自动土壤水分观测有关技术问题解答

1、自动土壤水分观测有关技术问题解答中国气象局综合观测司中国气象局气象探测中心2012年7月为规范自动土壤水分观测业务，中国气象局综合观测司于2010年印发了自动土壤水分观测规范（试行）（气测函2010170号，以下简称“观测规范”）。在2年的自动土壤水分观测业务运行和执行观测规范过程中，各省发现一些疑问，现就提出的疑问给出解答，供学习参考。一、关于自动土壤水分观测规范（试行）中的有关问题1.关于观测站址选择自动土壤水分观测规范（试行）中规定观测地段的选择应充分考虑仪器安装地点对于当地土壤类型、地貌、地质条件的代表性，并遵从以下4个条件：（1）所选地段土壤应能够代表本地区的主要土壤类型，须尽量选择

2、在地势平坦、能代表本地区自然环境下土壤水分变化特征的地块，山丘地区应避免选取沟底、山顶、斜坡和积水洼地等地块。（2）所选安装地段距离建筑物、道路（公路和铁路）、水塘等须在20米以上，远离河流、水库等大型水体。（3）作物观测地段，种植面积一般不小于0.1公顷。 （4）固定观测地段，面积一般不小于10m10m；仪器安装位置必须为自然下垫面，有较厚的自然土壤，而非回填土。观测地段一经确定不得随意改变，以保持土壤水分观测资料的一致性和连续性。主要问题：个别省份局部站点海拔高度、地势地貌、土壤质地等地理环境区域差别大，地势平坦地段少、沟底和山顶斜坡地块多，小范围内气候条件、种植制度和灌溉条件等差异性大；

3、交通公路影响广、安全保障差、作物地段和固定地段代表面积不足，在部分观测站址进行设备安装时发现是回填土或土壤质地不均一，站点选择缺乏代表性和可比性，不能满足观测规范的选址要求。解答：个别地区自动土壤水分观测站址的选择确实存在一定困难，但仍需尽量满足规范的规定和要求。在开展站址调查和分析地方特殊问题时，各省要指导服务需求部门和观测人员共同参与观测站址的选择，以增强建设针对性和服务局地性要求；要实地考察拟选站址是否回填土、地下水位深浅，并在拟选站址周边取土测墒，分析样本的均匀性和代表性，避免设备安装后才发现问题。今后的选址过程中，尽量将站址与现行的人工观测业务站点结合起来，以利于设备田间标定和人工观

4、测任务。2.关于安装深度自动土壤水分观测规范（试行）中规定自动土壤水分观测在农业气象观测中一般为：0-10、10-20、20-30、30-40、40-50、50-60、70-80、90-100cm，可根据观测需求进行调整。地下水位深度小于1m的地区，测到土壤饱和持水状态为止；因土层较薄，测定深度无法达到规定要求的地区，测到土壤母质层为止。主要问题：各省在建设过程中不敢调整或者调整不得当。解答：各省在建设过程中可以根据当地实际情况（地下水位、沙、石）进行观测深度的调整，但在确定的观测深度范围内，观测层次设置要与观测规范保持一致，不能存在缺层；调减层次后多出的传感器可用作备品备件，并做出详细库存和

5、使用登记；在提交业务化检验申请时，需上报各站确定的观测深度及调整原因。3.关于土壤基本参数测定自动土壤水分观测规范（试行）中规定在选定观测地段后，应按农业气象观测规范要求，在观测地段附近分层测定土壤容重、田间持水量和凋萎湿度等土壤水文、物理常数，并在土壤水分自动站值班日志中填写。主要问题：有的台站土壤水文参数测定过程不规范，测定结果明显不合理；部分站点由于土质问题参数不易测定，个别参数（凋萎湿度）测定周期长，是否必需测定、能否取消；距离相近的站点土壤常数能否通用。解答：土壤水文参数中土壤容重和最大田间持水量与设备输出的相对湿度有关，凋萎湿度与有效含水量及水分总储存量换算有关，它是设备投入业务运

