彭 堅(jiān)，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(cè)數(shù)據(jù)是科學(xué)研究和環(huán)境保護(hù)決策的重要依據(jù)。酸雨對(duì)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(qiáng)酸雨監(jiān)測(cè)對(duì)酸雨的污染防控和治理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。自20 世紀(jì)80 年代初中國(guó)氣象局就將酸雨觀測(cè)正式列為氣象觀測(cè)項(xiàng)目，作為氣象臺(tái)站的基本任務(wù)之一，并陸續(xù)在全國(guó)布設(shè)酸雨人工觀測(cè)站網(wǎng)[1]。在實(shí)際工作中，酸雨人工觀測(cè)對(duì)降水樣品的采集、測(cè)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(dòng)啟閉采樣蓋可以彌補(bǔ)以上缺陷。按照《綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2010—2015 年）》對(duì)酸雨觀測(cè)的目標(biāo)和需求，2010年中國(guó)氣象局開始研制酸雨自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)?！度珖?guó)氣象發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出加強(qiáng)建設(shè)氣象觀測(cè)自動(dòng)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(guó)151 個(gè)氣象站完成了酸雨自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和盲樣測(cè)試工作，根據(jù)部署，酸雨自動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)于2021 年1 月1 日正式啟動(dòng)，151 個(gè)氣象臺(tái)站開展了為期1 a 的自動(dòng)和人工平行觀測(cè)，以全面掌握兩者間的數(shù)據(jù)偏差，確保人工觀測(cè)切換為自動(dòng)觀測(cè)后歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的延續(xù)性，為進(jìn)一步開展歷史數(shù)據(jù)訂正等奠定基礎(chǔ)[1]。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)酸雨自動(dòng)觀測(cè)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(dòng)系統(tǒng)的觀測(cè)儀器的性能、日常維護(hù)、故障維修及故障處理分析等方面[2-13]，而開展酸雨自動(dòng)和人工平行觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的酸雨觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，論證了AMR 降水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)資料的可用性，而目前大多數(shù)酸雨自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)采用TCYI 1 型或者TCYII 1 型分體式自動(dòng)觀測(cè)儀器的一致性比對(duì)及原因分析卻鮮有報(bào)道。為加強(qiáng)和提高酸雨自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代表性、準(zhǔn)確性和可比性，本文通過對(duì)人工和自動(dòng)觀測(cè)pH 值和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行走勢(shì)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(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，為更好地開展酸雨自動(dòng)化觀測(cè)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(guó)家基本氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，即選取2021 年1 月—2022 年5月烏魯木齊市國(guó)家基本氣象站（以下簡(jiǎn)稱“烏魯木齊氣象站”）和2021 年1 月—2022 年12 月伊寧市國(guó)家基本氣象站（以下簡(jiǎn)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(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)206 條，開展自動(dòng)和人工酸雨觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(cè)pH 值和電導(dǎo)率設(shè)備均為上海雷磁儀器廠出產(chǎn)，型號(hào)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(dòng)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(cè)量考核為優(yōu)秀。

1.2 工作方法

酸雨平行觀測(cè)采用TCYI_1 型酸雨自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)和人工pH 計(jì)、電導(dǎo)率儀。酸雨自動(dòng)設(shè)備可用一臺(tái)設(shè)備，經(jīng)過流經(jīng)不同管路，分別測(cè)量pH 和電導(dǎo)率，而人工觀測(cè)設(shè)備需要分別用pH 計(jì)和電導(dǎo)率測(cè)量pH 和電導(dǎo)率。酸雨自動(dòng)觀測(cè)采用北京時(shí)，每天的08 時(shí)為酸雨觀測(cè)降水采樣日界，當(dāng)日08 時(shí)至次日08 時(shí)為一個(gè)降水采樣日，當(dāng)一個(gè)降水采樣日內(nèi)，降水量達(dá)到1.0 mm 時(shí)，應(yīng)采集一份降水樣品，并測(cè)量降水樣品的pH 值及電導(dǎo)率。酸雨觀測(cè)均嚴(yán)格按照酸雨觀測(cè)規(guī)范及酸雨自動(dòng)觀測(cè)規(guī)范進(jìn)行。

