基于酸雨人工與自動平行觀測數(shù)據(jù)分析評估

戴華玲 邱 亮 周曉香 王 迎

（江西省氣象信息中心，江西 南昌 330096）

0 引言

酸雨是指pH 值小于5.6 的大氣[1]（液太、固態(tài)和混合）降水。雨、雪等在形成和降落過程中，吸收并溶解了空氣中的二氧化硫、氮氧化合物等物質(zhì)，形成了pH 低于5.6 的酸性降水。

酸雨觀測數(shù)據(jù)是重要的氣象資料，是科學(xué)研究和環(huán)境保護(hù)決策的重要依據(jù)，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，城市化發(fā)展迅速，化工生產(chǎn)造成的酸雨環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，對生態(tài)系統(tǒng)以及人類身體健康都有極大的危害。為了進(jìn)一步提高酸雨觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，全面掌握人工觀測與自動觀測數(shù)據(jù)間的系統(tǒng)偏差，提升酸雨觀測自動化水平，確保酸雨觀測數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性和可比性。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(jìn)一步開展歷史數(shù)據(jù)的訂證等奠定基礎(chǔ)，確保酸雨觀測資料能夠持續(xù)穩(wěn)定提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，為我省生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供氣象保障。對人工酸雨觀測資料和自動酸雨觀測資料進(jìn)行對比，指出人工與自動觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的差異，并論證TCYII 1 型自動觀測系統(tǒng)觀測的酸雨數(shù)據(jù)的可用性，為即將開展的酸雨自動化觀測提供依據(jù)。

1 基本情況

1.1 平行觀測開展時間

2020 年12 月，江西省已完成12 個酸雨站自動觀測系統(tǒng)的建設(shè)。根據(jù)要求江西省12 個酸雨觀測站分兩批開展酸雨平行觀測工作，首先已通過盲樣測試的3 個臺站（宜春、景德鎮(zhèn)、廣昌）于2021 年1 月1 日開展平行觀測。盲樣測試未通過的臺站（廬山、贛縣、尋烏、南昌縣、上饒、鷹潭、萍鄉(xiāng)、井岡山、泰和）對設(shè)備的性能狀況進(jìn)行檢查和整改，于2021 年1 月15 日前完成了第二次盲樣測試，并于2021 年2月1 日起開展平行觀測。其中尋烏和南昌縣由于未通過第二次盲樣測試，分別于2021 年3 月1 日和2021 年10 月1 日正式開展平行觀測，平行觀測為期一年，分兩個階段進(jìn)行。

第一階段（前6 個月）以人工觀測為主，每日上傳人工觀測數(shù)據(jù)，自動觀測數(shù)據(jù)存檔留存。第二階段（第7-12 月）以自動觀測為主，每日上傳自動觀測數(shù)據(jù)，人工觀測數(shù)據(jù)存檔留存。

1.2 TCYII 1酸雨自動觀測系統(tǒng)和人工觀測儀器、電極等設(shè)備情況

江西省國家級酸雨觀測站人工觀測設(shè)備為上海雷磁儀器廠pHSJ-4F 型pH 計和DDSJ-308 型電導(dǎo)率儀（簡稱“人工觀測”，下同），其中井岡山（57894）、泰和（57899）電導(dǎo)率儀型號為DDS-307。酸雨觀測站自動觀測系統(tǒng)設(shè)備為TCYII 1 型（簡稱“自動觀測”，下同），生產(chǎn)廠家為浙江恒達(dá)儀器儀表股份有限公司。

TCYII 1 酸雨自動觀測系統(tǒng)安裝在室外觀測場，能連續(xù)測量pH 和電導(dǎo)率，由感應(yīng)器、降水采集器和分析儀3 個部分組成的全自動分析子系統(tǒng)。通過感雨器感應(yīng)降雨，系統(tǒng)降水采集器自動采集降水樣品，在溫度達(dá)到合適的條件下將所采集的水樣品經(jīng)管路輸送到分析儀，分析儀自動測量降水樣品的pH 值（酸堿度）、EC 值（電導(dǎo)率）和溫度等要素[2]，并通過網(wǎng)絡(luò)自動上傳觀測數(shù)據(jù)和儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成自檢和校準(zhǔn)。

