"第1章寒區流域氣像觀測

氣像要素是寒區水文過程的驅動因子，直接影響冰凍圈變化及消融、植被生長以及寒區水循環過程。中國高寒區氣像監測相對稀少，特別是在高山區，現有氣像觀測難以滿足寒區水文研究和水資源評估等的需求（Chen et al。，2014a）。寒區流域地形復雜，氣像因子的變化並不完全取決於自由大氣，具有高度的時空異質性，特別是降水、風速及風向、蒸散發、地表溫度以及輻射和能量平衡項等。高寒區海撥高且山區流域海撥跨度大，人工徒步監測難度大，觀測項目和範圍有限且難以長期堅守，獲取高時空分辨率的氣像數據比較困難。使用高穩定性、自動化觀測儀器，可以獲取連續的、多要素的、高時間分辨率的氣像數據。但這些儀器在高寒環境下仍然不可避免出現一些問題，如數據斷續、各種干擾影響數據精度等問題，需要積累維護經驗。盡管人工觀測有其觀測頻率、要素和範圍的限制，但其數據精度較有保障，對於修正自動儀器數據有一定的幫助，而且某些要素以人工觀測方法為好，如和氣溫、積雪和冰川升華量、鼕季土壤蒸發量等氣像要素，以及水文觀測中天然河道徑流的流速和水位等。

本章在參照相關地面氣像觀測規範的基礎上，主要從寒區流域水文學的角度，闡述寒區氣像要素的相關觀測方法，著重強調寒區氣像觀測的一些特殊性及困難，是對現有地面氣像觀測規範的一些具體闡述和補充。

1.1流域氣像站布設原則及監測要素1。1。1布 設 原 則流域是水文過程的。寒區流域，特別是山區流域，氣像因子受地形、地貌、下墊面類型以及冰凍圈等的影響而復雜多變。寒區流域氣像監測網絡布設，需根據流域大小、地形、地貌、下墊面類型以及布設目的設計監測網絡。一般來講，可遵循以下基本原則。

1）視研究目的及流域已有氣像站情況布設。首先需要根據研究目的，了解擬研究流域現有氣像站的數量、位置、海撥、所處下墊面類型、觀測要素、觀測頻率和觀測歷史等，確定是否需要補充新的觀測站點和觀測內容。研究目的和研究內容（單一水文過程研究、流域水循環研究和流域徑流變化等）、時間尺度（小時/月/年/年際/歷史）、詳細程度（精細、粗略）以及空間尺度不同（微觀、宏觀），對氣像資料的需求具有較大的差異。

2）考慮研究流域面積、地形、地貌、下墊面類型等綜合布設，盡可能做到一個氣像站多種使用功能。氣像站既要能獲取流域尺度的氣像要素變化，又能兼顧氣像要素時空差異性分析，還要滿足特殊下墊面類型一維尺度、坡面尺度等水文過程的研究需求。原則上講，在一個高寒山區流域，降水觀測站點越多越好，尤其是對於小空間尺度、高時間分辨率的精細研究。精確降水輸入是流域水循環研究的前提，但寒區流域降水具有太多的時空異質性，少量測站難以獲取流域實際降水過程及降水量。淨輻射、感熱、潛熱和日照時數等的觀測，也需要盡可能多的測站。從獲取流域面氣像要素角度講，原則上一個流域少需要3個氣像站（滿足二維空間插值的基本要求）。流域面積和海撥跨度越大，地形越復雜，所需測站越多。盡可能在流域接近海撥處、相對平坦的地區布設一個氣像站。

1.1.2觀 測 要 素

寒區水文過程研究所需的氣像觀測要素至少應包括氣溫、降水量和蒸發量。氣溫與冰凍圈消融具有密切關繫，而降水量和蒸發量可分別表征流域水量的主要輸入和消耗部分。根據研究需要和經費情況，補充其他氣像要素。根據寒區水文所需氣像要素的使用頻率和重要程度，可粗略將其分為四級（含部分可架設在自動氣像站上的非氣像類要素），見表1。1。表1。1寒區水文所需氣像要素及分級

級別氣像要素類別一級降水量、蒸發量、氣溫必需類二級相對濕度、風速風向、氣溫、氣壓、總雲量、地表溫度、降水類型常規類三級太陽輻射各分量、蒸散發/潛熱、日照時數、凍結深度、雪深、地溫、

土壤含水量、地熱通量重要類四級水平降水量、降塵、土壤水勢、土壤導熱繫數、CO2通量、感熱特殊類

這些氣像要素部分需要人工觀測，部分需要自動儀器，部分既能人工獲取又能自動儀器獲取。根據研究需要和經費情況選擇合適的觀測方式。

1。1。3地面氣像觀測場

地面氣像場布設需遵守中華人民共和國《氣像法》和國務院頒布的有關氣像觀測環境保護法規、規定的要求，並根據《地面氣像觀測規範》（中國氣像局，2007）的要求布設。根據中國氣像局文件要求（氣發〔2013〕105號），《地面氣像觀測規範》繫列標準（QX/T 44—2007～QX/T 66—2007）繼續有效。本書中相關《地面氣像觀測規範》均指該版本。

