环境空气监测子站气象仪器性能状况比对研究

2021-04-29汪太明

四川环境 2021年2期

李翔，夏波，汪太明

(1.成都市环境监测中心站，成都 610000；2.中国环境监测总站，北京 100012)

引言

近年来，我国在经济持续增长、能源消费量持续增加的情况下，环境空气质量总体改善，多项污染物浓度实现大幅下降。虽然“蓝天保卫战”取得阶段性进展，但是全国大气污染形势依然严峻，多数城市尚未达到环境空气质量一级标准要求，与世界卫生组织空气质量限值和发达国家空气质量标准还有较大差距。我国生态环境保护工作已经进入关键期，环境监测作为环境保护工作的“顶梁柱”，环境空气质量管理已经由传统模式进入到精细化监测管控阶段，空气子站气象仪器监测数据在精细化监测管控中发挥着重要作用[1-2]。

1 比对目的

根据《环境空气质量自动监测技术规范》，环境空气质量自动监测系统是由监测子站、中心计算机室、质量保证实验室和系统支持实验室等四部分组成，而监测子站主要是由采样装置、监测仪器、校准设备、气象仪器、数采设备以及站房环境条件保证设施等组成，监测子站的主要任务是对环境空气质量和气象状况进行连续自动监测，气象监测内容包括温度、湿度、气压、风速和风向等五项[3]。

为规范环境空气质量自动监测系统的运行和质控，生态环境部发布了《环境空气颗粒物(PM10和 PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》和《环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统运行和质控技术规范》，对环境空气质量自动监测系统的运行维护和管理，以及监测过程中的质量保证和质量控制等技术要求作出了明确规定，但规范中对监测子站气象仪器的运行和质控等措施未有提及[4-5]。

按照《自动气象站观测规范》规定，自动气象站是一种能自动进行地面气象要素观测、处理、储存和传输的仪器，主要由传感器、采集器、通讯接口、供电单元等组成，气象仪器应该检定或校准合格[6]。在《中国气象局部门计量检定规程》中，对自动气象站各要素传感器的计量检定做出了明确规定，检定周期一般为2年，当发现测量值出现异常时须提前送检；中国气象局也出台了《自动气象站现场校准方法》，并为地方气象部门配备了相应的校准设备和计量器具，使气象仪器的现场校准作为集中检定的重要补充[7-8]。

我国环境空气质量自动监测网国控城市站由社会化机构进行运维管理，子站气象仪器属于管理范围。据调查，在国家城市站中运行着20多种品牌的气象仪器，其中VAISALA(芬兰)、LUFFT(德国)、DAVIS(美国)三大品牌的占比接近八成。监测子站气象仪器为整体型结构，把安装好的气象仪器拆卸下来再集中送到计量部门进行检定，任务重、周期长、成本高；如果对监测子站气象仪器进行现场校准，现有运维公司也不具备气象部门的校准资质和技术能力。因此，现阶段我国环境空气监测子站气象仪器性能状况管理基本处于空白状态，已经不能满足环境空气质量精细化监测管控工作的需要。文章结合国控城市站的现有条件，借鉴气象部门双套自动气象站数据评估经验[9～11]，探索在集中送检和现场校准之外，研究采用现场比对方式进行空气子站气象仪器性能状况评估的可能性。

本次比对研究是作者在中国环境监测总站大气室学习锻炼期间所开展进行，文中所涉及的站点场地、仪器设备、监测数据等资料信息均来自于中国环境监测总站大气室。

2 试验过程

2.1 方法原理

比对气象仪器与子站气象仪器在监测子站开展同时段监测，利用统计方法对两套监测数据进行相关性和差异性分析，最终评估数据质量和仪器性能。

2.2 仪器设备

比对气象仪器比对测试前，应全部集中送至同一气象仪器检测检验部门进行检定，确保测量数据具有良好的平行性。比对仪器应便于移动和安装，可以进行连续自动监测并储存小时数据。

