锡林浩特地区酸雨变化特征及平行观测数据评估_赵晓英.pdf

内 蒙 古 气 象202022 年第 3 期文章编号 1005-8656（2022）03-0020-05锡林浩特地区酸雨变化特征及平行观测数据评估赵晓英（锡林浩特国家气候观象台，内蒙古 锡林浩特 026000）摘要 利用 20062021 年锡林浩特国家气候观象台酸雨监测资料共 709 个降水采集样品，统计分析降水样品中 pH 值和电导率(K 值)变化特征；同时利用 2021 年 2 月2022 年 1 月酸雨自动和人工平行观测数据对酸雨自动观测系统从降水采样偏差及降水采样完整性、降水数据的准确性、一致性进行分析评估。结果表明：近 16 年锡林浩特市 pH 值年变化呈弱下降趋势，下降率为 0.159/(10 a)，酸雨共出现 1 次，发生频率仅为 0.14%，大气降水主要以碱性降水为主，中性降水次之，酸性降水很少；K 值年变化呈显著的下降趋势，速率为 8.898/(10 a)，年平均 K 值变化范围为 50.9 108.0 Scm-1，近些年 K 值在逐渐减小；自动观测和人工观测降水采样记录完整性较高，人工和自动平行观测 pH 值相对偏差较小，电导率相对偏差较大，酸雨自动观测系统降水分析数据的 pH 值准确性较高，电导率相对准确性稍低；pH 值有较高一致性，电导率一致性较低。关键词 锡林浩特；酸雨；变化特征；平行观测；数据评估中图分类号 P426.6 文献标识码 Adoi:10.14174/ki.nmqx.2022.03.0040 引言 酸雨是指 pH 值小于 5.60 的大气降水，包括雨、雪、冰雹等1，酸雨以潜移默化的方式，改变土壤、水体的化学性质，危及森林、草原及农作物生存。从20 世纪 70 年代开始，酸雨就成为全社会环境保护和相关科学研究关注的重要领域。中国处于全球三大酸雨区之一的东亚酸雨区，以长江以南地区为主要酸雨区的酸雨污染不断扩大。20 世纪 90 年代中期，中国划定了“两控区”，大力减少污染物的排放，减少和控制酸雨的污染，使酸雨污染得到了有效控制2。近年来，随着我国社会经济建设的不断发展，酸雨污染防控的形势依然严峻。目前国内许多学者对酸雨的现状、成因、分布等开展了大量研究工作3-6，赵艳霞等7对中国区域酸雨变化特征及成因进行了分析，认为我国主要酸雨区分布在长江以南的广大地区,北方地区也存在小范围的酸雨区。解淑艳等8对全国酸雨状况变化趋势进行研究，认为全国降水酸度明显降低，酸雨区面积呈减小趋势；专家和学者对全国及南方各省、市的酸雨现状及变化规律研究较多，内蒙古地区是全国露天煤矿集中地，沙尘天气较多，而对该地区的酸雨现状变化趋势研究的较少，目前只有刘克利等9学者对内蒙古地区酸雨监测站 20072009 年的 pH值做了分析，得出内蒙古地区东部 pH 值偏小，北部草原地区偏大，通辽市出现酸雨的次数最多。因此，有必要对草原地区酸雨特征做进一步的分析研究，以期探究酸雨变化趋势。本文通过利用锡林浩特酸雨监测站 20062021 年酸雨资料探讨分析酸雨 pH 值和 K 值变化特征及影响因素，以期为本地区酸雨污染防治以及生态环境监测治理提供理论依据。同时对酸雨平行观测期间的人工观测和自动化仪器观测数据进行分析评估，为推进酸雨观测自动化建设，提高酸雨自动化观测能力，获取高质量的酸雨观测数据提供科学参考。1 研究区域概况 锡林浩特国家气候观象台位于锡林浩特市东郊，43 57 00 N，116 07 11 E，海拔高度为 1003.5 m。地处中纬度西风带内，距海远，海拔高，具有寒冷、风大、雨少、日照长、温差大、相对湿度小等气候特征，属中温带半干旱大陆性季风气候。年平均气温为 3.0，全年盛行偏西风，年平均风速为 3.3 ms-1，全年无霜期为 115 179 d。平均年降水量为 263.5 mm，主要集中在 68 月。主要气象灾害有干旱、霜冻、冷雨、湿雪、大风、沙尘暴、寒潮等。气象台站周边环境符合酸雨探测环境要求，周围 2000 m 范围内无高大物体遮挡，地势平坦，地域开阔。2 资料来源与研究方法2.1 资料来源 锡林浩特国家气候观象台酸雨观测站始建于2006年，同年开始观测并投入业务运行。每日 08 时(北京时，下同)为酸雨观测降水采样的日界，当日 08 时至次日 08 时为一个降水采样日。在一个降水采样日内，无论降水是否有间歇及间歇长短，降水量达到1.0 mm 时，必须采集一个日降水样品1。文章采用锡林浩特酸雨观测站 20062021 年酸雨观测资料和 2021 年 2 月2022 年 1 月酸雨平行观测期间的自动和人工观测资料，观测要素包括大气降水 pH值、K 值、降水量、降水采样温度。