凍土觀測 頻域反射法-編制說明

一、工作簡況（包括任務(wù)來源、協(xié)作單位、工作過程、主要起草人及其所做

的工作等）

1．任務(wù)來源

本文件由全國氣象儀器與觀測方法標準化技術(shù)委員會（SAC/TC507）提出并歸口。項目于2022年

批準立項，計劃號20220607-T-416，計劃項目名稱《凍土觀測頻域反射法》。該項目由河南省氣象科學(xué)

研究所陳海波負責，第一起草單位為河南省氣象科學(xué)研究所。

2．協(xié)作單位

河南中原光電測控技術(shù)有限公司、中國氣象局氣象探測中心、河南省氣象局。

3．標準主要起草人及其所做的工作

本標準的主要起草人包括：陳海波、余國河、李鵬、吳東麗、李翠娜、成林、李樹巖、趙國強、師

麗魁、王艷斌、張廣周、陳濤、胡程達、田宏偉、張溪荷。

人員分工情況見表1。

人員分工表

序號姓名單位職務(wù)/職稱任務(wù)分工

負責標準總體編寫，確定標準制

定原則及標準主要技術(shù)內(nèi)容，全

1陳海波河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師

面負責整個標準的框架結(jié)構(gòu)，協(xié)

調(diào)編制小組成員工作

總體負責標準具體技術(shù)內(nèi)容表

2余國河河南中原光電測控技術(shù)有限公司正研級高工述的協(xié)調(diào)和把關(guān)，研究與已有標

準和產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性

總體負責標準技術(shù)內(nèi)容各部分

3李鵬河南中原光電測控技術(shù)有限公司高級工程師

的起草和測試試驗。

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

4吳東麗中國氣象局氣象探測中心正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

5李翠娜中國氣象局氣象探測中心正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

6成林河南省氣象科學(xué)研究所正研級高工負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

7李樹巖河南省氣象科學(xué)研究所正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

8趙國強河南省氣象局正研級高工負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

9師麗魁河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責測量性能試驗方法的部分

1

內(nèi)容起草和試驗

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

10王艷斌河南中原光電測控技術(shù)有限公司正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

負責試驗方法、測試數(shù)據(jù)的分析

11張廣周河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師

處理

負責技術(shù)要求、試驗方法的部分

12陳濤河南中原光電測控技術(shù)有限公司高級工程師

內(nèi)容起草

13胡程達河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

14田宏偉河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責試驗數(shù)據(jù)處理

15張溪荷河南省氣象科學(xué)研究所工程師負責文件內(nèi)容的標準化

4．主要工作過程

（1）成立起草組、召開啟動會、任務(wù)分工、制定工作計劃

2022年7月本標準任務(wù)下達后，成立了標準起草工作組，確定了工作組人員名單，工作組召開了

第一次工作會議，在前期申請立項調(diào)研、資料收集整理和分析，匯總立項申報會專家意見的基礎(chǔ)上，對

標準制定的內(nèi)容進行了深入研究，確定了標準的基本編制思路、內(nèi)容和框架，明確了人員分工并制定了

工作計劃。

（2）組織調(diào)研、研討咨詢、確定技術(shù)路線

2022年8月～2022年10月，完成了標準編寫的前期準備工作，項目組學(xué)習(xí)了國內(nèi)外相關(guān)標準、指

南、規(guī)范等文件，調(diào)研了相關(guān)企業(yè)，廣泛征求各方意見，依據(jù)立足國內(nèi)技術(shù)，追蹤國際先進技術(shù)的原則，

初步確定了本標準的具體技術(shù)參數(shù)。

（3）技術(shù)參數(shù)的試驗、分析和驗證

2022年11月，標準起草工作組根據(jù)前期調(diào)研情況，組織相關(guān)專家對標準編制的進展情況進行研討，

圍繞頻域反射法凍土觀測儀開展了大量的實驗和測試，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析整理，工作組對本標準中

規(guī)定的各項技術(shù)參數(shù)進行了驗證，確保了各項技術(shù)參數(shù)的可行性。

（4）完成工作組討論稿

2022年12月，工作組召開會議，對前期試驗進行了總結(jié)，根據(jù)測試結(jié)果，組織討論、修訂，形成

工作組討論稿。

（5）完成征求意見稿

2023年1月～2023年2月，根據(jù)GB/T1.1—2020給出的規(guī)則，對《凍土觀測頻域反射法》工作

組討論稿進行了修改，對標準文本組織修改和完善，形成征求意見稿。

二、標準編制原則和確定標準主要內(nèi)容的論據(jù)