6、行及业务服务急需的重要参数，若测量不准确，会影响到资料的准确性。为确保土壤水文参数测量的规范性和准确性，建议各省由省局牵头统一测定，形式自定（组织专家队伍、委托有能力的农试站、委托专业土壤参数测定单位均可）。对于距离相近的站点（一般应小于2 公里），若各层土壤质地相同，原则同意使用相同参数。由省局管理部门、主要资料应用服务单位和仪器厂家共同确定是否使用相同参数。4.关于田间标定自动土壤水分观测规范（试行）中规定田间标定以仪器观测的10cm土层体积含水量变化为判断标准，在小于10%、10%-15%、15%-20%、20%-25%、25%-30%、30%-35%和大于35%等七个不同土壤水分体积含

7、水量区间进行相应的人工对比观测。原则上每一个土壤体积含水量等级样本数不少于4个，总样本数不少于30个。同时规定进行人工对比取土观测时，须跨越干湿两季，使获得的样本分布均匀、能够代表当地土壤水分含量范围并验证仪器在干湿两季过渡期的适应性。取土钻孔的位置应分布在传感器埋设位置四周半径2-10m之间的范围内，完成取土观测后取土孔要立即分层回填，不得在回填孔中再次取土进行对比观测，取土时记录每个钻孔取不同深度土样时的详细时间。主要问题：高寒或冻土期较长地区因土壤解冻时间较短，仅逢三和逢八对比观测数据点较少，对比数据不易齐全；农垦区域的人工对比观测比较困难；土层薄、石子多区域或滴灌、喷灌的观测地段无法开

8、展人工对比观测，对比观测数据重复性和连续性存在偏差，没有统一的取舍标准；按照观测规范，观测地段面积有限，取土次数过多，人工、自动观测数据差值可能会越来越大，形成越测越不准的现象 ；遭遇严重干旱时，土壤板结或开裂，表层土壤对dzn2或dzn3型仪器管壁包裹不紧密，维护和整理土层后，观测数据仍然与人工烘干法差异性较大。对荒漠草场，能否直接安装经过室内标定的仪器，而不需要人工对比观测。厂家田间标定过程及计算参数台站能否齐全掌握，台站能否自行再订正？解答：在人工标定过程中，技术要求上按照观测规范的各项要求执行。对于高寒地区、夏季较短地区、农垦区和滴灌区等地区，可以采取“人工造墒”的方式缩短获取样本的时

9、间，但是要注意频次，且造墒过程要使人工取土的4个重复湿度均匀。对于“干湿季”，主要是对比期间能够获取降水量较多和较少的样本（即获取土壤较湿和较干的样本）以验证仪器在干湿两季过渡期的适应性。观测人员可根据当地的降水特点，选择好对比时间。在土壤湿度变化不大时，建议减少取土频次，以减少对取样区域的破坏；在降水过程前后，可适当增加取土频次，以尽量采集各个体积含水量区间的对比观测样本数。对于人工对比观测数据的4个重复偏差较大的问题，可能由于观测员取土方法不当或各重复的取土地点有问题，这样的样本不能纳入设备标定数据，必须取消此次观测数据，重新测定。对于观测站点石子多的区域，要从选址把关，对于此种地段，仪器

10、安装应该慎重。土壤板结或开裂，dzn2和dzn 3型管壁与土壤不紧贴，须按要求做好维护工作，此段时间的数据不作为设备标定数据。荒漠草场安装仪器后，目前暂定仍需开展人工对比观测，视后期试验分析结果再决定是否开展人工对比观测。对于厂家田间标定过程及计算参数，各省和台站需完全掌握此类信息，并做好文件存档（以后需出台关于标定方程的管理要求），各厂家应按要求及时提供。未通过业务化检验的台站可以根据实际情况进行参数订正，但必须与厂家协商。各省（区、市）标校参数和土壤水分基本参数在业务化运行后不可随意调整，确实由于土壤质地变化参数需调整，须由省级气象主管部门批准，报中国气象局备案，并及时通知省级和国家级相关