人工观测记录按照酸雨观测业务规范1的要求进行观测，自动观测记录按照酸雨自动观测业务规范2的2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象21要求进行观测，大气降水月平均 pH 值、降水样品pH 值频率、月平均 K 值的计算方法采用酸雨观测规范（GB/T 191172017）10规定的方法进行计算。2.2 研究方法 数据的统计处理、分析及绘图主要应用 Excel 软件和 SPSS 统计软件完成，采用线性趋势分析法10分析 20062021 年的酸雨 pH 值和 K 值变化特征及相关关系，分析图均采用 Excel 软件完成。酸雨月平均 pH 值采用氢离子浓度 H+降水量加权法计算，年平均 pH 值运用算术平均法。平行观测数据在满足资料完整性的基本条件下，分别从降水采样偏差及降水采样完整性、降水分析数据的准确性、一致性等方面进行分析评估。以人工观测酸雨数据为参考值来评估自动观测数据，酸雨自动观测系统测量数据的准确性用相对偏差进行分析，酸雨数据的一致性用绝对偏差进行对比分析。2.3 酸雨月平均值计算方法 酸雨月平均 pH 值采用氢离子浓度 H+降水量加权法计算，即将每次降水的 pH 值换算成氢离子浓度后，乘相应的降水量求得平均氢离子浓度，再取其对数，即为月平均 pH 值10。计算公式如下：H+i=10-pH(1)式中：H+i为降水的氢离子浓度，单位为 molL-1；pHi为降水的 pH 值，无量纲。ipHavg=-lg H+iViVi(2)式中：pHavg为月平均 pH 值，无量纲；H+i为逐日降水的氢离子浓度，单位为molL-1；Vi为逐日降水量，单位为 mm。酸雨月平均 K 值的计算公式如下：Kavg=ViKiVi(3)式中，Kavg为月平均电导率，Ki为逐日降水电导率，单位为 Scm-1；Vi为逐日降水量，单位为mm。2.4 酸雨 pH 值等级划分标准 按照中华人民共和国气象行业标准酸雨和酸雨区等级（QX/T 3722017）划分标准和酸雨观测业务规范，酸雨 pH 值等级划分标准见表 1。表 1 酸雨 pH 值等级划分标准级别日降水 pH 值碱性pH 7.00中性5.60 pH 7.00较弱酸雨5.00 pH 5.60弱酸雨4.50 pH 5.00强酸雨4.00 pH 4.50特强酸雨pH 4.003 结果与分析3.1 pH 值和K值年变化特征3.1.1 pH 值年变化 在降水的形成过程中，由于受到大气中二氧化碳和其他污染气体以及大气中悬浮颗粒物可溶成分的影响，降水的 pH 值会呈现较大幅度的变化，因而降水的 pH 值是反映自然界降水特性以及受人类活动影响的重要指标之一1。pH 值定义是氢离子浓度的负对数，pH值为014，可以反映大气降水的酸碱程度，pH 值越小酸度越大。对 20062021 年锡林浩特站降水采集样品进行分析，pH 值日变化为 5.39 9.14。从表 2 可知，锡林浩特市大气降水多呈碱性，占总样品的 92.38%；其次为中性，占总样品的 11.71%；酸雨在 16 年间 709 个观测降水样品中共出现 1 次，出现时间为 2012 年 5 月 10 日，pH 值为 5.39，占总样品的 0.14%。由此可知：锡林浩特市大气降水以碱性降水为主，中性降水次之，酸性降水占比很少。碱性降水渗透到土壤中，破坏土壤结构，不利于土壤的良性发育，影响牧草的生长发育和物种多样性，使草原生态环境恶化。表 2 20062021 年锡林浩特市降水样品 pH 值频率pH 值范围样品数/个所占比例/%4.50 pH 5.6010.145.60 pH 7.008311.71pH 7.0062592.38 从图 1 可知，20062021 年锡林浩特市降水样品pH 值年变化呈弱下降趋势，速率为 0.159/（10 a），相关系数为 0.3972，说明该地大气降水由碱性降水向酸性降水变化，酸雨有增加的趋势。近年来，锡林郭勒草原上不断出现大大小小的煤矿，煤炭开发对当地环境在某种程度上带来不利的影响，空气质量下降，空气中漂浮大量煤尘颗粒物，可能是降水向酸性变化的原因。年平均 pH 值的变化为 7.02 7.72，其中年平均最大值出现在 2010 年，年平均最小值出现在2021 年，其次是 2012 年，2012 年酸雨采样日数为56 d，是 16 年中降水量最多的年份。y=-0.0159x+7.5694R2=0.15787.007.107.207.307.407.507.607.707.802006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021PH值年份pH值线性(pH值)图 1 20062021 年锡林浩特市降水样品 pH 值年变化pHy=-0.0159x+7.5694R2=0.1578内 蒙 古 气 象222022 年第 3 期3.1.2 K 值年变化 大气中的各种污染气体和颗粒物的可溶成分进入降水后，使其导电能力增加，降水 K 值的大小，在一定程度上反映出降水中这些物质的总含量水平，也是降水被环境物质污染的指标之一1。