新疆酸雨自動觀測與人工觀測對比試驗研究

彭 堅，郭鳳娟，辛備豫

（新疆氣象技術(shù)裝備保障中心，新疆 烏魯木齊830011）

酸雨觀測數(shù)據(jù)是科學研究和環(huán)境保護決策的重要依據(jù)。酸雨對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、森林、工業(yè)設(shè)備、建筑物、生態(tài)環(huán)境及人類健康等均產(chǎn)生不利影響，因此加強酸雨監(jiān)測對酸雨的污染防控和治理具有十分重要的現(xiàn)實意義。自20 世紀80 年代初中國氣象局就將酸雨觀測正式列為氣象觀測項目，作為氣象臺站的基本任務(wù)之一，并陸續(xù)在全國布設(shè)酸雨人工觀測站網(wǎng)[1]。在實際工作中，酸雨人工觀測對降水樣品的采集、測量、記載等方面具有不確定性和一定的偶然誤差，根據(jù)降雨開始或結(jié)束自動啟閉采樣蓋可以彌補以上缺陷。按照《綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2010—2015 年）》對酸雨觀測的目標和需求，2010年中國氣象局開始研制酸雨自動觀測系統(tǒng)。《全國氣象發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出加強建設(shè)氣象觀測自動化水平，構(gòu)筑氣象大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2020 年氣象部門在全國151 個氣象站完成了酸雨自動觀測系統(tǒng)建設(shè)和盲樣測試工作，根據(jù)部署，酸雨自動觀測業(yè)務(wù)于2021 年1 月1 日正式啟動，151 個氣象臺站開展了為期1 a 的自動和人工平行觀測，以全面掌握兩者間的數(shù)據(jù)偏差，確保人工觀測切換為自動觀測后歷史觀測數(shù)據(jù)的延續(xù)性，為進一步開展歷史數(shù)據(jù)訂正等奠定基礎(chǔ)[1]。

目前國內(nèi)學者對酸雨自動觀測系統(tǒng)的研究和討論主要集中在TCYI 1 型或TCYII 1 型酸雨自動系統(tǒng)的觀測儀器的性能、日常維護、故障維修及故障處理分析等方面[2-13]，而開展酸雨自動和人工平行觀測數(shù)據(jù)的對比分析研究較少。楊慧燕等[14]將人工酸雨數(shù)據(jù)與AMR 降水自動監(jiān)測儀測得的酸雨觀測數(shù)據(jù)進行比較分析，論證了AMR 降水自動監(jiān)測儀觀測資料的可用性，而目前大多數(shù)酸雨自動觀測系統(tǒng)采用TCYI 1 型或者TCYII 1 型分體式自動觀測儀器的一致性比對及原因分析卻鮮有報道。為加強和提高酸雨自動觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代表性、準確性和可比性，本文通過對人工和自動觀測pH 值和電導率數(shù)據(jù)進行走勢分析、相關(guān)性分析，以及差值方差分析，分析兩者誤差來源，以期能夠優(yōu)化酸雨自動觀測系統(tǒng)，為更好地開展酸雨自動化觀測提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 資料來源與工作方法

1.1 資料來源

研究資料來源于南北疆具有代表性的國家基本氣象站的觀測數(shù)據(jù)，即選取2021 年1 月—2022 年5月烏魯木齊市國家基本氣象站（以下簡稱“烏魯木齊氣象站”）和2021 年1 月—2022 年12 月伊寧市國家基本氣象站（以下簡稱“伊寧氣象站”），以及2020年4—12 月、2021 年1—8 月、2022 年3—5 月喀什氣象站的酸雨觀測數(shù)據(jù)共計206 條，開展自動和人工酸雨觀測對比實驗，分析兩者pH 值和K 值之間的差異。

