芮建文，杨婷婷，芮建梅
(1.哈密市气象局，哈密 839000；
2.宝鸡市气象局，宝鸡 721006)
冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或以下而呈冻结的状态，是中国气象局统一布局的观测项目[1]。当地表温度下降到0 ℃或以下时开始观测，于每日08：00观测1次，直到土壤完全解冻后停止观测，观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度。冻土观测数据在气候监测和灾害预报等领域有着极其重要的作用，国内各业务台站观测冻土普遍使用的是TB1-1型冻土器。冶林茂[2]等认为冻土观测方法并不科学且观测不方便、耗时耗力、测量数据密度不够，不能实时监测冻土深度及其发展变化情况。苗传海[3]等简述了常规观测方法存在的观测误差、标尺误差等缺陷。沙莉[4]等指出传统的测量方式会造成冻土深度测量的准确度低，难以适应气象观测现代化对高精度自动观测的需要。因此，冻土项目的观测设备及观测方法急需进行针对性和实质性的改进，以解决以上弊端，进一步提高各业务台站的观测质量和观测效率。
为贯彻落实中国气象局关于全面实现地面观测自动化的决策部署，实现地面气象要素全自动、智能化观测，中国气象局加大了自动化观测设备的推进部署。2020年11月下旬DTD5型冻土自动观测仪开始在哈密局推广应用。自此，冻土结束了长达半个多世纪的人工观测，实现了自动、连续观测，其观测准确度也大幅度提升，能够更好地为各行各业提供服务。
哈密局下属6个国家级业务台站采用的是DTD5型冻土自动观测仪，其根据水与冰相变后电阻发生改变的物理特性，利用非纯净水做感应介质(自来水、河水、井水即可)，每1 cm设置1个电极，根据每层电极检测信号判别土壤冻融状态，建立相关数学模型，计算出土壤冻结层次及其上限和下限深度。
DTD5型冻土自动观测仪由软件和硬件两部分组成。软件为嵌入式软件；
硬件主要由传感器、数据采集器、供电单元(在无外部供电条件下，蓄电池必须保证仪器能连续运行7 d以上)和外围设备4大部分组成，独立挂接至串口服务器(综合集成硬件控制器)，通过ISOS业务软件显示冻土观测各相关数据，其硬件结构示意图如图1所示。
图1 DTD5型冻土自动观测仪硬件结构示意图
3.1 安装
设备的安装位置，应符合《地面气象观测规范》中关于观测场仪器布局的原则，满足《新型自动气象站观测场值班室建设规范0922版》中相关要求，同时达到ISO9001质量管理体系审核(内审+外审)要求。由于各业务台站的观测任务不同，为便于安装与维护，根据当地历史极值资料，可采取集成式(0～150 cm冻结层)或分段式方法(>150 cm冻结层)安装。其中：数据采集器箱(水泥基座大小为350 mm(长)×350 mm(宽)×600 mm(深)、埋入地下550 mm、高出地面50 mm)，安置在备份站(备站)地温分采东侧60 cm处；
传感器安装在备份站320 cm地温外套管南侧，间距50 cm，南北成列、东西成行、自西向东、由深到浅(注：传感器0 cm测量单元与外套管0线刻度要保持平齐，并与观测场裸露地表处在同一水平面上)。哈密局下属台站冻土冻结层不同，安装略有不同。
3.2 调试
待冻土机箱、采集器、传感器各线路连接正确后，需对设备进行调试：
1)通过RS-485与采集器通讯，打开串口调试助手，设置波特率为9600 bps，数据位为8，奇偶校验为无，停止位为1；
2)打开串口，待串口调式助手显示准备就绪后，发送命令“HELP”，收到返回命令，则表明程序运行正常；
3)发送“DATETIM”命令，查看软件运行时间，重新用“DATETIM”订正时间至当前时间。
3.3 初始化参数设置
由于冻土自动观测仪为独立挂接项，需要在ISOS软件中设置正确的端口，待ISOS软件与冻土自动观测仪通信正常后，需要对参数进行初始化设置。以某基准站(区站号12345、88°44′E、66°16′N)为例，冻土自动观测仪参数初始化设置具体如下：
3.4 输出数据格式
冻土自动观测仪各参数设置完毕后，通过ISOS业务软件主菜单命令：设备管理→维护终端→选择端口→冻土串口处理→输入“READDATA”命令，敲回车确认，以某基准站为例，ISOS终端返回如下数据格式：