子站气象仪器比对测试前，应进行外观检查和相应维护，确保仪器正常运行，测量数据顺利传输。

2.3 现场比对

2.3.1 站点选择

我国面积广阔，气候差异巨大，监测子站气象仪器品牌众多。比对试验选取了广州、大连、武汉、西安等10个城市的国控城市站，地理位置分布均匀，地形特点各有不同，仪器品牌均有囊括，站点选择总体具有代表性。

比对试验站点、仪器信息见表1。

表1 比对试验站点、仪器信息一览表Tab.1 Information list of comparison test stations and instruments

续表1

2.3.2 仪器布设

比对气象仪器在监测子站现场架设于站房顶部，其距离站房地面高度不低于2m，周边避开了采样管等障碍物。比对气象仪器与子站气象仪器水平方向距离保持在3～5m，垂直方向保持在同一水平面，垂直距离均未超过1m。

2.3.3 测量时间

2018年1月在广州市监测站等10个国控城市站进行气象仪器现场比对试验，测量项目为温度、湿度、气压、风速和风向，测量周期为连续24h。

3 分析评判

3.1 评估方法

3.1.1 相关性评估

比对气象仪器和子站气象仪器在同一监测子站环境下进行气象监测，其各项目监测数据理论上应是线性相关的。线性相关系数一般用字母r来表示，并且相关系数r的绝对值越大，数据相关性越强。

相关系数r绝对值与相关程度关系如表2所示。

表2 相关系数|r|的取值与相关程度Tab.2 Value and degree of correlation coefficient|r|

3.1.2 差异性评估

3.1.2.1 一致率

一致率是表示两套仪器测量数据一致性程度的指标，文章规定当两套仪器测量数据比对差值绝对值小于等于该项目标准偏差2倍时，即认为一致。一致率为一致样本个数与有效样本个数的比值，计算公式见式(1)。

(1)

式中：a为某项目一致样本个数，n为某项目有效样本个数。

3.1.2.2 超差率

在《环境空气质量自动监测技术规范》和《自动气象站观测规范》中均有规定气象仪器最大允许误差(或测量精度)，各气象仪器本身也有性能误差，主要气象仪器及相关技术规范最大允许误差详见表3。文章首先按照《环境空气质量自动监测技术规范》中关于气象设备技术性能指标的最大允许误差(或测量精度)进行整体分析，若整体分析中部分测量项目最大允许误差(或测量精度)偏严而不能满足比对要求，则参照其他类似技术规范中相关要求进行适当扩大调整后再进行评判。

文章规定当两套仪器测量数据比对差值超过2倍最大允许误差时，即认为超差。超差率为超差样本个数与有效样本个数的比值，计算公式见式(2)。

(2)

式中：b为某项目超差样本个数，m为某项目有效样本个数。

表3 主要气象仪器及相关技术规范最大允许误差范围Tab.3 Maximum allowable error range of main meteorological instruments and relevant technical specifications

3.2 整体分析

为掌握比对试验整体情况，将全部比对站点监测数据按项目分类进行汇总，其中温度、湿度、气压、风速等项目汇总后具有240个有效样本个数，风向汇总后共有216个有效样本个数(滁州站点缺测)，对整体样本进行相关性和差异性分析。

3.2.1 整体相关性

相关系数r是判断数据相关性的重要指标，利用公式计算可以得到，温度整体相关系数r=0.9940，湿度整体相关系数r=0.9247，气压整体相关系数r=0.9952，风速整体相关系数r=0.8854，风向整体相关系数r=0.7282。通过查对相关系数显著性检验表，所有项目相关系数r在0.01水平显著。

温度、湿度、气压、风速、风向的整体数据线性回归见图1～图5。

图1 温度整体数据线性回归Fig.1 Linear regression of overall temperature data

图2 湿度整体数据线性回归Fig.2 Linear regression of overall humidity data

图3 气压整体数据线性回归Fig.3 Linear regression of overall air pressure data

图4 风速整体数据线性回归Fig.4 Linear regression of overall wind speed data

线性回归分析结果表明，各项目(风向除外)整体比对数据相关性较强。其中，温度和气压比对数据极高相关，湿度和风速比对数据高度相关，风向比对数据中度相关。各项目整体比对数据相关程度依次为气压>温度>湿度>风速>风向，风向整体比对数据相关程度与其余4个项目差距较大。