烏魯木齊氣象站2020—2022 年降水量分別為199.6、258.7、204.6 mm；喀什氣象站2020—2022 年降水量分別為154.8、112.5、84.7 mm；伊寧氣象站2020—2022 年降水量分別為190.5、252.1、330.8 mm。人工觀測pH 值和電導率設(shè)備均為上海雷磁儀器廠出產(chǎn)，型號分別為pHS-3E 和DDS-307。

喀什氣象站2020—2022 年人工酸雨考核結(jié)果為優(yōu)秀，2020 年自動酸雨考核結(jié)果為優(yōu)秀，2021—2022 年酸雨考核結(jié)果pH 值為不合格，K 值為合格；烏魯木齊氣象站、伊寧氣象站人工測量考核為優(yōu)秀。

1.2 工作方法

酸雨平行觀測采用TCYI_1 型酸雨自動化觀測系統(tǒng)和人工pH 計、電導率儀。酸雨自動設(shè)備可用一臺設(shè)備，經(jīng)過流經(jīng)不同管路，分別測量pH 和電導率，而人工觀測設(shè)備需要分別用pH 計和電導率測量pH 和電導率。酸雨自動觀測采用北京時，每天的08 時為酸雨觀測降水采樣日界，當日08 時至次日08 時為一個降水采樣日，當一個降水采樣日內(nèi)，降水量達到1.0 mm 時，應采集一份降水樣品，并測量降水樣品的pH 值及電導率。酸雨觀測均嚴格按照酸雨觀測規(guī)范及酸雨自動觀測規(guī)范進行。

1.2.1 酸雨人工觀測方法

人工測量降水樣品pH 值、K 值前，應先將pH計、電導率儀預熱30 min 以上，確保降水樣品與標準緩沖溶液溫度差≤2 ℃。使用中性和酸性（或堿性）標準緩沖溶液對pH 計進行兩點校準后，將pH計調(diào)入測量狀態(tài)開始測量，讀取3 次穩(wěn)定的pH 讀數(shù)，并計算和記錄平均pH 值。測量K 值前，應先檢查電導電極常數(shù)設(shè)置是否正確，電導率儀調(diào)至測量狀態(tài)，讀取3 次穩(wěn)定的K 值讀數(shù)，并計算和記錄平均K 值。觀測員將記錄的數(shù)據(jù)錄入地面觀測業(yè)務(wù)軟件（ISOS）內(nèi)，發(fā)送酸雨報文。

1.2.2 酸雨自動觀測方法

TCYI_1 型酸雨自動化觀測系統(tǒng)由自動降水采樣器、降水樣品自動分析儀和數(shù)據(jù)綜合處理軟件組成，將實現(xiàn)酸雨自動觀測并實時上傳數(shù)據(jù)。當感雨器感應到降水時，降水采集器通過自動開蓋收集降水樣品，觀測人員將采樣袋內(nèi)的降水帶入實驗室進行恒溫處理，確保降水樣品與標準緩沖溶液溫度差≤2 ℃，隨后，將其轉(zhuǎn)移到降水樣品自動分析儀，啟動降水樣品自動分析程序，自動完成降水樣品pH值、K 值的測量及酸雨報文的自動傳輸。

2 結(jié)果分析

2.1 烏魯木齊酸雨平行比對情況

2.1.1 降水采樣偏差與完整性對比分析

烏魯木齊氣象站人工pH 電極第一次使用前在純水或3 mol/L 的氯化鉀溶液中浸泡24 h 后進行活化，日常存儲用氯化鉀溶液浸泡，每年更換電極；人工電導率電極日常存儲用純水浸泡，每2 年更換電極；自動酸雨電極每周用標準緩沖溶液校準pH 復合電極，每年定期更換新的pH 復合電極，每月用電導率校準液校準電導電極，每2 年更換電導電極。

根據(jù)觀測記錄，自動酸雨觀測系統(tǒng)未出現(xiàn)漏采或空采。觀測期間自動觀測獲取數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)均為56 條。

