浅层地温传感器检定更换方法的改进研究

    毛佩柱 毛智政 沈鹿鸣 吴杰

    

    

    

    摘 要：地温观测是气象观测项目之一，地温观测中的20cm以上土壤层的地温称为浅层地温。因工作中传感器检定的需要，更换地温传感器而开挖土层，破坏原有的土壤温度状态，通过观测发现影响最为显著的是15cm和20cm地温，更换传感器后温度差异达到约1.8℃，土壤温度平衡时间较长，对浅层地温的观测数据产生较长时间的数据缺测。针对工作中的实际问题，通过实验改进了浅层地温支架和传感器更换方法，采用后置锁扣，使检定更换后的土壤保持接近自然状态下的土壤温度环境，更换后温度差异约0.5℃，为可用数据范围，土壤温度平衡时间缩短到15分钟，确保了观测数据的完整性。通过研究浅层地温检定更换中的方法改进，大大缩短了浅层地温传感器在检定更换和日常设备更换中的时间，使工作效率大大提高，对气象探测数据的连续性准确性的提高具有积极意义。

    关键词：浅层地温;土壤导热率;地温传感器;检定更换

    1 地温观测和检定更换的方法

    地温是指地表面和以下不同深度处土壤温度的统称，地温观测是气象观测项目之一，国家级气象站一般观测地面以及地面以下5cm，10cm，15cm，20cm，40cm，80cm，160cm和320cm深度的地温。地温观测不仅进行气候统计，同时对农业、林业、矿产开采、地热资源、铁路以及城市规划具有重大意义。地温观测中的20cm以上土壤层的地温为浅层地温。

    河北省在2002年国家气象站实现了自动观测，地温观测表为铂电阻传感器进行连续的观测。为保证观测数据的精确性，地温传感器的检定周期为2年，目前普遍采用的方法是用新检定的地温传感器，替换原将要到检的传感器。地温传感器的检定更换过程中，将不可避免破坏传感器安装地段的土壤，特别是浅层地温的土壤。目前更换浅层地温传感器普遍采用的方法为开挖土壤，替换安装检定的温度传感器，然后将土回填。

    2 土壤的热传导特性

    土壤层的破坏，将对地温观测产生严重影响。特别是浅层地温层土壤开挖回填后造成的不同层土壤的混合，破坏了自然的条件下的土壤温度环境，造成地温观测的影响。回填后土壤间的热传导到重新稳定到温度平衡，需要消耗大量的时间。

    土壤温度平衡的重新达成，与土壤的热传导率相关。基于土壤的复杂性，土壤的热传导主要包括通过土壤空隙中空气或水分传导和土壤固相物质之间接触点直接传导。土壤导热率用来表示传导土壤热量的强度，用γ表示，其单位是J/（cm2s ℃），土壤导热率的公式如下：

    γ=QAT（T1-T2）d

    式中A为土壤断面面积，土壤两端的温度为T1、T2，土壤的厚度为d，在一定时间（T）内流动的热量为Q，热量的传导是由高温处到低温处。

    3 地温传感器检定更换中对地温观测的影响和方法改进

    在日常工作中，由于更换地温传感器，而对土壤进行挖掘和回填，因此，回填后的土层中，土壤的性状发生较大改变，并混合进大量的空气，使土壤的热传导速度大为降低。由于回填土造成不同深度的土壤发生混合，土层回填后，地温传感器附近的土的温度，与自然状态下的各个层的土壤温度差异巨大，因此受回填土温度的影响，造成地温传感器更换后土壤稳定期内，传感器探测的地温与实际地温差异较大，而无法使用，造成该时段内地温的缺测。

    为研究传感器更换前后的数据变化，开展了地温数据平行观测实验，在实验中在待更换的传感器旁布设一组相同规格的实验用备份传感器，二者平行观测地温数据，进行数据比对。更换地温传感器时仅开挖待检传感器，而实验用备份传感器保持原状态。通过长期数据对比，在更换前，二者的温差约为0.3℃。

