论文总字数：17857字

目 录

1 引言…………………………………………………………………1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3国内外研究存在的问题及本文可取性 3

1.4研究内容与目标 3

1.4.1研究内容 3

1.4.2 研究目标 3

2 资料来源与研究方法………………………………………………3

2.1资料来源 4

2.2误差来源的处理方法 4

2.2.1异常峰值 4

2.2.2 随机噪声 5

2.2.3 异常平稳 5

3 结果分析……………………………………………………………6

3.1谱分析法对异常值的筛选 6

3.2缺测值、异常值与有效值 7

3.3异常平稳值与异常峰值 7

4 土壤湿度对降水的延迟响应………………………………………8

5 结论与展望………………………………………………………13

5.1结论 13

5.2不足与展望 13

参考文献……………………………………………………………13

致谢…………………………………………………………………16

云南省自动站土壤湿度异常检测及分析

郑倩

Abstract：As an important state parameter of the surface and atmospheric interface, soil moisture has guiding role in many fields, such as hydrology, meteorology, agriculture, ecology and so on. Automatic weather station has a wide distribution, fast transmission and high precision, which has been widely used in the measurement of soil moisture. However, there are still some errors in the observation of automatic weather station, so the quality control of soil moisture in automatic weather station is very important. This paper in Yunnan Province automatic stations to get the soil moisture data, error analysis and using spectral method (spike detection, interrupt detection, constant value detection) and the precipitation method of constant screen and remove. The aim is to provide more reliable data for the automatic weather stations in Yunnan Province, and to guide the production practice of the people in the end. The research results are as follows: spectral analysis method can really screened as part of the abnormal value; abnormal stationary value is far greater than the peak anomaly, anomaly of the stationary value of the small number of general effective value is relatively high; soil type will cause soil humidity on the precipitation of the delayed response, including sticky soft soil response time delay was the shortest.

Keywords: automatic station; soil moisture; spectrum-based approaches; precipitation; outlier detection

1绪论

1.1研究背景和意义

土壤湿度又称为土壤水分，它是指土壤非饱和层的水分含量，呈现为具有一定深度的土样的干湿水平，即表达为土壤含水量的一种方法。在不仅是地表而且是大气界面方面，土壤湿度都是主要状态参量，还给地表热量和水量平衡带来直接性的影响，因此对水文、气象、农业及生态等多个领域都有指导作用。

在水文方面，土壤湿度作为水资源的重要组成部分，积累了地表水文变化的大量信息并且参加了全球水循环的基本进程，同时在降水、地表径流、下渗、蒸散及蒸发等水文过程中也起着尤其关键的作用^[1]。内陆表面土壤水分蒸发所带来的降水在所有的降水中占七成左右，其余三成由海洋的水循环作用带来。其中在内陆地区越发较为明显，土壤水分蒸发大多高于普通水准。

在气象方面，土壤湿度同样是起着要害作用的变量之一。根据一些学者的分析，在对气候识记本领的效力上，雪盖和土壤湿度都是最主要因素之一，其中土壤湿度的效力几乎与海洋大致相等^[2]；除此之外，在区域长期天气的模拟验证方面，土壤湿度同样起着非常突出的影响。而且，它还参与了固体地球和生命物质的界面、生命物质以及生物化学循环的主要过程，通过对地表的热容量、反照率、陆地植被的发育情况以及蒸发和蒸腾等因素的影响来改变地面与低层大气之间的潜热通量、显热通量、辐射通量和动量通量，从而引起气候变化^[3] 。反过来，降水、蒸发和温度等一些气候因素改动同样能使土壤湿度产生不小的变动^[4]。是以，认识土壤湿度对于我们在气象方面有效地描述土壤湿度对短时天气厘变的影响及中尺度天气进程的研讨显得尤为紧要。

在农业方面，中国是世界上旱涝灾害频繁发生的地区之一^[5-6]，而土壤湿度又是反映土壤干旱水平的重要指标之一。在农业气象监管与检测中，土壤湿度及其改变定律的监测是基本性业务之一。把握土壤湿度及其改变定律, 深刻影响着农业灌溉、农业干旱和土壤墒情等的监测预测及有关理论研究。同时，土壤湿度也确定了农作物的水分供应的情况，如果土壤湿度不够，可能影响农作物的光合作用进程，严重的话可能造成枯萎；而如果土壤湿度太多，那么农作物也会受微生物的影响不健康，甚至死亡。而此外，土壤湿度还将作用于田间的要务及播撒种子好坏，并且对土壤温度产生作用。

至于生态方面，除了在旱涝灾害、风的作用、沙尘暴和含有氯、氮等矿物质的下沉等出现或扩展进程中具有重要作用外，它还给我国的高温热浪带来巨大作用。据统计，在我国西南地区呵东部沿海地区的不少地方，三成至七成的高温天数和热浪发生频率是由土壤湿度和大气互相影响造成的。而云南地处我国西南地区，纵观云南历史，自21世纪以来，旱灾呈现加速增长，更是出现了从2009年到2012年的连年旱灾，这对于云南的农业有着严重的影响。自动站是能够在没有人在场的状况下，开始按时、按点的记录及传输地面气象资料的气象站，有着很高的自动化程度。云南省自2004年以来，建成并使用了九十多个自动站。但是，在自动站的使用中，依旧可能存在缺测值、异常值的出现，如果对这些数据不解决或者解决不好，那这些数据就失去了其本身的价值与作用，故对自动站的观测数据检测和分析具有重大意义。