2.1.2 人工觀測與自動觀測比對情況

烏魯木齊氣象站共計56 條酸雨觀測數(shù)據(jù)，由圖1a 可知，人工觀測和自動觀測的pH 值呈強正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R 為0.803，斜率為0.852 2，人工觀測和自動觀測的pH 值非常接近。圖1b 和圖1c 中人工觀測與自動觀測的pH 值僅個別點差異較大，2021 年1月23 日、5 月1 日、5 月12 日、5 月20 日、5 月29日、8 月14 日、8 月15 日、9 月1 日及2022 年3 月15 日差值超過0.40，其中2021 年1 月23 日、5 月29 日、8 月14 日、9 月1 日及2022 年3 月15 日自動觀測的pH 值高于人工觀測值，其他4 d 均是自動觀測的pH 值低于人工觀測值。經(jīng)計算，pH 值自動觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)為6.75±0.62，pH 值人工觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)為6.69±0.58，自動觀測的pH 平均值略高于人工觀測的pH 平均值。

圖1 烏魯木齊人工與自動觀測pH 值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

由圖2a 可知，人工觀測和自動觀測的電導率呈強正相關(guān)，即具有很好的一致性，R2為0.985 1，斜率為1.184 9，人工觀測和自動觀測的電導率值非常接近，自動觀測電導率略高于人工觀測pH 值。由圖2b和圖2c 可知，人工觀測電導率與自動觀測電導率僅個別點差異較大，2021 年5 月1日、5 月12 日、5 月29 日、8 月15 日、12 月15 日及2022 年5 月7 日、5月27 日差值超過15 μs/cm，其中2021 年5 月1 日和2021 年12 月15 日自動觀測電導率高于人工觀測電導率，其他自動觀測電導率略低于人工觀測電導率，這2 d pH 觀測值差異較大，可能是管路污染影響的觀測偏差。由圖1a 也可知斜率略大于1，經(jīng)計算，烏魯木齊氣象站電導率自動觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（68.42±95.26）μs/cm，電導率人工觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（52.99±57.05）μs/cm，自動觀測的電導率平均值高于人工觀測的電導率平均值，自動觀測的pH平均值略高于人工觀測的pH 平均值。

圖2 烏魯木齊人工與自動觀測電導率值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

2.2 喀什酸雨平行比對情況

2.2.1 降水采樣偏差與完整性對比分析

喀什氣象站人工和自動觀測pH，電導電極每年更換一次。標準溶液、保養(yǎng)液每個月或校準前更換，純水一個月一次更換。根據(jù)觀測記錄，人工觀測和自動觀測系統(tǒng)記錄中降水起止時間有偏差，自動觀測系統(tǒng)應映比較慢。降水采樣也有偏差，大部分自動觀測系統(tǒng)測出來的降水量多。自動觀測系統(tǒng)存在漏采樣。

2.2.2 人工觀測與自動觀測比對情況

由圖3a 可知，人工觀測與自動觀測pH 值為中等相關(guān)性，R2=0.255 8，即R 為0.505 8，經(jīng)查，自動酸雨系統(tǒng)2019 年運行以來，沒有對電極進行更換，截至目前電極已經(jīng)使用1.5 a，自動觀測設(shè)備pH 電極測量結(jié)果出現(xiàn)負偏差，酸雨自動觀測設(shè)備維護不及時，觀測數(shù)據(jù)準確性下降，這是造成一致性較差的原因之一，斜率為0.491 4。總體而言，人工觀測pH值高于自動觀測的pH 值。人工觀測的pH 值高于自動觀測的pH 值（圖3b），僅8 月2 日自動觀測pH 值高于人工觀測。經(jīng)取平均值計算，自動觀測的pH 平均值為7.54，人工觀測的pH 平均值為7.82，自動觀測的pH 平均值低于人工觀測的pH 平均值。

