空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中氣象傳感器的應(yīng)用

李 莉， 袁 婧， 吳偉超

(浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 嘉興 314000)

1 引言

近年來，隨著大氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛使用，氣象要素監(jiān)測成為必不可少的組成部分，在常規(guī)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站[1]、復(fù)合污染觀測站、網(wǎng)格化監(jiān)測站、工業(yè)園區(qū)站等，均集成了微型氣象站。微型氣象站具備低成本、易于安裝和維護(hù)的優(yōu)點，觀測高度根據(jù)實際需要靈活設(shè)置。監(jiān)測的氣象要素主要有氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速5個指標(biāo)，有的站點還有降雨量。目前，隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展出了眾多品牌，王穎等[2]對人工觀測與自動觀測進(jìn)行了初步比較。

氣象條件對空氣質(zhì)量變化的影響很大，如水氣與顆粒物和臭氧的濃度存在相關(guān)性，風(fēng)速風(fēng)向與大氣污染物區(qū)域擴散有關(guān)，可以用來解析某次重污染過程或查找的污染排放源，氣象數(shù)據(jù)也是空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警工作的基礎(chǔ)信息[3]。在本地累積了長期氣象觀測數(shù)據(jù)后，可以指導(dǎo)環(huán)境管理部門科學(xué)制定管控措施、科學(xué)設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局?？紤]到氣象部門標(biāo)準(zhǔn)站的數(shù)量和分布無法滿足精細(xì)化環(huán)境管理的需求，環(huán)境監(jiān)測有必要獲取可靠的局地氣象條件。本文以長三角典型的平原城市—嘉興市區(qū)為例，比較了幾個分布在建成區(qū)的大氣自動監(jiān)測站，探討如何正確應(yīng)用微型氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 資料和方法

本文選擇了3個品牌的微型氣象站，分別安裝于7個空氣站，相距最遠(yuǎn)的是站點E和F，直線距離約25 km。儀器型號和安裝信息見表1。用空氣站編號表示各氣象站名稱加以區(qū)分，其中，ABC周邊均為商業(yè)居民和交通密集區(qū)，使用年限超過7年；D位于市區(qū)公園內(nèi)；EF兩個站分別位于城市北部和南部郊區(qū)；G位于城市南部城郊結(jié)合地帶。

表1 點位和儀器信息

2.1 分析時段

選擇了2019年12月1日至12月7日，對各微站的氣溫、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向和相對濕度等各參數(shù)進(jìn)行了分析，各氣象微站每個指標(biāo)采集了168個小時均值，數(shù)據(jù)有效率超過99.5%。表2是各站氣溫、氣壓和相對濕度的平均值列表。

表2 各站平均氣溫、氣壓和相對濕度

從表2可見，城郊?xì)鉁氐陀谑袇^(qū)，符合城市熱島效應(yīng)的特點。觀測時段氣壓較穩(wěn)定，A站和B站的氣壓值需要校準(zhǔn)，韓利軍[4]曾對常見故障的診斷及日常維護(hù)進(jìn)行了總結(jié)。相對濕度的差異較大，經(jīng)與降雨情況核對，發(fā)現(xiàn)ABC在全市大面積下雨時段相對濕度存在明顯不合理，可見濕度是誤差較大的指標(biāo)，隨著使用年限的增大需要定期維護(hù)和校準(zhǔn)，特別對于山區(qū)盆地等地形區(qū)域，水氣對空氣質(zhì)量影響較為重要[5]。

本文對各站的氣溫和風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，以探索在城市分布有多個氣象微站的前提下，判定數(shù)據(jù)可靠性及可用性的方法，為了增加可靠性，將氣象局標(biāo)準(zhǔn)站觀測的同時段數(shù)據(jù)作為參照。

2.2 氣溫

對7個微站的氣溫值兩兩進(jìn)行相關(guān)性分析，如表3所示，相關(guān)系數(shù)在0.84～0.98之間，說明由于各站的間距不超過25 km，氣溫變化趨勢呈現(xiàn)高度相關(guān)，站點C的德國品牌與站點DEFG的深圳某品牌相關(guān)性相對而言較弱。

進(jìn)一步選擇A、C、D作為3種品牌的代表，與氣象觀測參照值的時序圖進(jìn)行比較，如圖1所示，可見在溫度高值區(qū)的相對誤差較小，但在低值區(qū)A和C監(jiān)測值偏高，不符合城市12月夜間氣溫特征，這也說明了C與其它站的相關(guān)性相對較低的主要原因。本文認(rèn)為需對傳感器進(jìn)行檢查，并在應(yīng)用氣溫值時綜合考慮數(shù)據(jù)的離群度。

表3 各站氣溫相關(guān)系數(shù)

圖1 三種儀器氣溫值及參照值時序

2.3 風(fēng)向風(fēng)速

對于平原地區(qū)，風(fēng)向風(fēng)速是影響空氣質(zhì)量的重要氣象參數(shù)，特別在顆粒物局地污染溯源應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市內(nèi)高層建筑會引起地面氣象觀測資料與蔡旭暉等[6]在研究某地風(fēng)場特征時指出了這一點，在針對區(qū)域內(nèi)各空氣站反映出的不同空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行原因分析時，考慮各微站的氣象條件而不是全市平均將更為合理。

本文以ABD四個站點為例，做了觀測時段的風(fēng)玫瑰圖，如圖2所示，A站的主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，B站的主導(dǎo)風(fēng)向為西北偏北，而D站的主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)。而三站的平均風(fēng)速分別為1.9 m/s 、1.4 m/s和1.2 m/s，最大風(fēng)速也是A站(5.1 m/s)> B站(3.6 m/s)>D站(3.2 m/s)。主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速的差異可能是自動站周邊建筑物或樹木高度不同帶來的。

圖2 三站的風(fēng)向玫瑰圖對比

2.4 氣象條件與AQI的關(guān)系

觀測時段的AQI變化如圖3所示，在12月1日和12月6日至7日上午出現(xiàn)了優(yōu)級天，通過調(diào)取深圳品牌微型氣象站的觀測數(shù)據(jù)可知1日有近10 mm的有效降雨，6日主要是因為風(fēng)速偏大，這些都是冬季PM2.5減少的有利條件。而3～4日則主要是因為風(fēng)速小，特別在夜間趨于靜風(fēng)，使污染物易在本地累積引起污染?？梢姡镜慕涤?、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素對處于平原地區(qū)的城市空氣質(zhì)量有重要影響，在進(jìn)行污染過程分析及預(yù)報預(yù)警時應(yīng)充分利用微型氣象站的觀測數(shù)據(jù)。

圖3 AQI時序

3 結(jié)論

本文通過對多個站點的微型氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以評估設(shè)備性能，提示故障的存在和日常維護(hù)的必要。風(fēng)向與風(fēng)速的差異不能簡單判定為設(shè)備性能差異，還可能與微型氣象站所在的周邊局地環(huán)境有關(guān)。冬季的降雨、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素對城市空氣質(zhì)量的變化有重要影響，在污染溯源或預(yù)報預(yù)警時應(yīng)特別關(guān)注氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。