大气降水K 值则是反映大气降水的洁净程度，K值越大则表示大气降水导电能力越强，反之越弱。20062021 年观测的 709 个降水样品中 K 值日最大值为1454 Scm-1，出现在 2008 年 9 月 21 日，此降水样品中混入泥沙，沉淀物较多，故 K 值偏大；日最小值为 4.2 Scm-1，出现在 2010 年 9 月 16 日，此降水样品较干净。从图 2 可知：K 值年变化呈显著的下降趋势，下降速率为 8.898/（10 a），相关系数为 0.2358。年平均 K 值变化为 50.9 108.0 Scm-1，年平均 K 值最大值出现在 2008 年，最小值出现在 2016 年，其次是 20202021 年，近两年 K 值较小，说明锡林浩特市空气较洁净，在国家大力倡导保护生态环境的基础上，地方政府加大对环境污染的治理，草原的天更蓝，水更清。y=-0.8898x+89.424R2=0.055650.060.070.080.090.0100.0110.0120.02006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021电导率K值(s/cm)年份电导率K值线性(电导率K值)图 2 20062021 年锡林浩特市降水样品 K 值年变化3.2 自动和人工平行观测数据对比分析 锡林浩特国家气候观象台于 2021 年 2 月2022 年1 月开展平行对比观测。平行自动观测系统为浙江恒达仪器仪表股份有限公司研发的 TCY1 型酸雨自动观测系统。降水样品分析仪的技术性能分别为：pH 值测量准确度为 0.1,K 值测量参数范围在 5 2000 Scm-1（温度测量范围为 5 40）,K 值测量准确度 2%F.S,计时误差 0.1,测温精度为0.3。3.2.1 降水采样偏差及降水采样完整性 以地面气象观测质量为参考标准，日数据为测试评估分析单位。锡林浩特酸雨观测站在平行观测期间出现日降水量 1.0 mm 酸雨测量日数 53 次。酸雨自动观测系统记录的降水起止时刻与人工观测系统记录相比大部分保持一致，当地面 ISOS 软件中记录的降水天气现象相态变化时，酸雨日记录簿中降水相态变化后降水时段终止时间不记录，需要进行人工质量控制并发更正报。酸雨自动观测系统采用人工手动更换降水采样袋，降水量记录一致，未出现漏采、空采现象，无数据缺测记录,采样完整性较好。3.2.2 降水分析数据的准确性 由图 3 可知：pH 值相对偏差在 1%5%共计43 次，相对偏差在 1%10%共计 49 次；2021 年9 月 4 日相对偏差为 30.6%，8 月 25 日相对偏差为14.4%，导致这两次 pH 值相对偏差较大的主要原因是酸雨自动观测系统室内仪器降水样品分析仪 pH 电路板故障；其余两次 pH 值相差大分别出现在 7 月 3 日、1 月 21 日，相对偏差分别为 16.3%、10.9%，差值大与人工测量前 pH 计不稳定或校准液放置时间长有关。总体来看，人工观测和自动观测 pH 值相对偏差较小，酸雨自动观测系统测量的 pH 数据准确性较高。-15-10-5051015202530352021/2/132021/3/112021/4/302021/5/142021/6/32021/6/152021/6/252021/7/42021/7122021/7/252021/8/82021/8/232021/8/282021/9/42021/9/202021/10/132021/11/212022/1/21pH相对偏差/%日期pH相对偏差图 3 2021 年 2 月2022 年 1 月锡林浩特市降水样品 pH 值 相对偏差对比 由图 4 可知：K 值相对偏差在 0%5%共计13 次，在 0%10%共计 22 次，在 0%30%共计 37 次，在 0%50%共计 42 次，相对偏差 50%共计 8 次。最大偏差出现在 2021 年 7 月 6 日，为77.5%；从 K 值相对偏差 50%的 8 次数据出现的时间（4 月30 日、5 月27 日、6 月16 日、7 月6 日、8 月 24 日、8 月 25 日、8 月 28 日）来看，8 月末K 值相对偏差较大，是酸雨自动观测系统室内仪器降水样品分析仪 EC 电路板内置定标基线失真导致；其余时间差值大具体无法判明原因，初步判断为人工采样降水中有土壤沙粒等沉淀，造成人工 K 值偏大。总体来看人工观测和自动观测 K 值相对偏差较大，酸雨自动观测系统测量的 K 值准确性较低。