赵辛慈，胡东平，侯 静，涂 明，颜国跑，秦建峰

（湖北省武汉市气象局，武汉 430040）

酸雨是指pH 小于5.6 的大气降水［1］，酸雨观测是综合气象观测的重要项目。酸雨问题是全球主要的环境问题，酸雨会危害人类的健康、危害土壤和植物、腐蚀建筑物、机械和市政设施［2］，因此，酸雨观测数据在气候监测、环境监测、农业生产和建筑规划与设计等领域都有重要作用，为防治酸雨、研究其时空分布及长期变化趋势提供重要的科学依据。根据中国气象局的业务发展规划及自动化发展建设要求，酸雨观测方式也将从人工向自动化转变［3］，2020 年9 月武汉国家基本气象观测站建设了TCYII-1 型酸雨自动观测系统。

多位学者研究了酸雨自动观测系统、仪器维护及数据质控［4-8］，如骆世娟等［9］研究了TCYII-1 型酸雨自动观测系统常见故障分析，杨慧燕等［10］对降水自动监测仪与酸雨人工观测资料进行了差异分析。本研究通过对比武汉国家基本气象观测站TCYII-1型酸雨自动观测系统与人工观测得到的酸雨资料的差异，分析形成差异的原因，论证TCYII-1 型酸雨自动观测系统的可用性。

1 资料与方法

1.1 仪器原理与方法

1.1.1 酸雨人工观测 酸雨观测降水采样以每天上午8：00 为日界，当日8：00 至次日8：00 为一个降水采样日［1］。当一个降水采样日内降水量超过1.0 mm时，则需观测降水样品。一个降水采样日，只有一次连续降水过程，则采集一份降水样品；有数次降水过程，则用同一容器多次采样合并为一份降水样品。武汉国家基本气象观测站人工观测酸雨使用pH 计和电导率仪。仪器每年定期检定，电导电极每年更换并校准。武汉站多年酸雨观测质量考核为合格及以上结果。

1.1.2 TCYII-1 型酸雨自动观测系统 TCYII-1 型酸雨自动观测系统是全自动智能化降水感应、采集和分析的酸雨观测系统。通过感雨器感应降水后，集雨桶自动开盖采集降水样品，感应到降水停止后自动关闭防尘盖，保证降水样品尽量不被环境污染，收集一个采样日降水后将完整降水样品输送至分析仪，自动清洗测量管路和电极后测量降水样品的温度、pH 和电导率（K），测量完成后再次自动清洗集雨桶、测量管路和电极，并将数据本地储存及时上传至业务机。该系统结构完整，操作方便，定期自动清洗、校准电极，机箱内还配备控温系统，冬季可加热、夏季可降温散热，能长期在露天环境中稳定工作。

1.2 数据与处理

分析数据为武汉国家基本气象观测站2020 年9月26 日至2021 年8 月31 日TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨的水样温度、pH、电导率（K）数据，以及武汉站相对应降水采样日期的降水量和当日降水时段内出现次数最多的整点10 min 平均风向。应观测总次数105 次，人工观测数据无缺测，自动观测系统观测数据pH 缺测3 次、缺测率为2.9%，K缺测9 次、缺测率为8.6%。剔除缺测数据，实际对比数据pH 为102 组，K为96 组。

以差值、相对差值、标准差为指标，对TCYII-1型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨数据进行差异分析，涉及的计算式如下。

式中，Xi为差值，Ai为第i次酸雨自动观测系统观测值，Ui为第i次酸雨人工观测值，Zi为相对差值，s为标准差，n为参与对比的样本数。

2 结果与分析

2.1 水样温度、pH 和K 的月均值差异分析

根据TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨数据的月均值差异（表1）可知，水样温度平均差值在2020 年10 月与2021 年2 月、7 月为负值，2021 年8 月差异最小，为0，其他观测月份平均差值为正，其中2020 年12 月的差值最大，为5.4 ℃。pH在2021 年2 月差异最大，月平均差值为-0.57，2021年5 月差异最小，月平均差值为-0.04；K在2021 年7月差异最大，月平均差值为-31.3，2020 年12 月差异最小，月平均差值为-2.8。水样温度的月平均差值变化与K的月平均差值变化相关性不明显。

表1 TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨数据月均值差异

相对差值可以反映TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨观测值之间的相对偏差程度。相对差值的绝对值越小，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。

标准差能反映一组数据的离散程度，标准差越小，表示离散程度越小，大部分数据与其平均值差异小；反之大部分数据与其平均值差异大。由表1可知，pH 离散程度最小的为2021 年8 月，K离散程度最小的为2020 年10 月。