图5 风向整体数据线性回归Fig.5 Linear regression of overall wind direction data

3.2.2 整体差异性

项目整体差异性主要从比对数据差值均值、标准偏差、一致率和超差率进行分析。文中按照《环境空气质量自动监测技术规范》的气象指标最大允许误差(或测量精度)进行计算。

各项目整体差异性指标计算结果如表4所示。

表4 各项目整体数据分析表Tab.4 Overall data analysis of each project

通过表4 可以看出，各项目整体数据的差值均值较小，未超过环境规范中的最大允许误差；整体数据差值的标准偏差中，温度、湿度、气压、风速的计算结果较小，表明这4个项目差值的离散度和差异性较小，而风向的计算结果较大，表明风向差值的离散度和差异性较大；在一致率中，虽然风向一致率为93.1%，但是因其差值的标准偏差较大而无参考价值，其余项目一致率均在90%以上，表明一致性较好；在超差率中，湿度、风速超差率较低(0～7.5%)，温度、气压超差率较高(30%～32.9%)，风向超差率很高(69.9%)。

3.2.3 整体分析结果

文章按照《环境空气质量自动监测技术规范》中气象设备技术性能指标的最大允许误差(或测量精度)进行整体数据分析。在整体数据相关性中，温度、湿度、气压、风速整体相关性较高，风向整体相关性一般；在整体数据差异性中，风向整体差异性最大，温度、气压整体差异性一般，湿度、风速整体差异性较小。结果表明，风向整体的相关性和差异性均不满足比对要求，温度、气压整体的差异性不满足比对要求。

为使比对试验更具合理性，文章参照《环境空气颗粒物(PM10和 PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》中对自动监测设备温度、气压误差的相关规定，将气象仪器温度和气压的最大允许误差分别扩大调整为±2℃和±10hPa，另经验性地将风向的最大允许误差扩大调整为±45°，湿度、风速仍然按照《环境空气质量自动监测技术规范》中最大允许误差要求。调整后再次进行超差率计算，最终温度、气压超差率下降至0，风向超差率下降后仍达16.2%。

调整前、后各测量项目最大允许误差范围见表5。

综上，对各测量项目最大允许误差范围进行适当调整后，温度、湿度、气压、风速整体相关性较高，差异性较小，适宜进一步开展单点比对性能测试；风向整体相关性不高，差异性较大，测量可能受到多种因素影响，开展单点比对性能测试可能误差较大[12～14]。

3.3 单站分析

在单站样本个数较少时，若按比对差值小于等于该项目标准偏差2倍进行计算，会出现一致率误判的情况。因此，文章规定单站比对时不再考虑一致率，主要从相关系数、差值均值、超差个数3个方面，按照调整后的最大允许误差范围进行分析。当单项目同时满足相关系数达到高度相关，均值差值小于最大允许误差，并且超差个数为零时，则认为该项目比对合格；否则该项目存疑，需要再进行存疑分析判断是否基本合格；当除风向外的四个项目均比对合格(或基本合格)时，则认为该子站气象仪器性能合格(或基本合格)。

全部站点单站比对测试结果见表6。

表6 各项目单站数据分析表Tab.6 Single station data analysis of each project

通过表6可知，在全部比对试验站点中，风向合格站点数量最低(仅2个)，与整体分析预测结果一致，故不必再对其进行分析。

3.3.1 单站合格分析

广州市监测站站点：温度相关系数r为0.9953，极高相关，差值均值为-0.2℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.997 0，极高相关，差值均值为-2.1%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.999 4，极高相关，差值均值为0.5hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.925 5，高度相关，差值均值为0m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目的相关系数、差值均值、超差个数满足相关要求，判断气象仪器性能合格。

沈阳小河沿站点：温度相关系数r为0.997 4，极高相关，差值均值为1.1℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.984 1，极高相关，差值均值为2.8%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.997 2，极高相关，差值均值为3.3hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.111 5，极低相关，差值均值为0m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目风速存疑，需要进行进一步分析。