1．標準的編制原則

2

本標準依據(jù)GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)范

和要求編寫，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠。

標準制訂遵循“面向需求、服務(wù)行業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，標

準的制訂與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、行業(yè)推進、應(yīng)用推廣相結(jié)合，統(tǒng)籌推進。

（1）科學(xué)性和規(guī)范性原則

本標準充分借鑒和參考了國際、國家和行業(yè)標準，吸收國際上先進經(jīng)驗和技術(shù)，強調(diào)標準的科學(xué)性

和規(guī)范性，與國際接軌。

（2）簡化性、實用性原則

在起草過程中，編寫組在滿足需求的前提下，充分考慮國內(nèi)實際情況，從標準便于實施的角度出發(fā)，

對需要規(guī)范的技術(shù)內(nèi)容進行了篩選和提煉。

（3）協(xié)調(diào)性原則

編寫組在收集已有的研究成果、查閱大量資料、征求多方意見的基礎(chǔ)上，在綜合考慮各方面需求和

意見的基礎(chǔ)上，對標準內(nèi)容進行了適當?shù)恼{(diào)整，力求內(nèi)容全面，規(guī)定具體，語言通俗，易于實施。

2．標準的主要內(nèi)容及論據(jù)

本標準規(guī)定了頻域反射法原理測量土壤凍土觀測方法所涉及的儀器組成、站址環(huán)境要求、儀器安裝、

儀器標定、維護維修和儀器檢定等內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)組成

儀器應(yīng)檢定合格，具有國務(wù)院主管機構(gòu)業(yè)務(wù)主管部門頒發(fā)的使用許可證，或經(jīng)國務(wù)院主管機構(gòu)業(yè)務(wù)

主管部門審批同意用于觀測業(yè)務(wù)，并符合GB/T28418-2012中的5的觀測儀器的基本技術(shù)性能要求。一

般情況下，業(yè)務(wù)化儀器應(yīng)符合通用要求、外觀、工作環(huán)境條件、基本參數(shù)、電氣性能、機械環(huán)境適應(yīng)性