2 評估內(nèi)容

對開展平行觀測的各臺站采用2021 年1—12 月的平行觀測資料（簡稱“評估期”，下同），在滿足資料完整性的基本條件下，分別從降水采樣完整性、降水分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、降水分析數(shù)據(jù)的一致性、儀器運行可靠性等方面進(jìn)行分析。

2.1 降水采樣偏差及數(shù)據(jù)完整性評估

以地面氣象觀測質(zhì)量為參考標(biāo)準(zhǔn)，以日數(shù)據(jù)為測試評估分析單位，當(dāng)日降水量達(dá)到1.0 mm 時，比較人工觀測系統(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)，檢查酸雨自動觀測系統(tǒng)是否出現(xiàn)漏采、空采的情況。

根據(jù)酸雨整編數(shù)據(jù)分析，酸雨自動觀測系統(tǒng)和人工觀測所記錄的降水起止時間取自國家地面氣象觀測站儀器降水現(xiàn)象儀自動記錄的起止時間，故酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測的降水采樣時段一致。

觀測數(shù)據(jù)以日為基本單位，對酸雨自動觀測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)做月缺測評估。

全省12 個酸雨觀測站全年應(yīng)觀測樣本數(shù)為1232 個，酸雨自動觀測系統(tǒng)評估期設(shè)備運行總體穩(wěn)定，較大的故障主要集中在少部分站點，缺測數(shù)據(jù)較多的臺站有57899（泰和）、57993（贛縣）、58527（景德鎮(zhèn)）、59102（尋烏）主要原因為儀器故障。因儀器維護(hù)不當(dāng)造成酸雨自動觀測系統(tǒng)降水采集器和水樣輸送軟管堵塞的臺站有57894（井岡山）、58627（鷹潭）、58813（廣昌），數(shù)據(jù)總體完整性較好。江西省對比評估期數(shù)據(jù)缺測情況見表1。

表1 評估期各站缺測情況統(tǒng)計表

2.2 降水分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

以人工酸雨觀測的分析測量為參考值，分析評估酸雨自動觀測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)降水樣品分析儀的相對pH 偏差計算方法如下。

相對pH 偏差（%）=（人工觀測pH 測量值-自動觀測pH 測量值）/人工觀測pH 測量值×100%

相對電導(dǎo)率偏差（%）=（人工電導(dǎo)率測量值-自動觀測電導(dǎo)率測量值）/人工觀測電導(dǎo)率測量值×100%

圖1（a）是TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)人工與自動觀測相對pH 偏差。偏值在-0.51～+0.42，相對pH 偏差值<0.0占總對比記錄的37%，相對pH 偏差值>0.0 占總對比記錄的54%，基本呈現(xiàn)以pH 相對偏差=“0.0”為中心略偏向正值的分布?？梢娝嵊曜詣佑^測系統(tǒng)降水樣品自動分析儀器測量的pH 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，自動分析儀pH 值測量性能較好[5]。相對pH 偏差值差異較大的58607 站因前期一直未通過盲樣測試，直到2021 年10 月才正式開始平行觀測，因總的觀測記錄少，所以與其他站相比，差異略大；58813 站3—4 月因儀器故障自動觀測pH 較多缺測和異常偏小數(shù)據(jù)造成全年pH 相對值較其他站偏大，其余10 個酸雨觀測站人工與自動觀測差異基本屬正常。

圖1（b）是TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)人工與自動觀測相對電導(dǎo)率K值偏差。相對電導(dǎo)率K值偏差值在-4.28～+1.00，相對電導(dǎo)率K值偏差值<0.0 占總對比記錄的28%，相對電導(dǎo)率K值偏差值>0.0 占總對比記錄的69%，總體呈現(xiàn)偏向正值的分布。電導(dǎo)率K值相對偏差值較大的58506 站，通過觀測數(shù)據(jù)分析，其主要原因為 11 月自動觀測儀器維護(hù)不當(dāng)，由此可以看出人工測量的電導(dǎo)率K值明顯大于酸雨自動觀測系統(tǒng)分析測量的電導(dǎo)率K值，因為降水樣品的電導(dǎo)率是測量降水中的含離子成分和含雜質(zhì)成分等的重要指標(biāo)[5]，電導(dǎo)率越小說明降水中的雜質(zhì)越少，酸雨自動觀測系統(tǒng)具有防止顆粒物干擾的優(yōu)勢[4]，如果相同的降水樣品測得電導(dǎo)率K值人工大于自動，則表明人工觀測存在操作不規(guī)范和樣品污染等原因，與自動觀測相比，更容易受外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差[3]，因此酸雨自動觀測數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)酸雨數(shù)據(jù)的真實性，這也說明酸雨自動觀測系統(tǒng)更靈敏，分析測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，更具有代表性。