因此，本文通过谱方法（尖峰检测、中断检测、常量值检测）和利用降水等方法对云南省自动气象站土壤湿度数据异常值进行检测和筛选剔除，来研究云南省土壤湿度随土质和降水的变化规律，对于云南省的水文、气象、尤其是农业和生态具有重要意义。

1.2国内外研究现状

自动站的不断使用的过程中，包括土壤水文参数测定和自动观测过程方面，都会存在一定的异常值，故国内外的专家学者对自动站异常值的检测、筛选与剔除开展了大量的研究。

我们知道自动观测土壤湿度误差大致可以分为包括随机误差、系统误差、粗大误差、微气象误差和现场误差^[7]在内的5种类型。而各个国家将资料的异常检测与控制大概可以设置为四步。第一步主要是靠构成自动站的各个部分决定的，有仪器装置、站点海拔位置、数据采集和发送系统、异常检测和控制方案和自我判断系统等方面；第二步则是通过实时监控和检测系统实行时刻的数据检查，它包括了测量值的大小和极大值或极小值检测、时间一致性检测和内部一致性检测；第三步主要是关于不实时的数据，一般操作在实时数据的后面，大致是和周围观测站进行对比的空间连续性检查，它一般采用统计解析的法子和内插的法子来对比验证；最后一步就是人工异常检测和控制，它不局限于某一个步骤，它出现在异常检测和控制的各个步骤，主要是在每步验证结束之后，最后靠人工来排查出之前几个步骤所可能出错的地方。质量控制方法主要有传统的QC 方法^[8]、自动观测与人工观测对比拟合订正^[9]、数据质量控制检验法^[10]、新的质量控制法^[11]等。

在国内方面，王伯民等 ^[12]根据对土壤湿度的质量控制综合判别法的原理、实质和方法的运用，提出了加权判断技术，并且举例说明了其在实际操作中的运用；陶士伟等^[13] 采用了多种质量控制技术有力地识别了在自动站资料中明显不正确的数据,为实际操作运用提供正确根据；胡新华等 ^[14]则通过人工得到的数据与自动站数据进行比较，然后拟合修正；张志富^[15]统计分析土壤水分土壤因素在不同层次中的分布特点，并且根据土壤湿度自动站观测基本思路和方法，研制了适用于自动站土壤湿度每个时刻数据的方案；孙周军等 ^[16]制定自动站异常值研究系统模型，根据气候学界限、极值检验研究方法，对异常数值采用实时计量、比较与警示；谢璀毓 ^[17]利用判别自动异常值，解决对异常后的数据的排查及如何处理给出了研究；王良宇等 ^[18]研究了实际测量中土壤水分随时间的变幅，提出在土壤湿度变化过程中的每小时的变幅应该比土壤饱和湿度减去前一时刻的数据的数还小。在国外方面，Eischeid J K等^[19]的研究提供了相关的不确定性统计导出边界表面温度和降水测量和收益率基准数据集进行验证的气候模型以及各种其他气候使用；MARK A .SHAFER等^[20]提出质量保证的过程是通过有效的沟通联系在一起的，这些通信手段提供了一个无缝的系统：从识别可疑的数据，实地调查，反馈由技术人员采取的行动；Danrel Y ^[21]提出逐时气象数据质量保证的新技术：通过决策树解决多个标志；Krishna Kumar V等^[22] 提出并开始运作实时数据监测系统，主要目的是比较当前和每月平均计数的许多不同的观测数据类型的不同的模型运行，以及为每小时的时间期间在网络上的显示和可能出现的问题报警；David B Gihousen^[23]提出讨论了改进实时软件，研究表明自动验证技术已经非常重要；Lakshmanan V等^[24]提出随着时间的推移积累网格领域极大地放大脉冲噪声在单个网格的影响，而一个质量控制方法,利用空间和时间相干性可以减少这种噪声积累电网的影响，这样的方法可以使用图像处理技术实现的滞后和多假设跟踪(MHT)；Oh G L等^[25]研究表明土壤水分需要更详细和可靠的理由删除可疑数据,尤其是在冬天的异常变化。

现在，全球范围内有一些土壤湿度数据库，如Automated Weather Data Network^[26]、Global Soil Moisture Data Bank^[27]等，但是这些数据库中的土壤湿度数据很少有校正过或者设置过阈值来排除相对不正确的数据的。而Dorigo等建立International Soil Moisture Network^[28]时，发现了谱方法这一有效检测异常数据的方法。 2009年起中国气象局在不少的省份增加了基于土壤湿度频域反射测量技术和多通道数据采集技术的土壤湿度自动观测站点，开展土壤墒情观测业务。但在国内多利用人工得到的数据同自动站进行拟合相关。

1.3国内外研究存在的问题及本文可取性

首先，从技术上，国内外采用的土壤湿度数据库中的内容很少有标定或设置阈值；其次，从研究内容上，但土壤湿度异常与降水强度、土壤土质等有着密切的关系，会造成异常峰值、随机噪声及异常平稳等误差，而国内外在土壤湿度异常检测和分析上对于此方面的研究甚少，因此采用谱方法检测异常值和利用降水分析土壤湿度具有重要意义。

1.4研究内容与目标

1.4.1研究内容

本文通过谱分析法剔除云南省土壤湿度自动站数据中的异常值，并分不同土质对比降水和土壤湿度的时间序列，分析降水给土壤湿度带来的延迟性响应问题。主要包括以下内容：

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