和可靠性等7個基本要求。

（2）儀器安裝環(huán)境要求

根據(jù)凍土自動觀測儀器的原理，提出選址要求、時制與日界、描述與記載和數(shù)據(jù)格式等要求。

（3）儀器安裝

根據(jù)《自動凍土觀測規(guī)范》提出儀器布設(shè)要求。根據(jù)QX4－2015氣象臺（站）防雷技術(shù)規(guī)范，提

出防雷要求。

（4）儀器標定

根據(jù)《自動凍土觀測規(guī)范》和《自動凍土觀測儀功能規(guī)格需求書》，為了保證自動觀測凍土的準確

性和可靠性，提出實驗室標定和田間標定的方法和規(guī)定。

（5）維護維修和儀器檢定

根據(jù)《自動凍土觀測規(guī)范》和《自動凍土觀測儀功能規(guī)格需求書》，F(xiàn)DR型凍土自動觀測需要定期

3

和不定期的人工維護，提出了維護維修和儀器檢定的要求。

三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟論證，預(yù)期的經(jīng)濟效

果

為檢驗自動凍土數(shù)據(jù)準確性和穩(wěn)定性，按照《自動凍土觀測規(guī)范（試行）》要求和有關(guān)文件，編制

單位在實驗室采用比色法對儀器進行試驗評估，比色法是發(fā)明專利《一種基于比色法的凍土觀測方法及

裝置(專利號：ZL201811544248.9)》中設(shè)計的方法，其原理如下：

比色法是一種通過凍結(jié)前后土壤顏色變化判斷凍結(jié)深度的方法。根據(jù)土壤凍結(jié)前后土中水分物態(tài)變

化（液態(tài)水-固態(tài)冰）這一特點，在土壤中加入高錳酸鉀，高錳酸鉀是一種溶于水顯色的溶質(zhì)，把高錳

酸鉀拌入土壤后，溶質(zhì)溶于土壤中的水分使土壤呈現(xiàn)暗紅色，凍結(jié)后土壤中水分變?yōu)楣虘B(tài)無法溶解溶質(zhì)，

土壤的顏色褪去，凍土融化后水分再次溶解高錳酸鉀使土壤顏色恢復(fù)。凍土和未凍土具有明顯的顏色差

異，把土壤放置在特制透明凍土觀測新裝置中，即可直觀的觀測凍融界面。

1.數(shù)據(jù)檢驗方法

N

xiai

單次平均絕對誤差：σi1

jN

M

σj

總平均絕對誤差：σj1

M

式中：--儀器觀測值；

xi

--人工觀測值；

ai

N--對比觀測次數(shù),有效樣本次數(shù)不能少于6次,樣本分布時間不小于1個月；

M—觀測層數(shù)；

σ--人工對比觀測結(jié)果多次絕對誤差的平均值。

數(shù)據(jù)檢驗標準：總平均絕對誤差σ≦2.5%。

總平均誤差符合檢驗標準，考慮到資料的應(yīng)用效果，結(jié)果平均絕對誤差應(yīng)控制在2.5%以內(nèi)(≤

2.5%)。

2.比色法自動觀測與人工觀測具體檢驗方法及結(jié)果

（1）比色法土壤凍結(jié)實驗方法

比色法土壤凍結(jié)實驗中，在土壤中加入高錳酸鉀溶質(zhì)，通過土壤顏色變化判斷土壤凍結(jié)深度。添加

4

的高錳酸鉀與土壤重量比為3:100，其干土108kg，水10.8kg，高錳酸鉀粉末3.24kg，凍結(jié)起始日期為

2018年4月23日，溫度設(shè)置為-15℃。傳感器測量凍結(jié)深度于2018年5月1日達到40cm，5月10日

凍結(jié)達到40cm，關(guān)閉冷庫凍土器，打開冷庫門使溫度上升，凍土于2018年5月15日完全融化。

凍結(jié)深度如下圖所示，藍色曲線為實測土壤凍結(jié)深度，通過在相同環(huán)境下用同一相機拍攝的照片，

經(jīng)過圖像處理計算得到；紅色和綠色曲線分別為凍土器和傳感器凍結(jié)深度。凍結(jié)過程中，凍土器測量深

度于50h左右快速上升，并于90h左右完全凍結(jié)，凍結(jié)速度明顯快于實際凍結(jié)速度，達到40cm提前實

際測量值近80h。凍結(jié)過程中凍土器的測量值均提前于實際值，其原因可能有以下幾點：（1）空氣熱傳

遞效率高于土壤，對外界溫度的變化的響應(yīng)速度在凍土器內(nèi)部通過空氣傳播要快于通過土壤傳播，降溫

更快；（2）水的凍點溫度為0℃高于土壤，因此先于土壤凍結(jié)；（3）凍土器每次觀測時需要插拔膠管使

得空氣交換加快，冷空氣更早進入。在融化過程中凍土器融化速度也提前于實際觀測深度和傳感器測量

深度，這一規(guī)律與外場凍土觀測站測量數(shù)據(jù)相反，其原因在于，融化跟物質(zhì)融點溫度和當前溫度相關(guān)，

凍土器中水的融點溫度高于土壤應(yīng)更晚融化，然而在實驗室試驗時，室溫達到20℃以上，觀測時插拔

凍土器使熱空氣進入，加快了凍土器融化速度；外場觀測時早上八點溫度較低，插拔對管內(nèi)溫度影響相

對較小，因此導(dǎo)致實驗室內(nèi)凍土器提前融化而外場凍土器融化滯后?？傮w而言，傳感器測量值與實際深

度相差較小，且趨勢基本一致。

圖1土壤凍結(jié)深度

下圖為設(shè)備測量值與實際深度誤差的絕對值，紅色曲線為凍土器誤差，綠色曲線為傳感器誤差，凍

土器最大誤差為26cm，而傳感器最大誤差為8cm。表中，凍土器誤差絕對值平均為5.08cm，傳感器誤

差絕對值平均為1.6cm且標準差為2.43小于凍土器的7.86。傳感器測量值誤差相比凍土器傳感器誤差

要小，但也有一定波動，分析原因可能由硬件受溫度影響也可能由于實際值觀測時環(huán)境不一致等因素導(dǎo)

