TCYII-1型酸雨自動(dòng)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(xiàng)目。酸雨問題是全球主要的環(huán)境問題，酸雨會(huì)危害人類的健康、危害土壤和植物、腐蝕建筑物、機(jī)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(jì)等領(lǐng)域都有重要作用，為防治酸雨、研究其時(shí)空分布及長期變化趨勢提供重要的科學(xué)依據(jù)。根據(jù)中國氣象局的業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃及自動(dòng)化發(fā)展建設(shè)要求，酸雨觀測方式也將從人工向自動(dòng)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(dòng)觀測系統(tǒng)。

多位學(xué)者研究了酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)、儀器維護(hù)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(dòng)觀測系統(tǒng)常見故障分析，楊慧燕等［10］對(duì)降水自動(dòng)監(jiān)測儀與酸雨人工觀測資料進(jìn)行了差異分析。本研究通過對(duì)比武漢國家基本氣象觀測站TCYII-1型酸雨自動(dòng)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(dòng)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(dāng)日8：00 至次日8：00 為一個(gè)降水采樣日［1］。當(dāng)一個(gè)降水采樣日內(nèi)降水量超過1.0 mm時(shí)，則需觀測降水樣品。一個(gè)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(jì)和電導(dǎo)率儀。儀器每年定期檢定，電導(dǎo)電極每年更換并校準(zhǔn)。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(dòng)觀測系統(tǒng) TCYII-1 型酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)是全自動(dòng)智能化降水感應(yīng)、采集和分析的酸雨觀測系統(tǒng)。通過感雨器感應(yīng)降水后，集雨桶自動(dòng)開蓋采集降水樣品，感應(yīng)到降水停止后自動(dòng)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(gè)采樣日降水后將完整降水樣品輸送至分析儀，自動(dòng)清洗測量管路和電極后測量降水樣品的溫度、pH 和電導(dǎo)率（K），測量完成后再次自動(dòng)清洗集雨桶、測量管路和電極，并將數(shù)據(jù)本地儲(chǔ)存及時(shí)上傳至業(yè)務(wù)機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，操作方便，定期自動(dòng)清洗、校準(zhǔn)電極，機(jī)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(dòng)觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨的水樣溫度、pH、電導(dǎo)率（K）數(shù)據(jù)，以及武漢站相對(duì)應(yīng)降水采樣日期的降水量和當(dāng)日降水時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)最多的整點(diǎn)10 min 平均風(fēng)向。應(yīng)觀測總次數(shù)105 次，人工觀測數(shù)據(jù)無缺測，自動(dòng)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(shí)際對(duì)比數(shù)據(jù)pH 為102 組，K為96 組。

以差值、相對(duì)差值、標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo)，對(duì)TCYII-1型酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，涉及的計(jì)算式如下。

式中，Xi為差值，Ai為第i次酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)觀測值，Ui為第i次酸雨人工觀測值，Zi為相對(duì)差值，s為標(biāo)準(zhǔn)差，n為參與對(duì)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(dòng)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(fù)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(dòng)觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)月均值差異

相對(duì)差值可以反映TCYII-1 型酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨觀測值之間的相對(duì)偏差程度。相對(duì)差值的絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)差能反映一組數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示離散程度越小，大部分?jǐn)?shù)據(jù)與其平均值差異小；反之大部分?jǐn)?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(duì)pH 和K 差值的影響

由圖1 可知，當(dāng)降水量在1.0～10.9 mm 和20.9～30.9 mm 時(shí)，pH 自動(dòng)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(dāng)降水量增大到41.0 mm 時(shí)，差異開始增大，到61.0 mm 時(shí)又減小。相對(duì)差異變化趨勢相同。

K的自動(dòng)觀測與人工觀測數(shù)據(jù)平均差值與相對(duì)差值均為負(fù)。差異隨降水量的增大而增大，當(dāng)降水量大于等于41.0 mm 時(shí)，差異又隨降水量的增大而減小，到61.0 mm 時(shí)又增大。相對(duì)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(gè)范圍，對(duì)比2 種觀測方式測量pH 和K的差異。當(dāng)pH＜5.6 時(shí)，pH 對(duì)比數(shù)據(jù)共41 組，差值均值為0.29，K對(duì)比數(shù)據(jù)共38 組，差值均值為-10.93；當(dāng)pH≥5.6 時(shí)，pH 對(duì)比數(shù)據(jù)共61 組，差值均值為-0.13，K對(duì)比數(shù)據(jù)共58 組，差值均值為-17.27。可知，2種觀測方式的pH 差異為pH＜5.6時(shí)比pH≥5.6時(shí)大；K差異為pH＜5.6時(shí)比pH≥5.6時(shí)小。

2.4 不同風(fēng)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(tái)站出現(xiàn)北風(fēng)和偏北風(fēng)的情況較多。由表2 可知，在本研究的時(shí)間范圍內(nèi)需測量酸雨日的風(fēng)向出現(xiàn)天數(shù)最多的風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和西北風(fēng)。降雨時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)最多風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)時(shí)，pH 和K差異均最大；風(fēng)向?yàn)殪o風(fēng)時(shí)，pH 差異最小，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)，K差異最小。

表2 TCYII-1 型酸雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)與人工觀測酸雨數(shù)據(jù)隨風(fēng)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(gè)采樣日內(nèi)酸雨桶可能會(huì)長時(shí)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(huì)受污染。自動(dòng)觀測系統(tǒng)通過感應(yīng)降水自動(dòng)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(duì)比數(shù)據(jù)K的差值為負(fù)，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(dòng)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(zhǔn)備和測量環(huán)境不同，人工觀測的降水樣品在測量前會(huì)將樣品和緩沖溶液共同放置室內(nèi)一定時(shí)間，讓降水樣品和緩沖溶液溫度與室溫接近一致，放置時(shí)間不超過2 h，且測量時(shí)降水樣品與緩沖溶液溫度差不大于2 ℃。自動(dòng)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(huì)影響測量pH 和K的結(jié)果。

自動(dòng)觀測系統(tǒng)和人工觀測原理不同，自動(dòng)觀測系統(tǒng)含有3 種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液只有酸性和中性2 種。相比之下，自動(dòng)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(fēng)向都會(huì)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(shí)間范圍內(nèi)，應(yīng)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(dòng)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(dòng)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 月差異最小；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小；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(shí)比pH≥5.6 時(shí)大；K差異在pH＜5.6 時(shí)比pH≥5.6 時(shí)小。降雨時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)最多風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)時(shí)，pH 和K差異均最大；風(fēng)向靜風(fēng)時(shí)，pH 差異最小，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)，K差異最小。

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