-60-40-200204060801002021/2/132021/3/112021/4/302021/5/142021/6/32021/6/152021/6/252021/7/42021/7122021/7/252021/8/82021/8/232021/8/282021/9/42021/9/202021/10/132021/11/212022/1/21电导率相对偏差/%日期电导率相对偏差图 4 2021 年 2 月2022 年 1 月锡林浩特市降水样品 K 值 相对偏差对比K 值/（Scm-1）K 值（K 值）pH 值相对偏差pH 值相对偏差/%K 值相对偏差/%K 值相对偏差2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象23 图 5 为锡林浩特站在平行观测期间出现日降水量 1.0 mm 酸雨水样温度和降水量。整体来看，水样温度差值不大，部分日期差值略大，由于自动和人工观测的时间不一致所致。最大降水量出现在 2021 年 7 月 25 日，为 65.8 mm。15.017.019.021.023.025.027.029.031.00.010.020.030.040.050.060.070.02021/2/132021/4/12021/5/92021/6/32021/6/162021/7/32021/7122021/7/262021/8/182021/8/282021/9/142021/10/122021/11/212022/1/30温度/降水量/mm日期降水量自动样品温度人工样品温度图 5 2021 年 2 月2022 年 1 月锡林浩特市降水样品 温度和降水量变化3.2.3 降水数据的一致性 对人工观测和自动观测的酸雨数据进行一致性分析评估，并绘制 pH 值绝对偏差和绝对 K 值偏差对比图。由图 6 可知：pH 值绝对偏差在 0.02 0.7，pH值绝对偏差 0.7 有 3 d。其中有 5 d 人工观测值小于自动观测值，其余均大于自动观测值。最大绝对偏差出现在 2021 年 9 月 4 日，差值为 2.74，原因同相对偏差。总体来看，人工观测和自动观测 pH 值绝对偏差较小，说明酸雨自动观测系统测量的 pH 值数据和酸雨器测量的 pH 值有较高一致性。-1-0.500.511.522.532021/2/132021/3/112021/4/302021/5/142021/6/32021/6/152021/6/252021/7/42021/7122021/7/252021/8/82021/8/232021/8/282021/9/42021/9/202021/10/132021/11/212022/1/21pH绝对偏差日期pH绝对偏差图 6 2021 年 2 月2022 年 1 月锡林浩特市降水 样品 pH 值绝对偏差对比 由图 7 可知：K 值绝对偏差在 0 30，K 值绝对偏差 30 有 4 d，其中有 10 d 人工观测值小于自动观测值，其余均大于自动观测值。最大绝对偏差出现在 2021 年 4 月 30 日，差值为 62.3，原因同相对偏差。总体来看人工观测和自动观测 K 值绝对偏差差值较大，说明酸雨自动观测系统测量的 K 值和酸雨器测量的 K 值一致性较低。-30-20-100102030405060702021/2/132021/3/112021/4/302021/5/142021/6/32021/6/152021/6/252021/7/42021/7122021/7/252021/8/82021/8/232021/8/282021/9/42021/9/202021/10/132021/11/212022/1/21电导率绝对偏差日期电导率绝对偏差图 7 2021 年 2 月2022 年 1 月锡林浩特市降水样品 电导率绝对偏差对比4 讨论 为了实现气象观测全面自动化，对标监测精密的要求，气象部门研发了多种自动观测设备，观测质量日益提高，随着科学技术的进步和发展，自动化的观测仪器设备已成为替代人工观测的必然趋势，也是我国气象观测迈入现代化的根本标志。孟磊等11对北京市观象台 TCYI1 型酸雨自动观测系统采样及测量性能进行了分析，认为 TCYI1 型酸雨自动观测系统降水样品分析仪测量 pH 值和 K 值准确性均较高，本文分析结果为 pH 值准确性较高，K 值数据相对准确性较低，稍有不同。文章在准确性分析方法上是一致的，具体原因可能是锡林浩特地区沙尘天气较多，人工观测降水样品中有泥沙等沉淀物，自动观测样品较洁净，导致两者数据偏差较大，相对准确性较低。自动观测仪器的更新换代在不断试验的过程中发现问题，从而才能解决问题，使设备性能更加稳定。5 结论 （1）文章通过对锡林浩特市近 16 年降水样品进行分析，pH 值日变化为 5.39 9.14，酸雨只出现过1 次，出现在 2012 年。