新疆酸雨自动观测与人工观测对比试验研究

彭 坚，郭凤娟，辛备豫

（新疆气象技术装备保障中心，新疆 乌鲁木齐830011）

酸雨观测数据是科学研究和环境保护决策的重要依据。酸雨对农牧业生产、森林、工业设备、建筑物、生态环境及人类健康等均产生不利影响，因此加强酸雨监测对酸雨的污染防控和治理具有十分重要的现实意义。自20 世纪80 年代初中国气象局就将酸雨观测正式列为气象观测项目，作为气象台站的基本任务之一，并陆续在全国布设酸雨人工观测站网[1]。在实际工作中，酸雨人工观测对降水样品的采集、测量、记载等方面具有不确定性和一定的偶然误差，根据降雨开始或结束自动启闭采样盖可以弥补以上缺陷。按照《综合气象观测系统发展规划（2010—2015 年）》对酸雨观测的目标和需求，2010年中国气象局开始研制酸雨自动观测系统。《全国气象发展“十三五”规划》提出加强建设气象观测自动化水平，构筑气象大数据系统。

2020 年气象部门在全国151 个气象站完成了酸雨自动观测系统建设和盲样测试工作，根据部署，酸雨自动观测业务于2021 年1 月1 日正式启动，151 个气象台站开展了为期1 a 的自动和人工平行观测，以全面掌握两者间的数据偏差，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订正等奠定基础[1]。

目前国内学者对酸雨自动观测系统的研究和讨论主要集中在TCYI 1 型或TCYII 1 型酸雨自动系统的观测仪器的性能、日常维护、故障维修及故障处理分析等方面[2-13]，而开展酸雨自动和人工平行观测数据的对比分析研究较少。杨慧燕等[14]将人工酸雨数据与AMR 降水自动监测仪测得的酸雨观测数据进行比较分析，论证了AMR 降水自动监测仪观测资料的可用性，而目前大多数酸雨自动观测系统采用TCYI 1 型或者TCYII 1 型分体式自动观测仪器的一致性比对及原因分析却鲜有报道。为加强和提高酸雨自动观测系统的数据代表性、准确性和可比性，本文通过对人工和自动观测pH 值和电导率数据进行走势分析、相关性分析，以及差值方差分析，分析两者误差来源，以期能够优化酸雨自动观测系统，为更好地开展酸雨自动化观测提供数据和技术支持。

1 资料来源与工作方法

1.1 资料来源

研究资料来源于南北疆具有代表性的国家基本气象站的观测数据，即选取2021 年1 月—2022 年5月乌鲁木齐市国家基本气象站（以下简称“乌鲁木齐气象站”）和2021 年1 月—2022 年12 月伊宁市国家基本气象站（以下简称“伊宁气象站”），以及2020年4—12 月、2021 年1—8 月、2022 年3—5 月喀什气象站的酸雨观测数据共计206 条，开展自动和人工酸雨观测对比实验，分析两者pH 值和K 值之间的差异。

乌鲁木齐气象站2020—2022 年降水量分别为199.6、258.7、204.6 mm；喀什气象站2020—2022 年降水量分别为154.8、112.5、84.7 mm；伊宁气象站2020—2022 年降水量分别为190.5、252.1、330.8 mm。人工观测pH 值和电导率设备均为上海雷磁仪器厂出产，型号分别为pHS-3E 和DDS-307。

喀什气象站2020—2022 年人工酸雨考核结果为优秀，2020 年自动酸雨考核结果为优秀，2021—2022 年酸雨考核结果pH 值为不合格，K 值为合格；乌鲁木齐气象站、伊宁气象站人工测量考核为优秀。

1.2 工作方法

酸雨平行观测采用TCYI_1 型酸雨自动化观测系统和人工pH 计、电导率仪。酸雨自动设备可用一台设备，经过流经不同管路，分别测量pH 和电导率，而人工观测设备需要分别用pH 计和电导率测量pH 和电导率。酸雨自动观测采用北京时，每天的08 时为酸雨观测降水采样日界，当日08 时至次日08 时为一个降水采样日，当一个降水采样日内，降水量达到1.0 mm 时，应采集一份降水样品，并测量降水样品的pH 值及电导率。酸雨观测均严格按照酸雨观测规范及酸雨自动观测规范进行。

