Analysis of instrument accuracy and observation error of land surface process observation experiment in semi-arid area

doi:10.11755/j.issn.1006-7639（2022）-03-0364

Abstract

Abstract:

Based on comparative observation data of Dingxi experiment base in May 2017, the instrument accuracy and observation error of the land surface process observation experiment were analyzed. The results show that the error in observation data of HMP45D air temperature and humidity sensor, 107-L soil temperature sensor, WAA151 wind speed instrument, HFP01 soil heat flux plate and eddy system (CSAT3+Li-7500) was small and within the allowable range, which indicated that the data observed by the same instrument were basically consistent. However, CS616 soil moisture observation instrument needs to be corrected. The consistency of long and short wave radiation observed by different types of instruments was very high, and its correlation coefficients were almost 1. The deviation of observation data also directly affects energy closure rate. The observation deviation of turbulent flux caused the uncertainty of surface energy closure rate of 0.61%-2.20% and the observation deviation of available energy caused the uncertainty of surface energy closure rate of 0.08%-1.67%.

Key words: instrument accuracy, measurement error, parallel comparison experiment, land-atmosphere interaction

摘要：

利用定西试验基地2017年5月的平行对比观测资料,分析陆面过程观测试验的仪器精度和观测误差。结果表明：HMP45D型空气温湿度传感器、107-L型土壤温度传感器、WAA151型风速仪、HFP01型土壤热通量板和涡动系统（CSAT3+Li-7500）观测数据的偏差较小,均在允许范围内,说明相同仪器之间的观测数据基本一致,但观测土壤湿度的CS616型仪器在使用时需要订正;不同型号仪器观测长短波辐射的一致性很高,其相关系数均近乎1;观测数据的偏差也直接影响能量闭合率,试验中湍流通量观测偏差造成地表能量闭合率0.61%~2.20%的不确定性,可利用能量观测偏差造成地表能量闭合率0.08%~1.67%的不确定性。

关键词: 仪器精度, 测量误差, 平行对比试验, 陆-气相互作用

CLC Number:

P414

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Figures/Tables 15

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设备名称	生产厂（型号）	技术参数	设置情况
三维超声风速仪	Campbell（CSAT3）	风速量程：±65.535 m·s^-1;声速量程：0~366 m·s^-1;超声温度量程： -50~60 ℃;风速测量分辨率：1 m·s^-1 （U_x）,1 m·s^-1 （U_y）,0.5 m·s^-1 （Uz）;声速（超声温度）分辨率：15 mm·s^-1 （0.025 ℃）	架设高度1.5 m
CO₂/H₂O分析仪	Li-Cor（Li-7500）	采样频率：5、10、20 Hz;工作温度范围：-25~50 ℃;	架设高度1.5 m
四分量辐射计	Kipp&Zonen（CNR4）	短波辐射量程：0.31~2.8 μm;短波辐射精度：7~20 µV·W·m^-2; 长波辐射量程：4.5~42 μm;长波辐射灵敏度：5~10 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
长波辐射	Kipp&Zone（CGR3）	光谱范围：4.5~42 μm;灵敏度：5~15 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
长波辐射	Hukseflux（IR02）	光谱范围：4.5~50 μm;灵敏度：15 μV·W·m^-2	架设高度1.5 m
短波辐射	Kipp&Zone（CMP3）	光谱范围：0.31~2.8 μm;灵敏度：5~20 μV·W·m^-2	架设高度1.5 m
短波辐射	Hukseflux（SR11）	光谱范围：0.305~2.8 μm;灵敏度：15 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
热通量板	Hukseflux（HFP01）	量程：-2000~2000 W·m^-2;精度：±5%	室内实验室
风速、风向	Vaisala（WAA151）	量程：0~70 m·s^-1;精度：±0.3 m·s^-1	架设高度1.5 m
风速、风向	Huayun（EL15-1C）	量程：0.35~60 m·s^-1;精度：当风速小于等于10 m·s^-1时精度为 ±0.3 m·s^-1,当风速大于10 m·s^-1时精度为±0.03 m·s^-1	架设高度1.5 m
空气温湿度	Vaisala（HMP45D）	温度量程：-35~50 ℃;温度精度：±0.2 ℃; 相对湿度量程：0.8%~100%;相对湿度精度：±3%	架设高度1.5 m
土壤温度	Campbell（107-L）	量程：-35~50 ℃;精度：±0.2 ℃	室内实验室
土壤湿度	Campbell（CS616）	量程：0%至饱和;精度：0.05%	室内实验室