锡林浩特市大气降水以碱性降水为主，中性降水次之，酸性降水占比很少。pH值年变化呈弱下降趋势，下降率为 0.159/（10 a），该地大气降水由碱性降水向酸性降水变化，酸雨有增加的趋势。（2）锡林浩特市近 16 年降水样品 K 值日变化为4.2 1454.0 Scm-1，K 值年变化呈显著的下降趋势，下降速率为 8.898/（10 a），年平均 K 值变化为50.9 108.0 Scm-1。近些年 K 值在逐渐减小，说明锡林浩特市空气较洁净。（3）自动观测和人工观测降水采样完整性记录较高。无空采、漏采现象出现。（4）人工观测和自动观测 pH 值相对偏差较小，K 值相对偏差较大，酸雨自动观测系统降水分析数据的 pH 值准确性较高，K 值数据相对准确性稍低。（5）酸雨自动观测系统测量的数据和酸雨器测pH 值绝对偏差pH 值绝对偏差K 值绝对偏差pH 值绝对偏差内 蒙 古 气 象242022 年第 3 期量的数据 pH 值有较高一致性，K 值一致性较低。参考文献1 中国气象局.酸雨观测业务规范 M.北京：气象出版社,20052 中国气象局.酸雨自动观测业务规范（试行）M.北京：气象出 版社,2020 3 张新民,柴发合,王淑兰,等.中国酸雨研究现状 J.环境科学 研究，2010,23(5)：527-532.4 蔡明程.浅析中国的酸雨分布现状及其成因 J.农业与生态环 境,2018,16(15)：127-128.5 王德春,赵殿五.中国酸雨概述 J.世界环境,1988(2)：8-106 邓伟,刘荣花,熊杰伟,等.当前国内酸雨研究进展 J.气象与 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deviation,precipitation sampling integrity,accuracy and consistency of precipitation data of the acid rain automatic observation system.The results show that the annual variation of pH value in Xilinhot City in recent 16 years shows a weak downward trend,with a decline rate of 0.159/(10 a).Acid rain has occurred once,with a frequency of only 0.14%.The atmospheric precipitation is mainly alkaline precipitation,followed by neutral precipitation,with little acidity.The annual change of conductivity K shows a significant downward trend,with a decline rate of 8.898/(10 a),and the annual average conductivity K varies from 50.9 to 108.0 S cm-1,the conductivity K value is gradually decreasing in recent years.The integrity of precipitation sampling records of automatic observation and manual observation is high,the relative deviation of pH value and conductivity of manual and automatic parallel observation is small.The accuracy of pH value and conductivity of precipitation analysis data of acid rain automatic observation system is high,but the relative accuracy of conductivity is slightly low.The consistency of pH value is high and the consistency of conductivity is low.Keywords Xilinhot;Acid rain;Change characteristics;Parallel observation;Data evaluation