度等不同，從而影響差值大小。觀測點數量不同勢必會對2 種方法差值絕對值產生影響。主要原因：超聲波傳感器位于觀測場內，僅 有 1 套儀 器 ，人工觀測方式是取觀測場外3 個 相 距 至 少 10 m 的觀測點的平均值，即二者的觀測點數量不一致;太陽輻射、大風和地表特征等局部因素不同，其通過風吹雪和融雪等影響2 種 方 法 的 差 值 絕 對 值 。 3 結論與討論 關于人工觀測與超聲波傳感器測量雪深存在的誤差。吳書成等[6]建議雪深測量基準面材質需要繼續改進，并且考慮測雪板下部埋入土層20 cm 以上。梁延偉等[10]建議超聲波雪深儀安裝地點應選擇避風條件較好的區域或者采用避風措施，并且選擇多點觀測取其平均值。另 外 ，為 消 除 和 避 免 2 種觀測方式存在的誤差，觀測員應注意2 點 ：一是由于差值絕對值的最大值一般出現在雪深最大時，因此在任何一種測量方式雪深> 4 cm 時 ，觀測員應關注2 種觀測方式的數據差值，在差值絕對值> 1 cm 時記錄2 種觀測方式測量的下墊面或影響因素；二是有積雪和降雪時，及時清除超聲波雪深傳感器上的積雪，避免其融化時對測量值產生影響。總之，為提高超聲波雪深儀測量的準確性，還需進行更多的試驗及對雪深傳感器進行改良，同時觀測員也應盡量保留原始記錄和對數據進行質量控制。 |