设备名称	生产厂（型号）	技术参数	设置情况
三维超声风速仪	Campbell（CSAT3）	风速量程：±65.535 m·s^-1;声速量程：0~366 m·s^-1;超声温度量程： -50~60 ℃;风速测量分辨率：1 m·s^-1 （U_x）,1 m·s^-1 （U_y）,0.5 m·s^-1 （Uz）;声速（超声温度）分辨率：15 mm·s^-1 （0.025 ℃）	架设高度1.5 m
CO₂/H₂O分析仪	Li-Cor（Li-7500）	采样频率：5、10、20 Hz;工作温度范围：-25~50 ℃;	架设高度1.5 m
四分量辐射计	Kipp&Zonen（CNR4）	短波辐射量程：0.31~2.8 μm;短波辐射精度：7~20 µV·W·m^-2; 长波辐射量程：4.5~42 μm;长波辐射灵敏度：5~10 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
长波辐射	Kipp&Zone（CGR3）	光谱范围：4.5~42 μm;灵敏度：5~15 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
长波辐射	Hukseflux（IR02）	光谱范围：4.5~50 μm;灵敏度：15 μV·W·m^-2	架设高度1.5 m
短波辐射	Kipp&Zone（CMP3）	光谱范围：0.31~2.8 μm;灵敏度：5~20 μV·W·m^-2	架设高度1.5 m
短波辐射	Hukseflux（SR11）	光谱范围：0.305~2.8 μm;灵敏度：15 µV·W·m^-2	架设高度1.5 m
热通量板	Hukseflux（HFP01）	量程：-2000~2000 W·m^-2;精度：±5%	室内实验室
风速、风向	Vaisala（WAA151）	量程：0~70 m·s^-1;精度：±0.3 m·s^-1	架设高度1.5 m
风速、风向	Huayun（EL15-1C）	量程：0.35~60 m·s^-1;精度：当风速小于等于10 m·s^-1时精度为 ±0.3 m·s^-1,当风速大于10 m·s^-1时精度为±0.03 m·s^-1	架设高度1.5 m
空气温湿度	Vaisala（HMP45D）	温度量程：-35~50 ℃;温度精度：±0.2 ℃; 相对湿度量程：0.8%~100%;相对湿度精度：±3%	架设高度1.5 m
土壤温度	Campbell（107-L）	量程：-35~50 ℃;精度：±0.2 ℃	室内实验室
土壤湿度	Campbell（CS616）	量程：0%至饱和;精度：0.05%	室内实验室

编号	空气温度				编号	空气相对湿度
编号	RMSE/℃	MRE/%	R	斜率	编号	RMSE/%	MRE/%	R	斜率
T_a1	0.89	1.28	0.9970^**	0.8927	RH₁	2.40	-3.62	0.9973^**	1.0619
T_a2	0.84	1.72	0.9971^**	0.8989	RH₂	4.25	-10.73	0.9981^**	1.0113
T_a3	0.82	1.91	0.9972^**	0.9009	RH₃	1.79	-4.63	0.9994^**	0.9990
T_a4	0.89	0.89	0.9970^**	0.8952	RH₄	3.17	-7.68	0.9975^**	1.0329
T_a5	0.91	1.44	0.9970^**	0.8894	RH₅	3.55	-8.79	0.9995^**	0.9822
T_a6	0.93	0.11	0.9970^**	0.8920	RH₆	2.64	-5.57	0.9994^**	0.9654
T_a8	1.65	-4.86	0.9875^**	1.1605	RH₇	3.67	10.05	0.9989^**	0.9747
T_a9	1.51	-3.23	0.9873^**	1.1299	RH₈	2.96	4.70	0.9995^**	1.0591
T_a10	1.42	-0.99	0.9872^**	1.1027	RH₁₀	3.65	10.42	0.9991^**	0.9664
T_a11	1.34	-0.32	0.9876^**	1.0870	RH₁₁	4.35	12.17	0.9987^**	0.9634
T_a12	1.47	4.50	0.9822^**	1.0309	RH₁₂	1.52	2.86	0.9988^**	0.9972
T_a13	1.18	1.59	0.9859^**	1.0159	RH₁₃	1.18	-0.53	0.9991^**	0.9831
T_a14	1.17	1.05	0.9867^**	1.0329	RH₁₄	1.29	0.44	0.9985^**	1.0068
T_a15	1.54	2.99	0.9801^**	1.0710	RH₁₅	1.14	0.89	0.9988^**	0.9963

编号	空气温度				编号	空气相对湿度
编号	RMSE/℃	MRE/%	R	斜率	编号	RMSE/%	MRE/%	R	斜率
T_a1	0.89	1.28	0.9970^**	0.8927	RH₁	2.40	-3.62	0.9973^**	1.0619
T_a2	0.84	1.72	0.9971^**	0.8989	RH₂	4.25	-10.73	0.9981^**	1.0113
T_a3	0.82	1.91	0.9972^**	0.9009	RH₃	1.79	-4.63	0.9994^**	0.9990
T_a4	0.89	0.89	0.9970^**	0.8952	RH₄	3.17	-7.68	0.9975^**	1.0329
T_a5	0.91	1.44	0.9970^**	0.8894	RH₅	3.55	-8.79	0.9995^**	0.9822
T_a6	0.93	0.11	0.9970^**	0.8920	RH₆	2.64	-5.57	0.9994^**	0.9654
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T_a9	1.51	-3.23	0.9873^**	1.1299	RH₈	2.96	4.70	0.9995^**	1.0591
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T_a15	1.54	2.99	0.9801^**	1.0710	RH₁₅	1.14	0.89	0.9988^**	0.9963

编号	RMSE/℃	MRE/%	R	斜率
T₁	0.35	-0.72	0.9913^**	0.9680
T₂	0.09	0.52	0.9886^**	1.0269
T₃	0.05	-0.23	0.9911^**	0.9829
T₄	0.06	0.31	0.9912^**	0.9902
T₅	0.04	0.15	0.9902^**	0.9480
T₆	0.92	6.25	0.9334^**	0.9227
T₇	0.66	-2.99	0.6096^**	1.4081
T₈	0.06	-0.34	0.9895^**	1.0164
T₉	0.11	-0.66	0.9772^**	0.9994
T₁₀	0.17	-1.12	0.9876^**	0.9568
T₁₁	0.04	-0.12	0.9910^**	0.9695
T₁₂	0.04	-0.14	0.9907^**	0.9680
T₁₃	0.09	-0.58	0.9906^**	0.9796
T₁₅	0.04	0.05	0.9892^**	1.0217
T₁₆	0.09	-0.56	0.9888^**	1.0177