5

致，整體而言，傳感器測量深度與實際深度更為接近，且更穩(wěn)定。

圖2土壤凍結(jié)深度設(shè)備測量誤差

表1土壤凍結(jié)試驗誤差統(tǒng)計分析

測量設(shè)備樣本數(shù)平均誤差誤差絕對值均值誤差絕對值標準差

凍土器242.085.087.86

傳感器24-0.731.62.43

3.實驗結(jié)論

在比色法土壤凍結(jié)試驗中，凍土器由于空氣熱傳遞速度快、凍點溫度不同、觀測時插拔導(dǎo)致管內(nèi)外

空氣頻繁交換等原因，凍結(jié)和融化的時間均提前于實際值；凍土傳感器測量深度雖然與實際值有差異，

但差異較小，且趨勢基本吻合。試驗證明，凍土傳感器相對凍土器具有較高的測量精度，更接近實際值，

凍土自動觀測儀具有在業(yè)務(wù)上作為凍土器備件并替換其使用的可能性。

標準中提出的各項技術(shù)要求在實踐中是完全可以達到和實現(xiàn)的，符合GB/T1.1—2020給出的規(guī)則；

與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和強制性標準沒有矛盾；適用于開展頻域反射法凍土自動觀測的業(yè)務(wù)。

四、采用國際標準和國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況，或與測試的

國外樣品、樣機的有關(guān)數(shù)據(jù)對比情況

本標準為自研標準，未采用國際標準。

五、與有關(guān)的現(xiàn)行法律、法規(guī)和強制性國家標準的關(guān)系

本標準與現(xiàn)行有關(guān)法律、法規(guī)和強制性標準沒有矛盾。

六、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無。

6

七、標準作為強制性標準或推薦性標準的建議

本標準建議作為推薦性標準發(fā)布。

八、貫徹標準的要求和措施建議

本標準在批準發(fā)布后，建議國家氣象主管部門舉辦相關(guān)培訓(xùn)進行宣貫。

九、廢止現(xiàn)行有關(guān)標準的建議

無。

十、其他應(yīng)予說明的事項

無。

7

一、工作簡況（包括任務(wù)來源、協(xié)作單位、工作過程、主要起草人及其所做

的工作等）

1．任務(wù)來源

本文件由全國氣象儀器與觀測方法標準化技術(shù)委員會（SAC/TC507）提出并歸口。項目于2022年

批準立項，計劃號20220607-T-416，計劃項目名稱《凍土觀測頻域反射法》。該項目由河南省氣象科學(xué)

研究所陳海波負責，第一起草單位為河南省氣象科學(xué)研究所。

2．協(xié)作單位

河南中原光電測控技術(shù)有限公司、中國氣象局氣象探測中心、河南省氣象局。

3．標準主要起草人及其所做的工作

本標準的主要起草人包括：陳海波、余國河、李鵬、吳東麗、李翠娜、成林、李樹巖、趙國強、師

麗魁、王艷斌、張廣周、陳濤、胡程達、田宏偉、張溪荷。

人員分工情況見表1。

人員分工表

序號姓名單位職務(wù)/職稱任務(wù)分工

負責標準總體編寫，確定標準制

定原則及標準主要技術(shù)內(nèi)容，全

1陳海波河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師

面負責整個標準的框架結(jié)構(gòu)，協(xié)

調(diào)編制小組成員工作

總體負責標準具體技術(shù)內(nèi)容表

2余國河河南中原光電測控技術(shù)有限公司正研級高工述的協(xié)調(diào)和把關(guān)，研究與已有標

準和產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性

總體負責標準技術(shù)內(nèi)容各部分

3李鵬河南中原光電測控技術(shù)有限公司高級工程師

的起草和測試試驗。

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

4吳東麗中國氣象局氣象探測中心正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

5李翠娜中國氣象局氣象探測中心正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

6成林河南省氣象科學(xué)研究所正研級高工負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

7李樹巖河南省氣象科學(xué)研究所正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

8趙國強河南省氣象局正研級高工負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

9師麗魁河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責測量性能試驗方法的部分

1

內(nèi)容起草和試驗

負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

10王艷斌河南中原光電測控技術(shù)有限公司正研級高工

和文件內(nèi)容的標準化

負責試驗方法、測試數(shù)據(jù)的分析

11張廣周河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師

處理

負責技術(shù)要求、試驗方法的部分

12陳濤河南中原光電測控技術(shù)有限公司高級工程師

內(nèi)容起草

13胡程達河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責技術(shù)要求的部分內(nèi)容起草

