摘要：冻土为国家气象台站常年的观测项目之一，目前一直延续使用上个世纪60年代TB1-1型冻土器人工观测，存在较大误差和弊端。采用现代科学手段，选取适宜的观测设备，替代人工观测冻土，早日实现自动化，提升自动化水平。本文介绍了冻土自动化观测仪的测试方法，提出测试场地、对比标准、设备安装等基本要求，对结构外观、性能功能测试等试验室静态检查测试方法进行描述，给出冻土自动观测仪外场试验数据的完整性、可比性、设备可靠性和可维护性等指标评价方法，为冻土气象观测业务自动化设备选型提供指标依据。
关键词：冻土；冻土自动观测仪；测试方法；实验室静态测试；外场试验
我国是世界上冻土分布面积第三大国[1]，约占世界冻土面积的10%[2]，冻土总面积约2.15×106km2。随着国家的发展，冻土自动化需求在生态文明、乡村振兴、建筑规划与设计、气候监测、环境监测、科学研究、气候分析和气象服务等方面日益凸显。冻土自动观测仪（简称观测仪）是根据含有水分土壤的冻融特性，通过测量水的相态、土壤频域反射或温度判识等方法，利用阈值判断测量土壤冻结层次和深度的仪器，我国目前主要采用电阻法、电容法、测温法、射线法、时域反射法和红外遥感法等观测方法。因此，急需一套科学可操作的仪器测试方法，为选取观测精度高、性能稳定、维护方便的观测仪提供指标依据，实现地面气象观测中冻土的自动化观测。
1 观测仪测试要求
1.1 总体要求
观测仪的设计必须符合国务院气象主管机构《需求书》规定的功能和技术要求，便于运输和安装、维护，各仪器部件须选用耐老化、抗腐蚀、具有良好电气绝缘性能的材料[25]。
1.2 外场站点
外场试验站点选址主要考虑不同气候区及不同最大冻土深度的区域，以及测试时间、安装条件、测试站点的业务条件等因素。同一种型号观测仪在东北、西北等有冻土观测任务的气象台站选择至少2个测试点，安装3或4套仪器开展试验。
1.3 对比标准
使用TB1-1型冻土器，在符合观测条件下[8]，每天定时进行人工观测，以人工观测冻结层次和冻结深度值为观测仪的参考值，与其比对，对比分析时，需消除冻土器不确定度[26]的影响。
2 观测仪测试方法
2.1 实验室静态检查测试方法
2.1.1 实验室测量性能
观测仪测量性能测试选择在冷冻实验室环境的模拟箱内进行，须满足分辨力要求，能在测量范围内准确响应，并正确识别冻结层次和冻结深度。
2.1.1.1 准确性评估指标
（1）实验室冻土器不确定度
第一步如图1所示，将2根相同规格冻土器（标记为1号和2号）安装在冷冻试验箱测试孔中，试验箱内温度控制≤-10℃并保持稳定。
第二步将2根冻土器从同一端开始，同步拔出（插入）相同长度，待足够长时间使冻土器冻结达到平衡后，人工观测1号和2号冻土器冻结深度，记录后恢复原样。
第三步在第二步基础上，再同步拔出（插入）相同长度，重复第二步进行测试，整个过程至少获得10组对比观测数据。
第四步将2号冻土器观测值和1号冻土器观测值相减，计算2根冻土器间的系统误差（）和标准偏差（）。
（公式1）
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公式1中，---2号冻土器第个样本观测值,---1号冻土器第个样本测量值，---对比观测样本数。
（公式2）
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公式2中，---2号冻土器与1号冻土器第个样本测量差值，---系统误差，---对比观测样本数。
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图1 冻土器不确定度测试示意图 图2观测仪准确性测试示意图
以作为冻土器不确定度，当较大时，认为实验室评估测试结果不可靠，改进试验环境后再次测试。
（2）观测仪准确性
参照冻土器不确定度测试方法，保持1号冻土器不动，将其周围测试孔安装同一型号观测仪（图2），重复（1）步骤，分别计算每根观测仪与冻土器之间的系统误差（）和标准偏差（）。
（公式3）
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公式3中，---号观测仪第个样本观测值,---冻土器第个样本测量值，---对比观测样本数。
（公式4）
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公式4中，---号观测仪与冻土器第个样本测量差值，---号观测仪与1号冻土器间系统误差，---对比观测样本数。
需要注意的是，以上进行统计分析的数据，按照3倍标准差法剔除测量数据中的异常值。
（3）准确性评估指标
利用公式4和公式2分别计算每根观测仪与冻土器间准确性评估指标。
（公式5）
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公式5中，---公式4 号观测仪标准偏差，---公式2冻土器标准偏差。
当≤2cm时，号观测仪准确性指标合格。
2.1.1.2冻融分层响应
冻融分层响应测试（2～8层），可选用加热环、冻土盒、保温层等方法进行测试，观测仪应能正确响应对应冻融层次。
加热环法，将观测仪置于实验室制冷设备中，直至全部冻结后取出并接通电源，同时在层数等分点（依据测试层数换算等分点长度）安装加热环，对观测仪进行加热，模拟观测仪融化分层。
冻土盒法，使用预先冻结的冻土盒，将常温下的观测仪按层数等分插入冻土盒内并接通电源，模拟观测仪冻结分层。
保温层法，将观测仪每隔一段距离做一定宽度保温层，接通电源后放置实验室制冷设备中进行冷冻，模拟观测仪冻结分层。
2.1.1.3 分辨力能力测试
结合冻融分层响应测试过程中产生的样本数据，挑取相邻2分钟观测仪输出数据是否满足分辨力1cm的指标要求。
2.2 外场试验
按照气象行业的要求，观测仪应在至少2个不同气候特点的区域进行测试，每个气候区域连续测试至少3个月，且涵盖1个冻结融化季节，满足有关标准或规定的可靠性要求。
以分钟数据为测试评估分析单位，排除外界干扰，观测仪输出数据缺测率不大于2%为合格，即：
缺测率（%）=（测试期内累计缺测次数/测试期内应观测总次数）×100%≤2%
2.3 观测仪测试综合评定指标
静态测试、外场试验中有一项不合格时，视该观测仪不合格。根据静态测试、外场试验结果做出综合评定，观测仪中有2套或以上不合格，该型号观测仪不合格，否则合格。
3 结论
（1）测试中，利用气象台站分布特点选取测试站点开展外场试验和专业实验室静态测试，具有典型代表性和可操作性。
（2）使用老设备“TB1-1型冻土器”作为参考标准，采用新技术新方法，来评判新仪器，符合冻土业务一致性和延续性要求。
（3）2019年冬季采用此种方法对参加测试的观测仪进行综合评定，合格率为73.1%。通过测试的观测仪，分辨力为1cm，误差不超过2cm，采集器功耗不高于2W，MTTR不大于40min，MTBF大于8000h，使用寿命不少于8年，能为实现冻土自动化提供准确耐用、节能环保的硬件设施。
（4）冻土是目前地面气象观测中极少的人工观测项目之一，冻土自动化观测仪的业务化具有重要意义，为地面气象观测自动化提供了新的技术手段，是全面实现气象现代化、建成现代化气象强国的必要支撑。
参考文献
[1]安珑雨，文志刚，谢云欣等，中国永久冻土区天然气水合物研究现状［J］．资源环境与工程，2014，28(1)：5-9
[2]张永勤．国外天然气水合物勘探现状及我国水合物勘探进展［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(10) :1-4
作者简介：刘志刚(1980-)?,男,?满族，河北省秦皇岛市青龙县人，本科学历，副研级高工，?从事综合气象观测方面研究工作。