圖1 相對pH 值、電導(dǎo)率K 值偏差空間分布圖

圖2 是酸雨自動觀測系統(tǒng)pH 和電導(dǎo)率相對偏差時間分布，相對pH 偏差、相對電導(dǎo)率偏差基本分布在>0.0 的正值區(qū)間內(nèi)，相對電導(dǎo)率偏差分布在<0.0 區(qū)間內(nèi)的較為明顯的11 月，主要原因為58506 站11 月儀器維護(hù)不當(dāng)造成數(shù)據(jù)異常偏大，其余11 個站偏差基本在正常范圍內(nèi)，總體呈現(xiàn)自動觀測電導(dǎo)率K值小于人工觀測值。

圖2 相對pH 值、電導(dǎo)率K 值月偏差時間分布圖

2.3 降水分析數(shù)據(jù)的一致性分析

以人工酸雨觀測的分析測量為參考值，分析評估酸雨自動觀測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的一致性。

全省12 站降水pH 值、電導(dǎo)率K值的對比分析（如圖3），1-4 月人工與自動觀測降水pH 值差較大，主要為58813站3-4 月因儀器原因造成多日數(shù)據(jù)缺測和pH 值異常偏小，58527 站4 月儀器因雷擊故障造成數(shù)據(jù)缺測，5-12 月人工與自動觀測pH 值基本一致。并且我們對2021 年1-12 月江西省12 個酸雨觀測站平行觀測期間的人工觀測和自動觀測進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析（圖3），結(jié)果表明：使用TCYII 1型酸雨自動觀測系統(tǒng)分析的pH 值和使用pHSJ-4F 型pH 計人工觀測pH 值逐月變化相關(guān)性達(dá)到了0.78，其顯著性大于95%；同理，使用TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)分析的電導(dǎo)率K值和使用DDSJ-308 型或DDSJ-307 型電導(dǎo)率儀人工觀測電導(dǎo)率K值逐月變化的相關(guān)性達(dá)到了0.91，其顯著性大于95%。從中分析可以得出，基于TCYII 1 型酸雨自動觀測的pH 值和電導(dǎo)率K值在平行觀測期間與人工觀測的pH 值和電導(dǎo)率K值均有相關(guān)性r>0.7 的緊密相關(guān)，這為江西省實施開展TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)替代人工觀測提供了較強的科學(xué)依據(jù)。

圖3 人工觀測與自動觀測降水pH 值和電導(dǎo)率K 值

江西省12 個酸雨站對比評估期的1232 個酸雨日數(shù)據(jù)對比樣本計算其相關(guān)系數(shù)，剔除缺測和異常數(shù)據(jù)，降水pH 值相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.608，電導(dǎo)率K值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.460，均通過了相關(guān)性顯著檢驗（α=0.01），如圖4 所示。

圖4 降水pH 值、電導(dǎo)率K 值散點圖

3 評估結(jié)論

兩種觀測方式測得的pH 值的相對偏差值差值比較小，電導(dǎo)率K值自動小于人工，說明自動觀測系統(tǒng)降水樣品受干擾少，分析的酸雨數(shù)據(jù)更真實、總的準(zhǔn)確性較好。

人工酸雨觀測與自動酸雨觀測系統(tǒng)相比，因人工操作存在不可避免的誤差及樣品污染等因素，因此人工觀測的誤差概率比自動觀測高，而TCYII 1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定、可靠，各項評估指標(biāo)達(dá)到技術(shù)性能要求。對評估期的酸雨觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括完整性、準(zhǔn)確性以及一致性，降水pH 值和電導(dǎo)率K值相關(guān)系數(shù)都通過了相關(guān)性顯著檢驗，說明酸雨自動觀測系統(tǒng)的觀測值更能體現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的真實性、準(zhǔn)確性，為江西省的酸雨自動化觀測提供依據(jù)。