11、业务单位。补充规定和经验推广：（1）规范中“对比观测时间应不少于6个月”修订为“对比观测时间一般不少于6个月；若通过人工造墒等方法获取到规范规定样本数（干湿区间和样本数均满足），可适当减少对比观测时间，但不能少于3个月。（2）田间标定过程中，在传感器埋设位置四周半径2-10m范围内，建立标定方程期间的对比观测人工取土，可选择距离自动土壤水分站相对较远的点进行人工取土（切记取土后及时回填），保留距离传感器埋设位置较近的区域用于业务化检验。（3）可先委托专业部门对本行政区域进行土壤类型和质地等划分，细致按类测量各项参数，按观测规范的取土要求和实验室测定要求，建立不同土壤类型分层的土壤水分标定方程；

12、在设备安装时，只需确定土壤类型和质地并与已测量的土壤划分类别进行匹配，可以直接使用已建好的标定方程，以减轻实验室测定的工作量，人工对比阶段仅是对已建好的标定方程进行订正。5.关于业务化检验自动土壤水分观测规范（试行）中规定人工观测土壤体积含水量值与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差小于等于5%。同时规定田间标定与检验应在1年内完成。主要问题：对“人工观测土壤体积含水量值与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差小于等于5%”和“田间标定与检验应在1年内完成”中的1年有不同理解。个别省份用于业务化检验的月份观测数据曾用于人工对比标校参数计算过程，厂家标定报告时间晚于业务化检验月份。

13、解答：“人工观测土壤体积含水量值与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差小于等于5%”指8层（以1m安装深度为例）自动土壤水分观测数据与人工对比观测数据的绝对误差的平均值小于等于5%。业务化检验过程中要求，人工观测土壤体积含水量值与器测值每层绝对误差均需小于等于6%。“田间标定与检验应在1年内完成”以仪器安装开始运行月份后的第一个月为起始月，一年内完成田间标定与检验（冬季有冻土地区按冻土时长延长相应月数）。补充规定：中国气象局分别于每年的1月1日 、4月1日、7月1日和10月1日批复通过业务运行的站点。为推进自动土壤水分业务化进程、加快审批流程，各省可每月上报申请材料。申报材料注意事项：

14、（1）各省的申报材料必须严格按照规定格式上报，勿随意更改模板，否则不予审核；（2）各省需注意各附件数据要前后一致，同时务必严格申报程序，评估验收前必须有厂家出具的标定报告（写明标定日期），对于审核后未通过业务化检验的站点，应及时通知厂家进行实地整改或重新标定，并出具整改报告（或新的标定报告），再提交业务化验收申请，否则不予审核。（3）“评估阶段对比观测原始数据”应是厂家标定后至少连续一个月的人工对比观测数据，正常情况下以逢三、逢八观测的四个重复为准。6.关于设备检定自动土壤水分观测规范（试行）中规定自动土壤水分观测仪器应每2年检定1次，不得使用未经检定、超过检定周期或检定不合格的仪器。土壤水分

15、传感器以人工对比观测作为检定标准。主要问题：目前第一批批准业务化运行的站点即将满2年，是否需要标定，标定结果是否需要上报；各省是否继续组建或完善省级自动土壤水分观测仪计量检定平台或标定实验室。解答：原则上，两年标定周期起始日从综合观测司批复正式业务化运行之日开始计算，若已超过检定期限，各省可按照规范要求在半年内完成检定和上报工作，检定报告做好留存，（有冻土月份时顺延）。由于自动土壤水分是新设备，关于是否有更好、更简便的标定方法，中国气象局探测中心正在开展此方面的工作，在新的方法未出台之前，仍按观测规范中相关规定执行。7.关于数据传输自动土壤水分观测规范（试行）附录4中规定省级打包文件各站点数据

16、的结构如下：站点1：iiiii qqqqqq lllllll hhhhh xxxx yyyymmddhhmmss=(站点1记录)站点n：iiiii qqqqqq lllllll hhhhh xxxx yyyymmddhhmmss=(站点n记录)=主要问题：个别省份打包数据后各站点间缺“=”，致使国家气象信息中心数据解析入库时丢失数据。解答：“=”是单站数据记录结束标示符，如缺乏则后续的站点数据将会被计算机误判为上条记录内容，从而造成“数据传输引起的缺测”。有此问题的省份请到省信息中心查询并解决此问题。二、运行保障维护类8.数据上传与转发主要问题：数据分发服务器、数据库服务器、网络平台等在一台电