1.2.1 酸雨人工观测方法

人工测量降水样品pH 值、K 值前，应先将pH计、电导率仪预热30 min 以上，确保降水样品与标准缓冲溶液温度差≤2 ℃。使用中性和酸性（或碱性）标准缓冲溶液对pH 计进行两点校准后，将pH计调入测量状态开始测量，读取3 次稳定的pH 读数，并计算和记录平均pH 值。测量K 值前，应先检查电导电极常数设置是否正确，电导率仪调至测量状态，读取3 次稳定的K 值读数，并计算和记录平均K 值。观测员将记录的数据录入地面观测业务软件（ISOS）内，发送酸雨报文。

1.2.2 酸雨自动观测方法

TCYI_1 型酸雨自动化观测系统由自动降水采样器、降水样品自动分析仪和数据综合处理软件组成，将实现酸雨自动观测并实时上传数据。当感雨器感应到降水时，降水采集器通过自动开盖收集降水样品，观测人员将采样袋内的降水带入实验室进行恒温处理，确保降水样品与标准缓冲溶液温度差≤2 ℃，随后，将其转移到降水样品自动分析仪，启动降水样品自动分析程序，自动完成降水样品pH值、K 值的测量及酸雨报文的自动传输。

2 结果分析

2.1 乌鲁木齐酸雨平行比对情况

2.1.1 降水采样偏差与完整性对比分析

乌鲁木齐气象站人工pH 电极第一次使用前在纯水或3 mol/L 的氯化钾溶液中浸泡24 h 后进行活化，日常存储用氯化钾溶液浸泡，每年更换电极；人工电导率电极日常存储用纯水浸泡，每2 年更换电极；自动酸雨电极每周用标准缓冲溶液校准pH 复合电极，每年定期更换新的pH 复合电极，每月用电导率校准液校准电导电极，每2 年更换电导电极。

根据观测记录，自动酸雨观测系统未出现漏采或空采。观测期间自动观测获取数据和人工观测数据均为56 条。

2.1.2 人工观测与自动观测比对情况

乌鲁木齐气象站共计56 条酸雨观测数据，由图1a 可知，人工观测和自动观测的pH 值呈强正相关，相关系数R 为0.803，斜率为0.852 2，人工观测和自动观测的pH 值非常接近。图1b 和图1c 中人工观测与自动观测的pH 值仅个别点差异较大，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 日差值超过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 日自动观测的pH 值高于人工观测值，其他4 d 均是自动观测的pH 值低于人工观测值。经计算，pH 值自动观测数据的算术平均数为6.75±0.62，pH 值人工观测数据的算术平均数为6.69±0.58，自动观测的pH 平均值略高于人工观测的pH 平均值。

图1 乌鲁木齐人工与自动观测pH 值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

由图2a 可知，人工观测和自动观测的电导率呈强正相关，即具有很好的一致性，R2为0.985 1，斜率为1.184 9，人工观测和自动观测的电导率值非常接近，自动观测电导率略高于人工观测pH 值。由图2b和图2c 可知，人工观测电导率与自动观测电导率仅个别点差异较大，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 日差值超过15 μs/cm，其中2021 年5 月1 日和2021 年12 月15 日自动观测电导率高于人工观测电导率，其他自动观测电导率略低于人工观测电导率，这2 d pH 观测值差异较大，可能是管路污染影响的观测偏差。由图1a 也可知斜率略大于1，经计算，乌鲁木齐气象站电导率自动观测数据的算术平均值为（68.42±95.26）μs/cm，电导率人工观测数据的算术平均值为（52.99±57.05）μs/cm，自动观测的电导率平均值高于人工观测的电导率平均值，自动观测的pH平均值略高于人工观测的pH 平均值。

图2 乌鲁木齐人工与自动观测电导率值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

2.2 喀什酸雨平行比对情况

2.2.1 降水采样偏差与完整性对比分析

喀什气象站人工和自动观测pH，电导电极每年更换一次。标准溶液、保养液每个月或校准前更换，纯水一个月一次更换。根据观测记录，人工观测和自动观测系统记录中降水起止时间有偏差，自动观测系统应映比较慢。降水采样也有偏差，大部分自动观测系统测出来的降水量多。自动观测系统存在漏采样。

