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优秀成果展示——土壤多要素自动化观测关键技术研究与应用

发布者:   来源:   发布时间:2024/10/4 0:00:00   标签:   浏览次数:2332

成果评价编号: 中气科成评[2023]060
评价结果: 良好
成果名称: 土壤多要素自动化观测关键技术研究与应用
完成单位: 河南省气象科学研究所、河南中原光电测控技术有限公司、中国气象局气象探测中心
成果形式: 应用研究和技术开发类-仪器
研究领域: 综合气象观测
评价年份: 2023
完成人: 赵国强、陈海波、李鹏、吴东丽、余国河、张广周、吴苏、师丽魁
成果简介: 该成果面向国家粮食安全、寒区重大工程建设、生态文明建设、应对气候变化等对土壤水分、土壤温度、冻土深度及干土层厚度数据的迫切需求,针对观测方式落后,特别是冻土和干土观测仍采用人工方式,土壤水分和土壤温度观测仪器自动化、智能化、集成化程度低的问题,在国家公益性行业(气象)科研专项、全国新增千亿斤粮食生产能力气象保障工程专项、中国气象局局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室开放研究基金等项目资助下,开展了土壤多要素自动化观测关键技术的研究与应用。经过10多年攻关,解决了土壤水分、土壤温度、冻土深度及干土层厚度等土壤多要素自动化、智能化、一体化观测问题。
本成果主要取得以下创新: 1.土壤多要素自动化观测技术。发明了基于频域反射、柔性电路和半导体测温技术测量土壤水分、土壤温度、冻土及干土的土壤多要素传感器,测点间距由10cm提高到2.5cm,解决了小麦、玉米等农作物在生长发育期各阶段对垂直高分辨率土壤水分、土壤温度观测数据的需求。检测电容和温度测量传感元件集成柔性电路设计,实现了单体传感器多要素测量,解决了过去土壤水分、土壤温度、冻土深度及干土层厚度独立观测的问题。建立了一套土壤多要素传感器的安装、标定和检测方法,形成了完备的生产、标定、检测体系和一套现代化生产过程管理模式。 2.土壤冻融干湿模型构建技术。设计建造了一种模拟冻土环境的实验室,开展了土壤冻融特性试验研究,发现了一种基于介电系数变化检测土壤含水量变化和水冰相态转变的方法,分析了土壤中空气、水或冰及干土在不同温度下介电系数变化特征,确定了土壤冻结和融化温度受土壤质地和初始含水量大小等因素的影响,建立了基于介电系数和土壤温度判别土壤冻融、干湿状态的数学模型,发明了一种冻土深度计算模型。 3.系统开发及系列化产品应用技术。构建了土壤多要素自动观测站网,开发了土壤多要素数据管理与观测应用服务平台,实现了有效降水、渗透深度和土壤有效含水量分析等功能,支持B/S、C/S、APP等多种应用模式,满足了不同用户的需求,建立了完整的土壤水分、土壤温度、冻土及干土观测业务体系,形成了土壤体积含水量、土壤温度、重量含水量、相对湿度、冻土深度及干土层厚度等数据的区域分布图、多层逐时曲线图和多站逐时曲线图等应用服务产品。 共获得国家发明专利2件,实用新型专利3件,气象专用技术装备使用许可证2项,软著10项,制定国家标准、气象行业标准、地方标准各1项,发表论文19篇,出版著作2部。以李泽椿院士为组长的专家组一致认为该成果总体技术达国际先进水平,冻土自动化观测技术达到国际领先水平。
研究成果已在全国气象、农业农村、水利、生态环境等行业推广应用6000余套,其中气象行业占有率为55%,构建了土壤水分、冻土、地温等土壤多要素自动观测网,开发的自动土壤水分数据处理分析系统、冻土监测与灾害预警服务系统等软件平台在多家单位进行应用。完成的行业标准《自动土壤水分观测仪》成为行业业务准入基本要求,国家标准《土壤水分观测 频域反射法》在国内首次提出频域反射法进行土壤水分观测的技术要求,推动行业技术进步。成果在气象观测业务中应用,减少了基层台站的观测工作量,解放了人力,节省了基层台站运行经费,丰富了业务观测手段和服务产品,提升了业务综合观测能力,激发了科研人员的研发创新活力,培养了一支土壤水分、冻土及干土层自动化观测技术研发团队。 研究成果符合国家粮食安全、生态文明建设、应对气候变化等重大战略需求,在全国气象、农业农村、水利、生态环境等行业全面推广应用,为农业生产、节水灌溉决策、高标准农田建设、寒区重大工程建设、气候变化研究、旱涝、冻灾、山体滑坡等气象灾害预警等提供了准确的观测资料、急需的服务产品和可行的解决方案,为政府决策服务提供科学全面的数据支撑,社会效益显著。
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