TCYII-1型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測差異分析

趙辛慈，胡東平，侯 靜，涂 明，顏國跑，秦建峰

（湖北省武漢市氣象局，武漢 430040）

酸雨是指pH 小于5.6 的大氣降水［1］，酸雨觀測是綜合氣象觀測的重要項目。酸雨問題是全球主要的環(huán)境問題，酸雨會危害人類的健康、危害土壤和植物、腐蝕建筑物、機械和市政設(shè)施［2］，因此，酸雨觀測數(shù)據(jù)在氣候監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑規(guī)劃與設(shè)計等領(lǐng)域都有重要作用，為防治酸雨、研究其時空分布及長期變化趨勢提供重要的科學依據(jù)。根據(jù)中國氣象局的業(yè)務發(fā)展規(guī)劃及自動化發(fā)展建設(shè)要求，酸雨觀測方式也將從人工向自動化轉(zhuǎn)變［3］，2020 年9 月武漢國家基本氣象觀測站建設(shè)了TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)。

多位學者研究了酸雨自動觀測系統(tǒng)、儀器維護及數(shù)據(jù)質(zhì)控［4-8］，如駱世娟等［9］研究了TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)常見故障分析，楊慧燕等［10］對降水自動監(jiān)測儀與酸雨人工觀測資料進行了差異分析。本研究通過對比武漢國家基本氣象觀測站TCYII-1型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測得到的酸雨資料的差異，分析形成差異的原因，論證TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)的可用性。

1 資料與方法

1.1 儀器原理與方法

1.1.1 酸雨人工觀測 酸雨觀測降水采樣以每天上午8：00 為日界，當日8：00 至次日8：00 為一個降水采樣日［1］。當一個降水采樣日內(nèi)降水量超過1.0 mm時，則需觀測降水樣品。一個降水采樣日，只有一次連續(xù)降水過程，則采集一份降水樣品；有數(shù)次降水過程，則用同一容器多次采樣合并為一份降水樣品。武漢國家基本氣象觀測站人工觀測酸雨使用pH 計和電導率儀。儀器每年定期檢定，電導電極每年更換并校準。武漢站多年酸雨觀測質(zhì)量考核為合格及以上結(jié)果。

1.1.2 TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng) TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)是全自動智能化降水感應、采集和分析的酸雨觀測系統(tǒng)。通過感雨器感應降水后，集雨桶自動開蓋采集降水樣品，感應到降水停止后自動關(guān)閉防塵蓋，保證降水樣品盡量不被環(huán)境污染，收集一個采樣日降水后將完整降水樣品輸送至分析儀，自動清洗測量管路和電極后測量降水樣品的溫度、pH 和電導率（K），測量完成后再次自動清洗集雨桶、測量管路和電極，并將數(shù)據(jù)本地儲存及時上傳至業(yè)務機。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，操作方便，定期自動清洗、校準電極，機箱內(nèi)還配備控溫系統(tǒng)，冬季可加熱、夏季可降溫散熱，能長期在露天環(huán)境中穩(wěn)定工作。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

分析數(shù)據(jù)為武漢國家基本氣象觀測站2020 年9月26 日至2021 年8 月31 日TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨的水樣溫度、pH、電導率（K）數(shù)據(jù)，以及武漢站相對應降水采樣日期的降水量和當日降水時段內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)最多的整點10 min 平均風向。應觀測總次數(shù)105 次，人工觀測數(shù)據(jù)無缺測，自動觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)pH 缺測3 次、缺測率為2.9%，K缺測9 次、缺測率為8.6%。剔除缺測數(shù)據(jù)，實際對比數(shù)據(jù)pH 為102 組，K為96 組。

以差值、相對差值、標準差為指標，對TCYII-1型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)進行差異分析，涉及的計算式如下。

式中，Xi為差值，Ai為第i次酸雨自動觀測系統(tǒng)觀測值，Ui為第i次酸雨人工觀測值，Zi為相對差值，s為標準差，n為參與對比的樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣溫度、pH 和K 的月均值差異分析

根據(jù)TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)的月均值差異（表1）可知，水樣溫度平均差值在2020 年10 月與2021 年2 月、7 月為負值，2021 年8 月差異最小，為0，其他觀測月份平均差值為正，其中2020 年12 月的差值最大，為5.4 ℃。pH在2021 年2 月差異最大，月平均差值為-0.57，2021年5 月差異最小，月平均差值為-0.04；K在2021 年7月差異最大，月平均差值為-31.3，2020 年12 月差異最小，月平均差值為-2.8。水樣溫度的月平均差值變化與K的月平均差值變化相關(guān)性不明顯。

表1 TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)月均值差異

相對差值可以反映TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨觀測值之間的相對偏差程度。相對差值的絕對值越小，表明二者的一致性越好，反之偏差越大。由表1 可知，2021 年5 月pH 偏差程度最小，2021 年2 月pH 偏差程度最大；2020 年12 月K偏差程度最小，2021 年7 月K偏差程度最大。

標準差能反映一組數(shù)據(jù)的離散程度，標準差越小，表示離散程度越小，大部分數(shù)據(jù)與其平均值差異?。环粗蟛糠謹?shù)據(jù)與其平均值差異大。由表1可知，pH 離散程度最小的為2021 年8 月，K離散程度最小的為2020 年10 月。