17、脑上运行。当多个用户并发访问，会引起访问拥挤。能否开发全国统一的中心站软件？有时会出现网络信号不好或网络运营商进行设备升级，恰逢数据传输时刻，造成数据不能及时上传。解答：访问拥挤会造成资料应用部门不易及时应用、运行维护部门不易发现问题、向上数据传输信息堵塞、资料丢失或滞后等现象，建议各省传输分发服务器与资料存储应用服务器分开。部分省（区、市）自动土壤水分仪器型号不一，编制适应各型号仪器的省级中心站软件已成为当务之急，中国气象局将逐步规范中心站功能并编制全国统一的省级中心站软件(或由厂家提供的中心站软件)；当前，各省（区、市）需自行开发适应本区域的中心站软件，使省内不同厂家仪器接入同一中心站，避

18、免重复建设。针对网络信号不好或网络运营商升级系统情况，软件系统需按照规范要求进行数据补传。9.运行监控与质量控制主要问题：个别省份系统状态监控职责在省级信息中心，台站和探测中心不能及时掌握仪器工作状态信息，设备出现问题时不能及时发现；能否考虑将自动土壤水分观测站纳入asom监控平台管理，提高对设备可用性的监控；当前数据应用效果不好，能否全国统一开发质量控制软件。解答：台站是一线业务部门，最熟悉当地降水及土壤干旱程度，可及时有效发现自动土壤水分观测过程中存在的问题。关于自动土壤水分观测站纳入asom监控平台，观测司将在后续安排中逐步开展此项工作，中国气象局气象探测中心正在开展此方面的工作，中国气

19、象局探测中心正在开发国家级自动土壤水分数据质量控制和监控软件，目前正在测试过程中，未来将开发省级质量控制软件。当前，各省（区、市）可借鉴开展较好省份（例如河南省）的经验或先行自主开发质量控制软件。关于质量控制，全国拟实现三级控制，传感器（和台站）级别质量控制、省级质量控制和国家级质量控制。10.硬件故障、被窃与仪器备份主要问题：在一个地区硬件故障比较集中于一类（例如遭雷击）。部分地区的自动土壤水分仪器安装位于野外地区，远离台站，容易遭窃。相比较建设数量而言，仪器备品数量目前库存量较少。解答：针对一个地区硬件故障集中于一类这种情况，省级探测中心需多总结经验，采取措施。一是台站须及时把出现的故障反

20、映给省局探测中心或厂家；二是逐步加大硬件设备的备品备件数量；三是加大台站维护人员的培训工作，增强硬件维修人员维修技术。为建立有效的硬件使用和维护长效机制，厂家从技术角度研究对策，进行技术改进是最为基础的。关于仪器遭窃，需要做好四点工作，一是合理选址，二是做好警示标识和围栏（包括视屏报警监控），三是台站维护人员需按要求经常巡视，四是做好宣传科普教育。关于备品备件数量，观测司正在有序安排此项工作。省级探测中心也可以根据情况每年适当加大备件数储备。11.电源故障主要问题：因连阴、多雨等造成日照时数不足，致使太阳能电池板不能及时对蓄电池充电，蓄电池的过量放电导致电池储电能力下降或者持续供电能力不足，造

21、成仪器断电、数据缺测。解答：针对此类现象，厂家正在研究对策，加大太阳能板规格和蓄电池容量；同时，台站人员需要在连阴多雨、日照时数不足天气条件下增加巡视次数。12.日常维护类 主要问题：dzn2和dzn3型管壁与仪器土壤接触不紧密，如何进行维护？解答：每年农田耕作时，土壤水分传感器周边半径0.5米范围内做一次20-30cm深度的翻土，砸碎土块，按原土层回填压实并上覆1-2cm虚土。每当降水超过一定量时（南北方规定需不同）或灌溉停止72小时后，对传感器周边半径0.5米范围进行一次松土，以防土壤龟裂产生。如果传感器周边土壤已有龟裂发生，可将传感器周边半径0.5米范围内的土壤取出，深度10-20cm（