“BG，812345，00，YSFS，001，20210115124600，001，005，13，ATAa，000，ATAc，071，ATIa，000，ATIc，071，ATIb，1201，00000，z，0，xD_AT，0，y_ATA150，0，y_ATA300，-，y_ATA450，-，xB_AT150，0，xB_AT300，-，xB_AT450，-，wA_AT150，0，wA_AT300，-，wA_AT450，-，tC_AT，0，rI_AT，0，3982，ED”
从中可以得出：BG为数据段起始标识；
区站号为12345；
台站类型为基准站；
仪器设备标识符为YSFS；
设备ID为001；
数据观测时间为北京时间20210115124600；
调取为当前实时分钟数据；
台站当前冻土数据为0～71 cm；
台站冻土极值上下限为0～150 cm等相关设备信息。
业务运行过程中，在确保胶管内水分充足的前提下，如遇到冻土自动观测仪采集数据异常、数据缺测或仪器故障，参照以下方式对故障进行逐一排查。
4.1 业务软件端排查
首先查看其他独立挂接(如日照、能见度等)项数据是否正常，如正常，将独立挂接项PORT口切换至冻土使用PORT口(独立挂接项在ISOS中相应参数也需要做相应的修改)，如数据显示正常，则排除了电脑远端至综合集成硬件控制器之间的通讯及综合集成硬件控制器PORT口异常；
通过ISOS软件维护终端发送相关命令查询仪器是否能正确返回ID、时间、冻土各相关数据等，如显示正常，则进一步排除了综合集成硬件控制器的异常。
4.2 设备硬件端排查
4.2.1 采集器端排查
1)查看电源指示灯是否常亮，如果常灭，检查电源端子是否连接松动，接线是否牢固，重新接线插入，如仍未启动，对空气开关端子电压进行测量，若电压异常则排查电源箱接线是否合理及正常，若电压显示正常，则说明主板发生故障，需更换主板；
2)电源指示灯正常，检查运行指示灯是否正常闪烁，如不闪烁，则主板出现故障，需更换新的主板；
3)使用串口调试助手，通过RS-485接口与采集器通讯，连续发送“DATETIME”指令，如连续返回正常，则排除采集器故障，需进一步排查传感器是否异常。
4.2.2 传感器端排查
1)检查传感器和采集器之间的线路是否正常(是否有破损、松动)，重新插拔后，使用串口调试助手确认二者之间的通讯是否正常。2)若某一传感器出现故障，将直接导致该层对应的数据出现错误或异常，通过串口调试助手发送“sensor_para”指令，对异常数据进行监视、观察每层电阻值。若某一层或某几层电阻值对应均为0(观测期正常情况下终端返回数据段均为非零，例如某站发送指令后终端返回<150 150 150 150>)，则说明该层传感器发生故障，已无法正常运行。
由于冻土观测具有其特殊性，在日常工作中，应定期做好冻土自动观测仪的日常检查、维护和保养工作，确保设备在观测来临时能正常启动运行。
定期查看传感器状态灯了解设备运行、通信状态；
定期查看设备各连接部分损坏或腐蚀情况及程度；
定期检查供电设施，确保交流—直流—蓄电池切换正常并对蓄电池进行充放电；
对传感器补水维护时，应错开正点并避免内管中留有气泡；
对仪器的故障维修和数据处理等情况需进行相关备注。冻土期来临前1个月，对传感器进行全面检查与维护：查看外套管中有无积水、杂物；
外套管与土壤接触是否紧密；
传感器内管、外管的0线与地面是否齐平等，如发现问题，应立即处理。冻土期结束后，将内管水排空，冲洗干净后收回值班室或安放在原处，同时避免杂物等落入外套管内。
自动观测仪的推广应用，极大地减轻了人工劳动量，提高了工作效率，为今后全面实现地面气象自动化观测奠定了坚实基础。DTD5型冻土自动观测仪具有稳定性强、测量精度高、安装维护简单等特点，文章对其结构、安装调试和维护维修方法进行了介绍，在日常工作中工作人员应加强维护、维修和保养，确保各仪器设备正常运行并能解决极端情况下出现的各种问题。
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