2.2 降水量對pH 和K 差值的影響

由圖1 可知，當降水量在1.0～10.9 mm 和20.9～30.9 mm 時，pH 自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)平均差值為正；二者差異隨降水量的增大先減小，當降水量增大到41.0 mm 時，差異開始增大，到61.0 mm 時又減小。相對差異變化趨勢相同。

K的自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)平均差值與相對差值均為負。差異隨降水量的增大而增大，當降水量大于等于41.0 mm 時，差異又隨降水量的增大而減小，到61.0 mm 時又增大。相對差異變化趨勢相同。差異變化與pH 的變化相反。

2.3 不同pH 范圍的pH 和K 差異分析

酸雨是指pH 小于5.6 的大氣降水，將人工觀測pH 分為＜5.6 和≥5.6 兩個范圍，對比2 種觀測方式測量pH 和K的差異。當pH＜5.6 時，pH 對比數(shù)據(jù)共41 組，差值均值為0.29，K對比數(shù)據(jù)共38 組，差值均值為-10.93；當pH≥5.6 時，pH 對比數(shù)據(jù)共61 組，差值均值為-0.13，K對比數(shù)據(jù)共58 組，差值均值為-17.27?？芍?，2種觀測方式的pH 差異為pH＜5.6時比pH≥5.6時大；K差異為pH＜5.6時比pH≥5.6時小。

2.4 不同風向的pH 和K 差異分析

由于武漢站所處的地理位置和環(huán)境，臺站出現(xiàn)北風和偏北風的情況較多。由表2 可知，在本研究的時間范圍內(nèi)需測量酸雨日的風向出現(xiàn)天數(shù)最多的風向為東北風和西北風。降雨時段內(nèi)出現(xiàn)最多風向為西南風時，pH 和K差異均最大；風向為靜風時，pH 差異最小，風向為南風時，K差異最小。

表2 TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)隨風向變化的差異

3 討論

降水樣品采集方式不同，人工觀測的降水樣品收集是用酸雨桶，一個采樣日內(nèi)酸雨桶可能會長時間暴露在空氣中，降水樣品可能自然蒸發(fā)，收放桶的過程中降水樣品也可能會受污染。自動觀測系統(tǒng)通過感應降水自動開關(guān)防塵蓋收集降水樣品，減少了降水樣品收集的污染。水樣溫度的差值變化與K的差值變化相關(guān)性不明顯和對比數(shù)據(jù)K的差值為負，可表明在一定情況下，2 種觀測方式收集的降水樣品潔凈程度不同，而自動觀測系統(tǒng)收集的降水樣品比人工收集的污染小。

降水樣品測量前準備和測量環(huán)境不同，人工觀測的降水樣品在測量前會將樣品和緩沖溶液共同放置室內(nèi)一定時間，讓降水樣品和緩沖溶液溫度與室溫接近一致，放置時間不超過2 h，且測量時降水樣品與緩沖溶液溫度差不大于2 ℃。自動觀測系統(tǒng)是在設(shè)備內(nèi)收集和測量樣品，設(shè)備內(nèi)配備控溫系統(tǒng)，冬季可加熱、夏季可降溫散熱，溫度較恒定，所以2 種觀測方式水樣溫度的測量有差異。水樣溫度的差異會影響測量pH 和K的結(jié)果。

自動觀測系統(tǒng)和人工觀測原理不同，自動觀測系統(tǒng)含有3 種標準緩沖溶液，分別為酸性pH（4.00）、中性pH（6.86）和堿性pH（9.18）溶液，而人工觀測的標準緩沖溶液只有酸性和中性2 種。相比之下，自動觀測系統(tǒng)測量的酸雨數(shù)據(jù)更加精確。此外，降水量、水樣溫度和風向都會影響酸雨數(shù)據(jù)的測量，從而產(chǎn)生差異。

4 小結(jié)

1）在本研究的一年時間范圍內(nèi)，應觀測酸雨總次數(shù)105 次，人工酸雨觀測數(shù)據(jù)無缺測，自動酸雨觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)pH缺測率為2.9%，K缺測率為8.6%。

2）TCYII-1 型酸雨自動觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)水樣溫度在2021 年8 月差異最小，2020 年12月的差異最大；pH 在2021 年2 月差異最大，2021 年5 月差異最??；K在2021 年7 月差異最大，2020 年12月差異最小。pH 在2021 年5 月偏差程度最小，2021年2 月偏差程度最大；K在2020 年12 月偏差程度最小，2021 年7 月偏差程度最大。pH 離散程度最小的為2021 年8 月；K離散程度最小的為2020 年10 月。

3）pH 差異隨降水量的增大先減小后增大再減??；K差異隨降水量的增大先增大后減小再增大。pH 差異在pH＜5.6 時比pH≥5.6 時大；K差異在pH＜5.6 時比pH≥5.6 時小。降雨時段內(nèi)出現(xiàn)最多風向為西南風時，pH 和K差異均最大；風向靜風時，pH 差異最小，風向為南風時，K差異最小。

4）人工觀測操作存在人為誤差，而自動觀測設(shè)備也存在不穩(wěn)定性，都會造成觀測數(shù)據(jù)的差異。然而通過嚴格遵守觀測規(guī)范，時常校準和維護儀器，酸雨自動觀測系統(tǒng)設(shè)備在運行良好的狀態(tài)下，所得酸雨數(shù)據(jù)的準確性和可靠性更高。