22、具体可根据龟裂影响深度而定），将土块砸碎，按照原土层回填压实，压实后上面覆1-2cm虚土。自动土壤水分观测场围栏内环境要与大田保持一致，灌溉、耕作均要一致；传感器周围不能有任何遮盖物。13.关于运行经费主要问题：当前全国已经建设1600余套自动土壤水分观测站。部分省份业务运行维持经费未到位或不能及时下拨。解答：业务运行维持经费按各省建设的站点数量下拨，详情请咨询计财部门。14.关于单轨运行主要问题：投入业务正式运行的站点，人工观测是否可以取消。解答：中国气象局一直在考虑取消人工取土观测，开展自动土壤水分观测站的单轨业务运行。目前，承担旬月报任务的台站保留逢八人工观测任务，并编发旬月报，取消逢三

23、人工观测任务；其它观测站取消人工观测。今后，随着业务运行的自动土壤水分资料逐步取代人工观测资料在业务服务中得到应用，中国气象局将逐步取消已正式业务运行站点的人工对比观测任务。这需要从观测到资料应用，从国家级到省级一直到各站点的广大业务管理和观测人员的共同努力。三、管理与培训类15.建设需求类主要问题：南方部分地市级气象局和台站人员认为，自动土壤水分观测站的建设主要为干旱区旱地作物服务，南方建站需求不大。解答：南方部分地区降水量较大，自动土壤水分站点需求较小是现实存在情况，在全国自动土壤水分布局过程中，已经考虑了此类情况并减少了南方地区站点数量。但近年来，以西南干旱为代表的南方季节性干旱时有发生

24、，土壤水分观测资料的业务需求迫切；同时，自动土壤水分资料除在干旱监测中应用外，在卫星遥感验证和陆地模型中也发挥很大作用。16.目标考核管理指标主要问题：中国气象局对各省（区、市）局的年度目标考核管理“通过业务化检验的站点数量达到建设数量的98%” 指标过高。个别省份因地理环境（冻土期长）、人员力量配备等因素，不易按规定的时间完成年度考核目标管理任务，能否分级管理。解答：为推进各省自动土壤水分观测站的业务化，经综合考虑，制定了2012年度自动土壤水分观测站业务化运行的各项目标管理指标，主要目的是尽快推进已建站的业务化运行，减轻观测员的劳动量，希望各省尽力完成。17.迁站管理主要问题：已业务化验收

25、的自动土壤水分迁站如何管理。解答：鉴于自动土壤水分观测过程中采用实地参数较多，自动土壤水分观测规范（试行）规定观测地段一经确定不得随意改变，以保持土壤水分观测资料的一致性和连续性。迁站需经过本省（区、市）气象主管部门同意，并上报中国气象局综合观测司备案后执行。迁站过程中，如拟迁站点与原站点距离相近（一般应小于5公里），且土层和土质结构基本相同，原则同意使用原站基本参数和标定参数，迁移安装后须经过3个月稳定期后进行1个月的业务化检验（按规范执行），省局审定合格后将新迁站点重新上报中国气象局进行业务化检查。如两站间距小于5公里的站点土层和土质结构不相同或迁移安装后1个月的业务化检验未通过，或者两站间距大于5公里时，则须按照规范要求重新测定土壤水文参数、开展田间对比观测并按要求全程进行业务化检验。18.人员编制和培训主要问题：针对自动土壤水分观测站点的设置，个别县会出现一县多站情况，进行人工对比观测和业务化检验，工作量大，人员编制明显不足。基层台站维护知识缺乏，维护能力差，各站间人员技术力量参差不齐；观测人员流失现象严重，部分观测员在培训后调离该岗位，导致技术断档。解答：人员编制属于机构编制和人事管理部门管理职责范围，在出现上述情况时，由省级相关部门协调解决。至于基层台站技术力量参差不齐的情况，一是中国气象局综合观测司将创造条件加强省