考慮到高寒區流域人煙稀少、地形復雜、人工觀測難以長期堅守等特性，一般不考慮布設地面氣像觀測場。在一些長期定位和半定位站，則以《地面氣像觀測規範》為依據，布設一些綜合的氣像觀測場。在條件允許的情況下，可以適當擴大氣像場的場地，在氣像場合適位置，布設必要的觀測設施，如小型蒸滲儀（minilysimeter；人工或自記），降水觀測場，雪水當量，多層地溫與土壤含水量，凍土鑽孔溫度，甚至在可能的情況下，布設地下水位觀測井等。

高寒區地面氣像觀測場布設，應特別注意：

1）觀測場四周必須空曠平坦。這在山區較難實現，需因地制宜，盡可能選擇適合的地點。對於實在無完全平坦場地的地點，可采用兩種方式：①若地形坡度較小，為保持場地的自然狀況，可保留原狀；②地形坡度太大而附近又無其他可選擇地點，可考慮人工重建場地，即推平地面，但應盡可能按照原始地貌恢復土壤和植被。

2）根據《地面氣像觀測規範》，觀測場一般為與周圍大部分地區的自然地理條件相同的25m×25m的平整場地；確因條件限制，也可取16m（東西向）×20m（南北向）的場地，但高山站、海島站、無人站不受此限。在高山地區，也需盡可能選擇相對平坦、空曠的地方布設盡可能符合標準尺寸的觀測場，或者在不影響觀測項目精度的情況下，因地制宜。

3）根據《地面氣像觀測規範》，觀測場場地應平整，保持有均勻草層（不長草的地區例外），草高不能超過20cm。在寒區流域水文學中，有些氣像要素，如蒸散發觀測，好能夠保持草的自然生長狀態，因此，不能修剪。在這種情況下，建議：①常規氣像觀測項目，盡可能維持草高在20cm以下；②需要保持草自然生長狀況的觀測項目，則需單獨劃分一片區域，集中觀測。需要注意，由於氣像場有圍欄防護，與放牧條件下的草高有差異，應盡可能做到與氣像場周邊的草高一致。

觀測場內儀器設施的布置要注意互不影響，便於觀測操作。具體要求參見相關氣像規範（中國氣像局，2007）。在地形稍微有坡度的地方，為保持儀器的水平狀況，需根據地形做相關處理（圖1。1）。

圖1。1百葉箱及凍土器布設

圖片拍攝於祁連山葫蘆溝小流域

地面氣像觀測儀器應當是國內外正規生產廠家生產；精度滿足寒區環境和氣像規定要求；穩定性高，保證獲取的觀測數據可信；儀器結構簡單、牢靠耐用，能維持長時間連續運行；操作和維護方便，具有詳細的技術及操作手冊。各觀測項目的精度及安裝要求參見《地面氣像觀測規範》。需要根據研究區當地氣候、氣像條件，選擇合適的儀器，如凍結深度觀測，需選擇適合當地凍結深度的凍土器（圖1。1）進行觀測。否則不能監測到季節凍土凍結深度或多年凍土活動層厚度。目前中國氣像局標準凍土器測量深度為4。5m。1。1。4自動氣像站

根據中國氣像局《地面氣像觀測規範》，自動氣像觀測繫統用於對氣溫、相對濕度、氣壓、風向、風速、降水、日照、蒸發、地溫和總輻射、淨輻射以及直接輻射等氣像要素進行全天候自動監測。同時具有良好的擴展性，也可選配其他氣像傳感器。具體觀測繫統技術性能指標參加相關規範。

1。寒區流域觀測要素

在寒區，首先要保障數據采集傳輸儀（以下簡稱數采儀）及所有傳感器能夠適應低溫工作環境，而且耐冰雹、氣溫變化及抗高紫外線風化。此外，流域水文研究中，單獨一個地面氣像觀測場或一套自動氣像站不能滿足需求。一般情況下，在一個寒區小流域，少要布設3～5套自動氣像站，氣像觀測要素也有一些特殊需求：①降水觀測好使用配備防風罩的稱重式雨雪量計，而且為了應對酷寒環境，需在雨雪量計中增加機油防止蒸發，同時補充防凍液防止結冰；在電量充足的情況下，一般雨雪量計都帶有加熱功能；②至少兩層風、氣溫和濕度，而且風速、風向一般都是二維或三維超聲的；③太陽輻射一般需包括上下長、短波4分量，特殊情況下還需要包含直接輻射和散射輻射等；④配備雪深探頭；⑤紅外地表溫度傳感器；⑥多層地溫和土壤含水量測量；⑦日照時數；⑧氣壓；⑨自動蒸滲儀；⑩多層地熱通量；土壤水勢、導水率和導熱繫數；有些還直接配套渦度相關繫統等（圖1。2）。當前中國氣像局常規自動氣像站觀測降水僅為雨量，而高寒區固態降水較多，而且缺少雪深、地熱通量以及土壤含水量、水勢、導熱繫數和導水率等的觀測，難以滿足寒區水文研究的特殊需求。