1.2.1 酸雨人工觀測(cè)方法

人工測(cè)量降水樣品pH 值、K 值前，應(yīng)先將pH計(jì)、電導(dǎo)率儀預(yù)熱30 min 以上，確保降水樣品與標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液溫度差≤2 ℃。使用中性和酸性（或堿性）標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對(duì)pH 計(jì)進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)后，將pH計(jì)調(diào)入測(cè)量狀態(tài)開始測(cè)量，讀取3 次穩(wěn)定的pH 讀數(shù)，并計(jì)算和記錄平均pH 值。測(cè)量K 值前，應(yīng)先檢查電導(dǎo)電極常數(shù)設(shè)置是否正確，電導(dǎo)率儀調(diào)至測(cè)量狀態(tài)，讀取3 次穩(wěn)定的K 值讀數(shù)，并計(jì)算和記錄平均K 值。觀測(cè)員將記錄的數(shù)據(jù)錄入地面觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件（ISOS）內(nèi)，發(fā)送酸雨報(bào)文。

1.2.2 酸雨自動(dòng)觀測(cè)方法

TCYI_1 型酸雨自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)由自動(dòng)降水采樣器、降水樣品自動(dòng)分析儀和數(shù)據(jù)綜合處理軟件組成，將實(shí)現(xiàn)酸雨自動(dòng)觀測(cè)并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)感雨器感應(yīng)到降水時(shí)，降水采集器通過自動(dòng)開蓋收集降水樣品，觀測(cè)人員將采樣袋內(nèi)的降水帶入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行恒溫處理，確保降水樣品與標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液溫度差≤2 ℃，隨后，將其轉(zhuǎn)移到降水樣品自動(dòng)分析儀，啟動(dòng)降水樣品自動(dòng)分析程序，自動(dòng)完成降水樣品pH值、K 值的測(cè)量及酸雨報(bào)文的自動(dòng)傳輸。

2 結(jié)果分析

2.1 烏魯木齊酸雨平行比對(duì)情況

2.1.1 降水采樣偏差與完整性對(duì)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(jìn)行活化，日常存儲(chǔ)用氯化鉀溶液浸泡，每年更換電極；人工電導(dǎo)率電極日常存儲(chǔ)用純水浸泡，每2 年更換電極；自動(dòng)酸雨電極每周用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校準(zhǔn)pH 復(fù)合電極，每年定期更換新的pH 復(fù)合電極，每月用電導(dǎo)率校準(zhǔn)液校準(zhǔn)電導(dǎo)電極，每2 年更換電導(dǎo)電極。

根據(jù)觀測(cè)記錄，自動(dòng)酸雨觀測(cè)系統(tǒng)未出現(xiàn)漏采或空采。觀測(cè)期間自動(dòng)觀測(cè)獲取數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)均為56 條。

2.1.2 人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)比對(duì)情況

烏魯木齊氣象站共計(jì)56 條酸雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，由圖1a 可知，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的pH 值呈強(qiáng)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R 為0.803，斜率為0.852 2，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的pH 值非常接近。圖1b 和圖1c 中人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的pH 值僅個(gè)別點(diǎn)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(dòng)觀測(cè)的pH 值高于人工觀測(cè)值，其他4 d 均是自動(dòng)觀測(cè)的pH 值低于人工觀測(cè)值。經(jīng)計(jì)算，pH 值自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)為6.75±0.62，pH 值人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)為6.69±0.58，自動(dòng)觀測(cè)的pH 平均值略高于人工觀測(cè)的pH 平均值。

圖1 烏魯木齊人工與自動(dòng)觀測(cè)pH 值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

由圖2a 可知，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率呈強(qiáng)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(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率值非常接近，自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率略高于人工觀測(cè)pH 值。由圖2b和圖2c 可知，人工觀測(cè)電導(dǎo)率與自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率僅個(gè)別點(diǎn)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(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率高于人工觀測(cè)電導(dǎo)率，其他自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率略低于人工觀測(cè)電導(dǎo)率，這2 d pH 觀測(cè)值差異較大，可能是管路污染影響的觀測(cè)偏差。由圖1a 也可知斜率略大于1，經(jīng)計(jì)算，烏魯木齊氣象站電導(dǎo)率自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（68.42±95.26）μs/cm，電導(dǎo)率人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（52.99±57.05）μs/cm，自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值高于人工觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值，自動(dòng)觀測(cè)的pH平均值略高于人工觀測(cè)的pH 平均值。

