引言

结冰是冬季一种常见的天气现象。结冰现象会直接或间接地影响工业、农业、交通运输、商业等国民经济产业和生命财产安全。道路结冰(李蕊等，2011)被中国气象局列为第一批发布预警信号的突发气象灾害之一。因此如何准确地探测结冰过程就显得尤为重要。

目前有多种方法可以对结冰现象进行探测，例如光纤结冰传感器(邹建红等，2012；杨蓉等，2010；Ikiades，2007)，通过检测传感器端面是否有积冰来判断结冰，当没有结冰时，发射光将沿发射光纤射入空气，接收光纤探测不到任何发射光，当端面有结冰发生时，接收光纤就能通过接收光信号的强度及变化趋势，检测出结冰信息及厚度状态信息；电容式结冰传感器(秦建敏等，2007；张杰等，2006)则基于水、空气和冰的介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气和水；振动式冰传感器(丁立勋等，2006；Roy et al，1998) 则是基于振管在交变磁场的作用下产生磁致伸缩，然后将机械振动信号转变为电信号，传感器通过信号的频率测量来确定结冰的状态。此外红外热像法(李辉，2007)通过检测被测物表面结冰前后的热图像来确定其温度，通过比较结冰和未结冰的温度差来判别是否结冰以及结冰厚度。而在地面气象观测业务中(马舒庆等，2011；中国气象局，2003)，观测员通过观察小型蒸发皿或观测场周围水体是否结冰，记录结冰天气现象是否发生。然而这种观测方法不能准确给出结冰时间，并且依赖于观测员的主观判断。为了提高观测质量，改善工作效率，地面气象观测自动化已成为必然趋势。为了实现结冰自动化观测研制了结冰自动化观测装置，以实现地面气象观测中结冰天气现象的自动化观测。本文将介绍结冰自动化观测装置的工作原理，并结合观测数据对结冰过程进行分析。

1 结冰观测装置

图 1为结冰自动化观测装置示意图。装置由计算机、温度表和封闭的容器等组成。在封闭的容器中装一半的水，温度传感器漂浮在水面上，不断测量水面的实时温度，通过温度表显示，温度表将实时温度通过串口传输给计算机，然后通过软件判断结冰现象的开始时间和结束时间。

使用温度表记录水体温度，温度表的测量精度为±0.1℃。温度表使用铂电阻探头，将探头和浮漂捆绑在一起，漂浮在水面上，铂电阻刚好被水淹没，实时测量水体温度。装水的容器作密封处理，防止水的蒸发，并排除外界因素影响测量结果。

在结冰试验中，使用两种装置进行结冰自动化观测：一种观测装置是蒸发皿盛水，温度传感器漂在水面上，用玻璃片密封(图 1)，蒸发皿置于地上进行结冰的自动判别；另一种观测装置实物图(图 2)，装置长约20 cm，宽6 cm，高6 cm，装置置于地面上，装置密封；装置内水体的温度变化趋势基本与环境温度变化一致。两种装置中的水与地面气象观测站中蒸发皿装同类水。

2 观测方法和软件 2.1 观测方法

水要结成冰，首先水的温度要降到0℃以下，形成过冷水(樊玲，2006；曲凯阳等，2003)。从热力学观点来看，过冷水处于亚稳态，该状态的解除需要大于临界尺寸的冰核的形成，当过冷水中出现尺寸大于临界尺寸的冰核时，结冰过程开始，冰核在冷水中长大，最终形成宏观意义上的冰。水体结冰是一个液—固相变过程(刘中良等，2003)，水从液相转变到固相的过程短时间内会释放大量潜热，造成水体温度迅速升高，形成一个温度突变上升过程，最后终止在0℃，如图 3所示。可以通过检测这一温度突变上升过程来判断结冰现象是否发生。

2.2 软件检测流程

软件将接收的水体温度数据进行处理，判断结冰过程的开始和结束(图 4)。软件主要是通过捕获结冰过程中温度的突变过程来判断结冰过程的开始。当水体温度同时满足条件1、条件2、条件3时，软件判断结冰过程开始，在结冰过程开始后，当水体温度满足条件4时，软件判断结冰过程结束。这就是一个完整的结冰过程。

3 试验和分析

试验在北京市南郊观象台进行，观测结冰过程中不同阶段水体温度的变化，判断结冰自动化观测装置是否正常工作，记录结冰过程中水体温度并对数据进行分析。

为了得到结冰过程中温度的变化规律，选取了2011年11—12月期间一些水体结冰的温度数据进行分析，如图 5所示。

通过上述结冰过程中水体温度变化的折线图，可以得到结冰过程中水体温度不同阶段的变化特征。一个完整的结冰过程按照时间先后顺序可以分为四个阶段。

第一阶段：温度下降阶段。在此阶段受到环境温度的影响，水体温从0℃以上降低到0℃以下，水体并没有马上结冰，水体温度还会继续下降并会在0℃以下持续一段时间。

第二阶段：温度突变上升阶段。温度下降到零下某一温度后，部分水体开始结冰，结冰的水体大量释放热量，然后水体温度有一个明显的突变上升过程，温度突变上升到0℃，结冰识别软件正是通过检测水体温度的突变上升过程来判断结冰现象的发生。

第三阶段：温度恒定阶段。水体温度突变到0℃后，结冰过程开始，水体全面结冰，温度在一段时间内保持稳定，保持在0℃，没有大的波动，此后水体温度有可能继续下降。

第四阶段：冰融化阶段。结冰后，如果外界环境温度上升，那么冰体温度也将随之上升，到达0℃以上温度后，就开始融化。

在结冰过程中都存在明显的温度突变上升过程，现对2011年11—12月的结冰温度数据进行分析，统计温度突变过程中温度上升的幅度(表 1)。

从表 1可以看出，温度突变上升的幅度约在1.58~3.7℃之间，容易被识别，因此温度突变过程可以作为结冰的判断标志。

为了验证结冰自动化观测装置对结冰过程判断的准确性，从2012年11月开始做相关的试验，并与人工观测结冰的结果进行对比(表 2)。

从表 1可以看出，结冰自动化检测装置检测结冰现象的发生的准确率还是比较高的。在20次结冰过程中识别软件检测到了18次结冰现象的发生。11月26日和12月19日未检测到结冰的原因是铂电阻探头未正确放置，没有正确地反映水体温度变化，铂电阻应该恰好被水淹没。如果完全漂在水面上或者在水很深的位置，将对结冰的正确判断造成影响。因而造成水体温度下降幅度很小，没有明显的温度突变现象，未满足软件识别条件。

4 结论

(1) 结冰自动化观测装置是一种检测水结冰释放潜热、造成温度突升到0℃的传感器。

(2) 通过结冰温度观测数据分析发现：结冰过程中都存在一个明显的温度突变上升过程，温度上升的幅度在1.58~3.7℃之间。因此温度突变可以作为结冰现象的判断标志。

(3) 2012年11—12月进行结冰试验20次，自动化观测装置能够准确地检测到结冰过程18次，检测的准确率高。

下一步将对不同天气条件下，温度突变上升的不同幅度的规律进行研究；铂电阻在水中不同的位置与结冰的关系进行研究。针对个别情况未能正确地识别结冰现象，将对装置不断进行完善，以便使装置更好地工作。