圖1。2高寒區自動氣像站及太陽能板安裝示例

圖片拍攝於祁連山葫蘆溝小流域

自動氣像站主體塔架必須有避雷針和接地裝置。高寒區雷電較多，時常還會有球形閃電。有時常規的避雷措施尚不能完全避雷，容易造成重大損失。2014年8月祁連山葫蘆溝小流域1號氣像站數采儀遭受了雷擊，導致數采儀、雨雪量計和土壤水分傳感器同時損壞（圖1。3）。在容易發生雷電的地方，建議盡可能多地安裝性能良好的避雷和接地裝置。圖1。3祁連山葫蘆溝小流域1號氣像站2014年8月數采儀遭雷擊情況

鋻於酷寒環境及傳感器較多，一般都是多塊太陽能板和蓄電池並聯工作；為防止丟失，要有必要的安防措施，如直接用石塊和水泥固定太陽能板和蓄電池（圖1。2），在可能的情況下應配置紅外感應式攝像頭。

2。梯度塔及傳感器架設

梯度塔是安裝自動氣像觀測繫統傳感器和采集器的主要設施。對於較低的塔，一般由不鏽鋁合金焊接而成，塔高一般為2。5～10m；對於20m、50m和100m等高塔，塔架材料要有較高的強度和復雜的結構。為了減少塔對氣流的阻擋，應選擇斷面積較小，風容易穿過（密閉度小）的結構。10m塔體一般為上下一致的等邊三角形，大小為50cm×50cm×50cm。常見10m梯度塔的三根立柱分別處在北、東、南面。塔應建於平坦、開闊的地面上。周圍任何障礙物與塔體的距離至少為障礙物本身高度的10倍以上。塔體要能承受當地惡劣氣像條件，如大風、沙塵暴、暴雨等，不能受風擾動而發生微弱晃動，並保證10年以上的正常使用，同時應符合防雷安全要求。

梯度塔上傳感器的布設必須注意相互間的影響，盡可能保持每層傳感器具有一致的高度。沿垂直於梯度塔的水平方向上分別平行安裝4根橫臂，材質為不鏽鋁合金管，可以是圓形或方形，一般圓形時直徑約2。5cm，方形時大小為2。5cm×2。5cm，用於安裝各種傳感器，強度要求為架設儀器後橫臂不能彎曲（圖1。4）。根據傳感器距地高度的要求，橫臂安裝高度可以自行調節。一般按對數梯度布設橫杆高度，如0。5m、1。0m、2。0m、4。0m、8。0m和16。0m之類。

一般溫濕度傳感器在東，風速風向傳感器在西，輻射傳感器在南，稱重式雨雪量計在北（圖1。2），若為避開與其他觀測繫統相互之間的影響，可將氣溫和降水測量儀器的位置互換。由於寒區鼕季有降雪，稱重式雨雪量計應安裝防風圈。中國科學院天山冰川觀測研究站，1986年在烏魯木齊河源天山設立了兩個試驗站，根據觀測資料分析，加蘇式（Alter型）防風圈的儀器比不帶防風圈的儀器可提高降雪捕捉率14。2%～26。5%（楊大慶，1988）。祁連山葫蘆溝小流域觀測結果表明（2009年6月～2014年4月），Alter型防風圈能夠提高約1%的總降水量和10%的降雪量。目前在葫蘆溝小流域所有稱重式雨雪量計上都增加了自制Alter型防風圈（圖1。2）。圖1。4氣像塔架安裝示例

圖片拍攝於祁連山葫蘆溝小流域

如圖1。4所示，在4根橫臂上，一端分別安裝二維超聲風速、風向傳感器，另一端分別安裝溫度濕度傳感器，傳感器外部必須有通風防輻射罩，溫度濕度傳感器位於通風防輻射罩的中心。在根橫臂中部安裝紅外地表溫度傳感器，和地面成45°角。應根據需要在4根橫臂中選擇其中一根側向延伸，用於安裝四分量輻射傳感器，四分量輻射傳感器安裝位置垂直正對下墊面，不能有遮擋，應保證下方地面平整。根據需要還可以選擇在橫臂上安裝大氣壓傳感器、雪深傳"

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