基于酸雨人工与自动平行观测数据分析评估

戴华玲 邱 亮 周晓香 王 迎

（江西省气象信息中心，江西 南昌 330096）

0 引言

酸雨是指pH 值小于5.6 的大气[1]（液太、固态和混合）降水。雨、雪等在形成和降落过程中，吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧化合物等物质，形成了pH 低于5.6 的酸性降水。

酸雨观测数据是重要的气象资料，是科学研究和环境保护决策的重要依据，随着工业的不断发展，城市化发展迅速，化工生产造成的酸雨环境问题越来越严重，对生态系统以及人类身体健康都有极大的危害。为了进一步提高酸雨观测数据质量，全面掌握人工观测与自动观测数据间的系统偏差，提升酸雨观测自动化水平，确保酸雨观测数据的代表性、准确性和可比性。确保人工观测切换为自动观测后历史观测数据的延续性，为进一步开展历史数据的订证等奠定基础，确保酸雨观测资料能够持续稳定提供科学的数据，为我省生态环境保护提供气象保障。对人工酸雨观测资料和自动酸雨观测资料进行对比，指出人工与自动观测系统观测数据的差异，并论证TCYII 1 型自动观测系统观测的酸雨数据的可用性，为即将开展的酸雨自动化观测提供依据。

1 基本情况

1.1 平行观测开展时间

2020 年12 月，江西省已完成12 个酸雨站自动观测系统的建设。根据要求江西省12 个酸雨观测站分两批开展酸雨平行观测工作，首先已通过盲样测试的3 个台站（宜春、景德镇、广昌）于2021 年1 月1 日开展平行观测。盲样测试未通过的台站（庐山、赣县、寻乌、南昌县、上饶、鹰潭、萍乡、井冈山、泰和）对设备的性能状况进行检查和整改，于2021 年1 月15 日前完成了第二次盲样测试，并于2021 年2月1 日起开展平行观测。其中寻乌和南昌县由于未通过第二次盲样测试，分别于2021 年3 月1 日和2021 年10 月1 日正式开展平行观测，平行观测为期一年，分两个阶段进行。

第一阶段（前6 个月）以人工观测为主，每日上传人工观测数据，自动观测数据存档留存。第二阶段（第7-12 月）以自动观测为主，每日上传自动观测数据，人工观测数据存档留存。

1.2 TCYII 1酸雨自动观测系统和人工观测仪器、电极等设备情况

江西省国家级酸雨观测站人工观测设备为上海雷磁仪器厂pHSJ-4F 型pH 计和DDSJ-308 型电导率仪（简称“人工观测”，下同），其中井冈山（57894）、泰和（57899）电导率仪型号为DDS-307。酸雨观测站自动观测系统设备为TCYII 1 型（简称“自动观测”，下同），生产厂家为浙江恒达仪器仪表股份有限公司。

TCYII 1 酸雨自动观测系统安装在室外观测场，能连续测量pH 和电导率，由感应器、降水采集器和分析仪3 个部分组成的全自动分析子系统。通过感雨器感应降雨，系统降水采集器自动采集降水样品，在温度达到合适的条件下将所采集的水样品经管路输送到分析仪，分析仪自动测量降水样品的pH 值（酸碱度）、EC 值（电导率）和温度等要素[2]，并通过网络自动上传观测数据和仪器状态数据，完成自检和校准。

2 评估内容

对开展平行观测的各台站采用2021 年1—12 月的平行观测资料（简称“评估期”，下同），在满足资料完整性的基本条件下，分别从降水采样完整性、降水分析数据的准确性、降水分析数据的一致性、仪器运行可靠性等方面进行分析。

2.1 降水采样偏差及数据完整性评估

以地面气象观测质量为参考标准，以日数据为测试评估分析单位，当日降水量达到1.0 mm 时，比较人工观测系统和酸雨自动观测系统所记录的降水起止时刻、降水量及每日降雨次数，检查酸雨自动观测系统是否出现漏采、空采的情况。

根据酸雨整编数据分析，酸雨自动观测系统和人工观测所记录的降水起止时间取自国家地面气象观测站仪器降水现象仪自动记录的起止时间，故酸雨自动观测系统与人工观测的降水采样时段一致。

观测数据以日为基本单位，对酸雨自动观测系统的观测数据做月缺测评估。

全省12 个酸雨观测站全年应观测样本数为1232 个，酸雨自动观测系统评估期设备运行总体稳定，较大的故障主要集中在少部分站点，缺测数据较多的台站有57899（泰和）、57993（赣县）、58527（景德镇）、59102（寻乌）主要原因为仪器故障。因仪器维护不当造成酸雨自动观测系统降水采集器和水样输送软管堵塞的台站有57894（井冈山）、58627（鹰潭）、58813（广昌），数据总体完整性较好。江西省对比评估期数据缺测情况见表1。