14田宏偉河南省氣象科學(xué)研究所高級工程師負責試驗數(shù)據(jù)處理

15張溪荷河南省氣象科學(xué)研究所工程師負責文件內(nèi)容的標準化

4．主要工作過程

（1）成立起草組、召開啟動會、任務(wù)分工、制定工作計劃

2022年7月本標準任務(wù)下達后，成立了標準起草工作組，確定了工作組人員名單，工作組召開了

第一次工作會議，在前期申請立項調(diào)研、資料收集整理和分析，匯總立項申報會專家意見的基礎(chǔ)上，對

標準制定的內(nèi)容進行了深入研究，確定了標準的基本編制思路、內(nèi)容和框架，明確了人員分工并制定了

工作計劃。

（2）組織調(diào)研、研討咨詢、確定技術(shù)路線

2022年8月～2022年10月，完成了標準編寫的前期準備工作，項目組學(xué)習(xí)了國內(nèi)外相關(guān)標準、指

南、規(guī)范等文件，調(diào)研了相關(guān)企業(yè)，廣泛征求各方意見，依據(jù)立足國內(nèi)技術(shù)，追蹤國際先進技術(shù)的原則，

初步確定了本標準的具體技術(shù)參數(shù)。

（3）技術(shù)參數(shù)的試驗、分析和驗證

2022年11月，標準起草工作組根據(jù)前期調(diào)研情況，組織相關(guān)專家對標準編制的進展情況進行研討，

圍繞頻域反射法凍土觀測儀開展了大量的實驗和測試，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析整理，工作組對本標準中

規(guī)定的各項技術(shù)參數(shù)進行了驗證，確保了各項技術(shù)參數(shù)的可行性。

（4）完成工作組討論稿

2022年12月，工作組召開會議，對前期試驗進行了總結(jié)，根據(jù)測試結(jié)果，組織討論、修訂，形成

工作組討論稿。

（5）完成征求意見稿

2023年1月～2023年2月，根據(jù)GB/T1.1—2020給出的規(guī)則，對《凍土觀測頻域反射法》工作

組討論稿進行了修改，對標準文本組織修改和完善，形成征求意見稿。

二、標準編制原則和確定標準主要內(nèi)容的論據(jù)

1．標準的編制原則

2

本標準依據(jù)GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)范

和要求編寫，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠。

標準制訂遵循“面向需求、服務(wù)行業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，標

準的制訂與技術(shù)創(chuàng)新、試驗驗證、行業(yè)推進、應(yīng)用推廣相結(jié)合，統(tǒng)籌推進。

（1）科學(xué)性和規(guī)范性原則

本標準充分借鑒和參考了國際、國家和行業(yè)標準，吸收國際上先進經(jīng)驗和技術(shù)，強調(diào)標準的科學(xué)性

和規(guī)范性，與國際接軌。

（2）簡化性、實用性原則

在起草過程中，編寫組在滿足需求的前提下，充分考慮國內(nèi)實際情況，從標準便于實施的角度出發(fā)，

對需要規(guī)范的技術(shù)內(nèi)容進行了篩選和提煉。

（3）協(xié)調(diào)性原則

編寫組在收集已有的研究成果、查閱大量資料、征求多方意見的基礎(chǔ)上，在綜合考慮各方面需求和

意見的基礎(chǔ)上，對標準內(nèi)容進行了適當?shù)恼{(diào)整，力求內(nèi)容全面，規(guī)定具體，語言通俗，易于實施。

2．標準的主要內(nèi)容及論據(jù)

本標準規(guī)定了頻域反射法原理測量土壤凍土觀測方法所涉及的儀器組成、站址環(huán)境要求、儀器安裝、

儀器標定、維護維修和儀器檢定等內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)組成

儀器應(yīng)檢定合格，具有國務(wù)院主管機構(gòu)業(yè)務(wù)主管部門頒發(fā)的使用許可證，或經(jīng)國務(wù)院主管機構(gòu)業(yè)務(wù)

主管部門審批同意用于觀測業(yè)務(wù)，并符合GB/T28418-2012中的5的觀測儀器的基本技術(shù)性能要求。一

般情況下，業(yè)務(wù)化儀器應(yīng)符合通用要求、外觀、工作環(huán)境條件、基本參數(shù)、電氣性能、機械環(huán)境適應(yīng)性

和可靠性等7個基本要求。

（2）儀器安裝環(huán)境要求

根據(jù)凍土自動觀測儀器的原理，提出選址要求、時制與日界、描述與記載和數(shù)據(jù)格式等要求。

（3）儀器安裝

根據(jù)《自動凍土觀測規(guī)范》提出儀器布設(shè)要求。根據(jù)