深圳洪湖站点：温度相关系数r为0.924 5，高度相关，差值均值为0.5℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.946 7，高度相关，差值均值为-3.2%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.920 2，高度相关，差值均值为0.1hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.813 6，高度相关，差值均值为0，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目的相关系数、差值均值、超差个数满足相关要求，判断气象仪器性能合格。

大连青泥洼桥站点：温度相关系数r为0.138 9，极低相关，差值均值为1.6℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.932 1，高度相关，差值均值为-11.7%，大于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.947 7，高度相关，差值均值为1.7hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.818 3，高度相关，差值均值为0m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目温度、湿度存疑，需要进行进一步分析。

西安曲江集团站点：温度相关系数r为0.992 3，极高相关，差值均值为1.2℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.988 9，极高相关，差值均值为8.9%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.988 9，高度相关，差值均值为2.6hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.777 3，中度相关，差值均值为0.2m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目风速存疑，需要进行进一步分析。

长沙火车新站站点：温度相关系数r为0.972 6，极高相关，差值均值为0.6℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.982 7，极高相关，差值均值为-13.1%，大于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.969 3，极高相关，差值均值为0.4hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.9721，极高相关，差值均值为0.1m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目湿度存疑，需要进行进一步分析。

武汉汉阳月湖站点：温度相关系数r为0.972 6，极高相关，差值均值为-0.1℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.982 7，极高相关，差值均值为-0.6%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.969 3，极高相关，差值均值为0.1hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.972 1，极高相关，差值均值为-0.5m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目的相关系数、差值均值、超差个数满足相关要求，判断气象仪器性能合格。

日照市政府广场站点：温度相关系数r为0.951 3，极高相关，差值均值为-0.2℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.989 2，极高相关，差值均值为-0.3%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.999 6，极高相关，差值均值为-0.1hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.949 6，高度相关，差值均值为-0.1m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目的相关系数、差值均值、超差个数满足相关要求，判断气象仪器性能合格。

赤峰天义路站点：温度相关系数r为0.996 1，极高相关，差值均值为0.6℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.994 9，极高相关，差值均值为5.1%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.998 2，极高相关，差值均值为-5.5hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.926 8，高度相关，差值均值为-2.8m/s，大于±1m/s，超差个数为17。该站点比对项目风速存疑，需要进行进一步分析。

滁州人大宾馆站点：温度相关系数r为0.951 2，极高相关，差值均值为-0.2℃，小于±2℃，超差个数为0；湿度相关系数0.982 0，极高相关，差值均值为-5.1%，小于±10%，超差个数为0；气压相关系数r为0.936 9，高度相关，差值均值为-0.7hPa，小于±10hPa，超差个数为0；风速相关系数r为0.845 8，高度相关，差值均值为-0.2m/s，小于±1m/s，超差个数为0。该站点比对项目的相关系数、差值均值、超差个数满足相关要求，判断气象仪器性能合格。

3.3.2 单站存疑分析

大连青泥洼桥站点温度和湿度存疑分析：温度相关系数r为0.138 9，极低相关，温度趋势图明显异常，故综合判断其温度传感器存在问题；湿度相关系数r为0.932 1，极高相关，均值差值为-11.7，超过最大允许误差，且比对数据湿度均值未超过80%，不属于高湿条件下，故综合判断其湿度传感器存在问题。

长沙火车新站站点的湿度存疑分析：湿度相关系数r为0.982 7，极高相关，均值差值为-13.7，超过最大允许误差，但比对数据湿度均值都超过80%，可能属于高湿条件下的误差增大，故综合判断其湿度传感器基本合格。

沈阳小河沿站点风速存疑分析：风速相关系数r为0.111 5，极低相关，风速趋势图明显异常，故综合判断其风速传感器存在问题。

西安曲江文化集团站点风速存疑分析：风速相关系数r为0.777 3，中度相关，风速趋势图比较一致(见图6)，故综合判断其风速传感器基本合格。