表1 评估期各站缺测情况统计表

2.2 降水分析数据的准确性

以人工酸雨观测的分析测量为参考值，分析评估酸雨自动观测系统测量数据的准确性。TCYII 1 型酸雨自动观测系统降水样品分析仪的相对pH 偏差计算方法如下。

相对pH 偏差（%）=（人工观测pH 测量值-自动观测pH 测量值）/人工观测pH 测量值×100%

相对电导率偏差（%）=（人工电导率测量值-自动观测电导率测量值）/人工观测电导率测量值×100%

图1（a）是TCYII 1 型酸雨自动观测系统人工与自动观测相对pH 偏差。偏值在-0.51～+0.42，相对pH 偏差值<0.0占总对比记录的37%，相对pH 偏差值>0.0 占总对比记录的54%，基本呈现以pH 相对偏差=“0.0”为中心略偏向正值的分布。可见酸雨自动观测系统降水样品自动分析仪器测量的pH 数据准确性较高，自动分析仪pH 值测量性能较好[5]。相对pH 偏差值差异较大的58607 站因前期一直未通过盲样测试，直到2021 年10 月才正式开始平行观测，因总的观测记录少，所以与其他站相比，差异略大；58813 站3—4 月因仪器故障自动观测pH 较多缺测和异常偏小数据造成全年pH 相对值较其他站偏大，其余10 个酸雨观测站人工与自动观测差异基本属正常。

图1（b）是TCYII 1 型酸雨自动观测系统人工与自动观测相对电导率K值偏差。相对电导率K值偏差值在-4.28～+1.00，相对电导率K值偏差值<0.0 占总对比记录的28%，相对电导率K值偏差值>0.0 占总对比记录的69%，总体呈现偏向正值的分布。电导率K值相对偏差值较大的58506 站，通过观测数据分析，其主要原因为 11 月自动观测仪器维护不当，由此可以看出人工测量的电导率K值明显大于酸雨自动观测系统分析测量的电导率K值，因为降水样品的电导率是测量降水中的含离子成分和含杂质成分等的重要指标[5]，电导率越小说明降水中的杂质越少，酸雨自动观测系统具有防止颗粒物干扰的优势[4]，如果相同的降水样品测得电导率K值人工大于自动，则表明人工观测存在操作不规范和样品污染等原因，与自动观测相比，更容易受外界干扰，导致数据出现偏差[3]，因此酸雨自动观测数据更能体现酸雨数据的真实性，这也说明酸雨自动观测系统更灵敏，分析测量的数据准确性更高，更具有代表性。

图1 相对pH 值、电导率K 值偏差空间分布图

图2 是酸雨自动观测系统pH 和电导率相对偏差时间分布，相对pH 偏差、相对电导率偏差基本分布在>0.0 的正值区间内，相对电导率偏差分布在<0.0 区间内的较为明显的11 月，主要原因为58506 站11 月仪器维护不当造成数据异常偏大，其余11 个站偏差基本在正常范围内，总体呈现自动观测电导率K值小于人工观测值。

图2 相对pH 值、电导率K 值月偏差时间分布图

2.3 降水分析数据的一致性分析

以人工酸雨观测的分析测量为参考值，分析评估酸雨自动观测系统测量数据的一致性。

全省12 站降水pH 值、电导率K值的对比分析（如图3），1-4 月人工与自动观测降水pH 值差较大，主要为58813站3-4 月因仪器原因造成多日数据缺测和pH 值异常偏小，58527 站4 月仪器因雷击故障造成数据缺测，5-12 月人工与自动观测pH 值基本一致。并且我们对2021 年1-12 月江西省12 个酸雨观测站平行观测期间的人工观测和自动观测进行了皮尔逊相关性分析（图3），结果表明：使用TCYII 1型酸雨自动观测系统分析的pH 值和使用pHSJ-4F 型pH 计人工观测pH 值逐月变化相关性达到了0.78，其显著性大于95%；同理，使用TCYII 1 型酸雨自动观测系统分析的电导率K值和使用DDSJ-308 型或DDSJ-307 型电导率仪人工观测电导率K值逐月变化的相关性达到了0.91，其显著性大于95%。从中分析可以得出，基于TCYII 1 型酸雨自动观测的pH 值和电导率K值在平行观测期间与人工观测的pH 值和电导率K值均有相关性r>0.7 的紧密相关，这为江西省实施开展TCYII 1 型酸雨自动观测系统替代人工观测提供了较强的科学依据。

图3 人工观测与自动观测降水pH 值和电导率K 值

江西省12 个酸雨站对比评估期的1232 个酸雨日数据对比样本计算其相关系数，剔除缺测和异常数据，降水pH 值相关系数达到0.608，电导率K值相关系数达0.460，均通过了相关性显著检验（α=0.01），如图4 所示。

图4 降水pH 值、电导率K 值散点图

3 评估结论

两种观测方式测得的pH 值的相对偏差值差值比较小，电导率K值自动小于人工，说明自动观测系统降水样品受干扰少，分析的酸雨数据更真实、总的准确性较好。

人工酸雨观测与自动酸雨观测系统相比，因人工操作存在不可避免的误差及样品污染等因素，因此人工观测的误差概率比自动观测高，而TCYII 1 型酸雨自动观测系统总体运行稳定、可靠，各项评估指标达到技术性能要求。对评估期的酸雨观测数据进行分析，包括完整性、准确性以及一致性，降水pH 值和电导率K值相关系数都通过了相关性显著检验，说明酸雨自动观测系统的观测值更能体现观测数据的真实性、准确性，为江西省的酸雨自动化观测提供依据。