    3.1 传统的浅层地温传感器检定更换方法对地温观测数据的影响

    在日常工作中，发现浅层地温的更换，对地温观测影响巨大，5cm和10cm温度传感器，虽然更换后其土壤层也遭到破坏，但与地表的热交换相对较快，一般在更换后2到3个小时，可完成土壤的温度平衡，而是15cm和20cm，因距地表相对较远，周边环境土壤的温度相对偏低，造成土壤间的热平衡时间较长，实际工作中，发现更换地温传感后对15cm和20cm的影响尤为显著。通过大量的浅层地温传感器更换前后与实验备用温度传感器的温度的对比，发现采用传统开挖土层的方法更换地温传感器后，探测的15cm和20cm温度与实验用备份的传感器温度发生显著跳变。见图1。图1中，更换传感器的时间为10时前，更换前，传感器与实验用备份传感器的温差约0.3℃，更换后的10时，15cm和20cm温度与实验用备份传感器温差分别为1.8℃和1.6℃。由于土层温度平衡的重新构建，较大的温差持续时间很长，到8个小时后的17时，温差仍然高达0.6℃和0.7℃，探测到的数据因为温度差异过大而不能正常使用，而进行缺测处理。一般情况下，约10个小时以上，15cm和20cm温度才基本接近正常范围。长时间的数据缺测，对气象数据的完整性造成巨大影响。

    3.2 浅层地温支架和更换方法的改进研究

    为确保探测数据的完整，秦皇岛市气象探测技术人员，通过大量的实验，改进了更换方法，改进制作新型后置锁扣浅层地温表支架，见图2。图中A为原传统浅层气温支架，B为改进后的地温支架，1为温度传感器，2为温度传感器锁扣。改进后的支架，将支架立板的传感器锁扣，改变到立板后侧。采用后置锁扣支架的地温，在更换传感器时，仅仅开挖支架后部土壤，将传感器从后侧拉出，再插入新检测的传感器。新型支架的优点是，不破坏传感器感应部分的土壤状态，使地温传感器探头附近的土壤，土壤层和温度环境没有变化，后侧开挖的土壤较少，且距离传感器探头距离较远，对传感器影响大为降低。

    3.3 采用改进方法对观测数据可用性的改善

    通过实际的测试，发现采用新型地温支架更换浅层地温传感器，更换后，15cm和20cm温度与实验备用传感器温差变化幅度很小，约0.5℃，为可用数据范围，见图3。更换传感器的时间为10时前，从分钟数据分析，约15分钟，新的传感器的温度即可达到正常的温度探测范围。改进后的浅层地温支架大大缩短了传感器更换后的浅层地温的温度平衡时间，使新检测的传感器，在更换后不久，就可以进行正常的地温探测，确保了观测数据的完整性。

    浅层地温传感器更换方法改进实验严格按照《地面气象观测规范》中规定标准要求开展，改进的更换方法可直接在日常气象观测中开展。改进的方法大大缩短了浅层地温传感器在检定更换和日常设备更换中的时间，使工作效率大大提高，对气象探测数据的连续性准确性的提高具有积极意义。

    4 结语

    通过在实际气象观测工作中浅层地温传感器检定方法的研究，发现在气象探测设备传感器检定更换对中浅层地温探测数据的影响严重问题，并通过实验，改进了传统的不合理地设备部件和进行更换方法的改进，通过大量的实验数据分析，改进后的更换方法，可基本维持原有浅层地温传感器附近土壤状态，使传感器更换后，温度差异较传统方法大大降低，探测数据在可用范围内，更换后传感器的与土壤的温度平衡时间由传统方法的近10小时缩短到15分钟，大大提高了浅层地温传感器检定更换后的数据可用率。

    参考文献：

    [1]呂贻忠.土壤学[M].中国农业出版社，2006.

    [2]李黄.自动气象站实用手册[M].北京：气象出版社，2007.

    [3]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

    [4]任芝花，郭锡钦.浅层地温对比实验结果[J].气象，1996（11）.

    作者简介：毛佩柱（1967—），男，汉族，河北秦皇岛人，本科，高级工程师，研究方向：气象综合探测。