2.2 降水量对pH 和K 差值的影响

由图1 可知，当降水量在1.0～10.9 mm 和20.9～30.9 mm 时，pH 自动观测与人工观测数据平均差值为正；二者差异随降水量的增大先减小，当降水量增大到41.0 mm 时，差异开始增大，到61.0 mm 时又减小。相对差异变化趋势相同。

K的自动观测与人工观测数据平均差值与相对差值均为负。差异随降水量的增大而增大，当降水量大于等于41.0 mm 时，差异又随降水量的增大而减小，到61.0 mm 时又增大。相对差异变化趋势相同。差异变化与pH 的变化相反。

2.3 不同pH 范围的pH 和K 差异分析

酸雨是指pH 小于5.6 的大气降水，将人工观测pH 分为＜5.6 和≥5.6 两个范围，对比2 种观测方式测量pH 和K的差异。当pH＜5.6 时，pH 对比数据共41 组，差值均值为0.29，K对比数据共38 组，差值均值为-10.93；当pH≥5.6 时，pH 对比数据共61 组，差值均值为-0.13，K对比数据共58 组，差值均值为-17.27。可知，2种观测方式的pH 差异为pH＜5.6时比pH≥5.6时大；K差异为pH＜5.6时比pH≥5.6时小。

2.4 不同风向的pH 和K 差异分析

由于武汉站所处的地理位置和环境，台站出现北风和偏北风的情况较多。由表2 可知，在本研究的时间范围内需测量酸雨日的风向出现天数最多的风向为东北风和西北风。降雨时段内出现最多风向为西南风时，pH 和K差异均最大；风向为静风时，pH 差异最小，风向为南风时，K差异最小。

表2 TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨数据随风向变化的差异

3 讨论

降水样品采集方式不同，人工观测的降水样品收集是用酸雨桶，一个采样日内酸雨桶可能会长时间暴露在空气中，降水样品可能自然蒸发，收放桶的过程中降水样品也可能会受污染。自动观测系统通过感应降水自动开关防尘盖收集降水样品，减少了降水样品收集的污染。水样温度的差值变化与K的差值变化相关性不明显和对比数据K的差值为负，可表明在一定情况下，2 种观测方式收集的降水样品洁净程度不同，而自动观测系统收集的降水样品比人工收集的污染小。

降水样品测量前准备和测量环境不同，人工观测的降水样品在测量前会将样品和缓冲溶液共同放置室内一定时间，让降水样品和缓冲溶液温度与室温接近一致，放置时间不超过2 h，且测量时降水样品与缓冲溶液温度差不大于2 ℃。自动观测系统是在设备内收集和测量样品，设备内配备控温系统，冬季可加热、夏季可降温散热，温度较恒定，所以2 种观测方式水样温度的测量有差异。水样温度的差异会影响测量pH 和K的结果。

自动观测系统和人工观测原理不同，自动观测系统含有3 种标准缓冲溶液，分别为酸性pH（4.00）、中性pH（6.86）和碱性pH（9.18）溶液，而人工观测的标准缓冲溶液只有酸性和中性2 种。相比之下，自动观测系统测量的酸雨数据更加精确。此外，降水量、水样温度和风向都会影响酸雨数据的测量，从而产生差异。

4 小结

1）在本研究的一年时间范围内，应观测酸雨总次数105 次，人工酸雨观测数据无缺测，自动酸雨观测系统观测数据pH缺测率为2.9%，K缺测率为8.6%。

2）TCYII-1 型酸雨自动观测系统与人工观测酸雨数据水样温度在2021 年8 月差异最小，2020 年12月的差异最大；pH 在2021 年2 月差异最大，2021 年5 月差异最小；K在2021 年7 月差异最大，2020 年12月差异最小。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 离散程度最小的为2021 年8 月；K离散程度最小的为2020 年10 月。

3）pH 差异随降水量的增大先减小后增大再减小；K差异随降水量的增大先增大后减小再增大。pH 差异在pH＜5.6 时比pH≥5.6 时大；K差异在pH＜5.6 时比pH≥5.6 时小。降雨时段内出现最多风向为西南风时，pH 和K差异均最大；风向静风时，pH 差异最小，风向为南风时，K差异最小。

4）人工观测操作存在人为误差，而自动观测设备也存在不稳定性，都会造成观测数据的差异。然而通过严格遵守观测规范，时常校准和维护仪器，酸雨自动观测系统设备在运行良好的状态下，所得酸雨数据的准确性和可靠性更高。