圖3 喀什人工與自動觀測pH 值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

由圖4a 可知，人工觀測電導率與自動觀測電導率呈強正相關(guān)，即具有很好的一致性，R2為0.942 6，斜率為0.879 6。由圖4b 和4c 可知，僅15 d 人工觀測電導率高于自動觀測電導率，其他時段自動觀測電導率略高于人工觀測。2021 年4 月1 日人工觀測電導率和自動觀測電導率均最高，較高的電導率可能與沙塵天氣有關(guān)，經(jīng)查這天出現(xiàn)沙塵天氣，能見度低于1 587 m。人工觀測設(shè)備不能排除干沉降對電導率的影響，所以觀測值略高于自動觀測設(shè)備。經(jīng)計算，電導率自動觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（96.70±84.00）μs/cm，電導率人工觀測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（96.82±92.71）μs/cm，自動觀測的電導率平均值略低于人工觀測的電導率平均值。

圖4 喀什人工與自動觀測電導率值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

2.3 伊寧酸雨平行比對情況

2.3.1 降水采樣偏差與完整性對比分析

根據(jù)觀測記錄，達到1.0 mm 的降水量出現(xiàn)32次，人工觀測系統(tǒng)和酸雨自動觀測系統(tǒng)所記錄的降水起止時刻、降水量及每日降雨次數(shù)比較，相差不大。酸雨自動觀測系統(tǒng)在酸雨日采集未出現(xiàn)漏采、空采，故缺測率0%。

2.3.2 人工觀測與自動觀測比對情況

由圖5 可知，人工觀測和自動觀測的pH 值具有弱線性正相關(guān)性。斜率＞0，總體而言，自動觀測pH值略高于人工觀測的pH 值。經(jīng)取平均值計算，自動觀測的pH 平均值為6.78，人工觀測的pH 平均值為5.70，自動觀測的pH 平均值高于人工觀測的pH 平均值。

圖5 伊寧人工與自動觀測pH 值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

由圖6 可知，人工觀測和自動觀測的電導率整體具有中等線性相關(guān)性，R2為0.192 4，即R 為0.44，斜率為0.36。斜率＜1，人工觀測電導率高于自動觀測的電導率。經(jīng)取平均值計算，自動觀測的電導率平均值為45.64 μs/cm，人工觀測的電導率平均值為57.05 μs/cm，自動觀測的電導率平均值遠低于人工觀測的電導率平均值。

圖6 伊寧人工與自動觀測電導率值相關(guān)性（a）、時間序列（b）、差值的時間序列（c）對比分析

3 結(jié)論

（1）烏魯木齊氣象站和喀什氣象站電導率的一致性明顯大于pH 值的一致性，烏魯木齊氣象站電導率和pH 值數(shù)據(jù)均具有顯著的線性正相關(guān)性，喀什氣象站的電導率數(shù)據(jù)顯示有較高的線性相關(guān)性，pH值的相關(guān)性則具有中等線性相關(guān)性，而伊寧氣象站的pH 值和電導率的相關(guān)性都相對較弱。

（2）烏魯木齊氣象站的pH 值和電導率的人工觀測和自動觀測結(jié)果具有較好的相關(guān)性，意味著可以通過查找觀測記錄確定可能導致差異的因素，并在觀測中予以避免。喀什氣象站的pH 值人工觀測和自動觀測結(jié)果的相關(guān)性較差，伊寧氣象站降水的pH值和電導率的人工觀測結(jié)果與自動觀測結(jié)果相關(guān)性也較差。對于這2 個站點，建議定期更換分析電極，并及時查看觀測結(jié)果，以發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（3）人工觀測和自動觀測結(jié)果之間的差異可能是多種因素綜合影響的結(jié)果。其中包括采樣方式和觀測方法的不同，以及觀測時間的差異等。人工觀測受制于觀測人員的經(jīng)驗和操作水平，而自動觀測則更加精確和穩(wěn)定。此外，觀測時間的不同也可能導致觀測結(jié)果的差異，自動觀測可以實時監(jiān)測，避免了漏采或誤采現(xiàn)象。