圖2 烏魯木齊人工與自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

2.2 喀什酸雨平行比對(duì)情況

2.2.1 降水采樣偏差與完整性對(duì)比分析

喀什氣象站人工和自動(dòng)觀測(cè)pH，電導(dǎo)電極每年更換一次。標(biāo)準(zhǔn)溶液、保養(yǎng)液每個(gè)月或校準(zhǔn)前更換，純水一個(gè)月一次更換。根據(jù)觀測(cè)記錄，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)記錄中降水起止時(shí)間有偏差，自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)映比較慢。降水采樣也有偏差，大部分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)出來的降水量多。自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)存在漏采樣。

2.2.2 人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)比對(duì)情況

由圖3a 可知，人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)pH 值為中等相關(guān)性，R2=0.255 8，即R 為0.505 8，經(jīng)查，自動(dòng)酸雨系統(tǒng)2019 年運(yùn)行以來，沒有對(duì)電極進(jìn)行更換，截至目前電極已經(jīng)使用1.5 a，自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備pH 電極測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)負(fù)偏差，酸雨自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備維護(hù)不及時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性下降，這是造成一致性較差的原因之一，斜率為0.491 4?？傮w而言，人工觀測(cè)pH值高于自動(dòng)觀測(cè)的pH 值。人工觀測(cè)的pH 值高于自動(dòng)觀測(cè)的pH 值（圖3b），僅8 月2 日自動(dòng)觀測(cè)pH 值高于人工觀測(cè)。經(jīng)取平均值計(jì)算，自動(dòng)觀測(cè)的pH 平均值為7.54，人工觀測(cè)的pH 平均值為7.82，自動(dòng)觀測(cè)的pH 平均值低于人工觀測(cè)的pH 平均值。

圖3 喀什人工與自動(dòng)觀測(cè)pH 值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

由圖4a 可知，人工觀測(cè)電導(dǎo)率與自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率呈強(qiáng)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(cè)電導(dǎo)率高于自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率，其他時(shí)段自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率略高于人工觀測(cè)。2021 年4 月1 日人工觀測(cè)電導(dǎo)率和自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率均最高，較高的電導(dǎo)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(cè)設(shè)備不能排除干沉降對(duì)電導(dǎo)率的影響，所以觀測(cè)值略高于自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備。經(jīng)計(jì)算，電導(dǎo)率自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（96.70±84.00）μs/cm，電導(dǎo)率人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為（96.82±92.71）μs/cm，自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值略低于人工觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值。

圖4 喀什人工與自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

2.3 伊寧酸雨平行比對(duì)情況

2.3.1 降水采樣偏差與完整性對(duì)比分析

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

2.3.2 人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)比對(duì)情況

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

圖5 伊寧人工與自動(dòng)觀測(cè)pH 值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

由圖6 可知，人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)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(cè)電導(dǎo)率高于自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率。經(jīng)取平均值計(jì)算，自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值為45.64 μs/cm，人工觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值為57.05 μs/cm，自動(dòng)觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值遠(yuǎn)低于人工觀測(cè)的電導(dǎo)率平均值。

圖6 伊寧人工與自動(dòng)觀測(cè)電導(dǎo)率值相關(guān)性（a）、時(shí)間序列（b）、差值的時(shí)間序列（c）對(duì)比分析

3 結(jié)論

（1）烏魯木齊氣象站和喀什氣象站電導(dǎo)率的一致性明顯大于pH 值的一致性，烏魯木齊氣象站電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率的相關(guān)性都相對(duì)較弱。

（2）烏魯木齊氣象站的pH 值和電導(dǎo)率的人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果具有較好的相關(guān)性，意味著可以通過查找觀測(cè)記錄確定可能導(dǎo)致差異的因素，并在觀測(cè)中予以避免?？κ矚庀笳镜膒H 值人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性較差，伊寧氣象站降水的pH值和電導(dǎo)率的人工觀測(cè)結(jié)果與自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性也較差。對(duì)于這2 個(gè)站點(diǎn)，建議定期更換分析電極，并及時(shí)查看觀測(cè)結(jié)果，以發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（3）人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)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(cè)方法的不同，以及觀測(cè)時(shí)間的差異等。人工觀測(cè)受制于觀測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和操作水平，而自動(dòng)觀測(cè)則更加精確和穩(wěn)定。此外，觀測(cè)時(shí)間的不同也可能導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果的差異，自動(dòng)觀測(cè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免了漏采或誤采現(xiàn)象。