2.2.2 人工观测与自动观测比对情况

由图3a 可知，人工观测与自动观测pH 值为中等相关性，R2=0.255 8，即R 为0.505 8，经查，自动酸雨系统2019 年运行以来，没有对电极进行更换，截至目前电极已经使用1.5 a，自动观测设备pH 电极测量结果出现负偏差，酸雨自动观测设备维护不及时，观测数据准确性下降，这是造成一致性较差的原因之一，斜率为0.491 4。总体而言，人工观测pH值高于自动观测的pH 值。人工观测的pH 值高于自动观测的pH 值（图3b），仅8 月2 日自动观测pH 值高于人工观测。经取平均值计算，自动观测的pH 平均值为7.54，人工观测的pH 平均值为7.82，自动观测的pH 平均值低于人工观测的pH 平均值。

图3 喀什人工与自动观测pH 值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

由图4a 可知，人工观测电导率与自动观测电导率呈强正相关，即具有很好的一致性，R2为0.942 6，斜率为0.879 6。由图4b 和4c 可知，仅15 d 人工观测电导率高于自动观测电导率，其他时段自动观测电导率略高于人工观测。2021 年4 月1 日人工观测电导率和自动观测电导率均最高，较高的电导率可能与沙尘天气有关，经查这天出现沙尘天气，能见度低于1 587 m。人工观测设备不能排除干沉降对电导率的影响，所以观测值略高于自动观测设备。经计算，电导率自动观测数据的算术平均值为（96.70±84.00）μs/cm，电导率人工观测数据的算术平均值为（96.82±92.71）μs/cm，自动观测的电导率平均值略低于人工观测的电导率平均值。

图4 喀什人工与自动观测电导率值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

2.3 伊宁酸雨平行比对情况

2.3.1 降水采样偏差与完整性对比分析

根据观测记录，达到1.0 mm 的降水量出现32次，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比较，相差不大。酸雨自动观测系统在酸雨日采集未出现漏采、空采，故缺测率0%。

2.3.2 人工观测与自动观测比对情况

由图5 可知，人工观测和自动观测的pH 值具有弱线性正相关性。斜率＞0，总体而言，自动观测pH值略高于人工观测的pH 值。经取平均值计算，自动观测的pH 平均值为6.78，人工观测的pH 平均值为5.70，自动观测的pH 平均值高于人工观测的pH 平均值。

图5 伊宁人工与自动观测pH 值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

由图6 可知，人工观测和自动观测的电导率整体具有中等线性相关性，R2为0.192 4，即R 为0.44，斜率为0.36。斜率＜1，人工观测电导率高于自动观测的电导率。经取平均值计算，自动观测的电导率平均值为45.64 μs/cm，人工观测的电导率平均值为57.05 μs/cm，自动观测的电导率平均值远低于人工观测的电导率平均值。

图6 伊宁人工与自动观测电导率值相关性（a）、时间序列（b）、差值的时间序列（c）对比分析

3 结论

（1）乌鲁木齐气象站和喀什气象站电导率的一致性明显大于pH 值的一致性，乌鲁木齐气象站电导率和pH 值数据均具有显著的线性正相关性，喀什气象站的电导率数据显示有较高的线性相关性，pH值的相关性则具有中等线性相关性，而伊宁气象站的pH 值和电导率的相关性都相对较弱。

（2）乌鲁木齐气象站的pH 值和电导率的人工观测和自动观测结果具有较好的相关性，意味着可以通过查找观测记录确定可能导致差异的因素，并在观测中予以避免。喀什气象站的pH 值人工观测和自动观测结果的相关性较差，伊宁气象站降水的pH值和电导率的人工观测结果与自动观测结果相关性也较差。对于这2 个站点，建议定期更换分析电极，并及时查看观测结果，以发现和解决问题。

（3）人工观测和自动观测结果之间的差异可能是多种因素综合影响的结果。其中包括采样方式和观测方法的不同，以及观测时间的差异等。人工观测受制于观测人员的经验和操作水平，而自动观测则更加精确和稳定。此外，观测时间的不同也可能导致观测结果的差异，自动观测可以实时监测，避免了漏采或误采现象。