李 翔，夏 波，汪太明

(1.成都市環(huán)境監(jiān)測中心站，成都 610000；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

引 言

近年來，我國在經(jīng)濟持續(xù)增長、能源消費量持續(xù)增加的情況下，環(huán)境空氣質量總體改善，多項污染物濃度實現(xiàn)大幅下降。雖然“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”取得階段性進展，但是全國大氣污染形勢依然嚴峻，多數(shù)城市尚未達到環(huán)境空氣質量一級標準要求，與世界衛(wèi)生組織空氣質量限值和發(fā)達國家空氣質量標準還有較大差距。我國生態(tài)環(huán)境保護工作已經(jīng)進入關鍵期，環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境保護工作的“頂梁柱”，環(huán)境空氣質量管理已經(jīng)由傳統(tǒng)模式進入到精細化監(jiān)測管控階段，空氣子站氣象儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)在精細化監(jiān)測管控中發(fā)揮著重要作用[1-2]。

1 比對目的

根據(jù)《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》，環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)是由監(jiān)測子站、中心計算機室、質量保證實驗室和系統(tǒng)支持實驗室等四部分組成，而監(jiān)測子站主要是由采樣裝置、監(jiān)測儀器、校準設備、氣象儀器、數(shù)采設備以及站房環(huán)境條件保證設施等組成，監(jiān)測子站的主要任務是對環(huán)境空氣質量和氣象狀況進行連續(xù)自動監(jiān)測，氣象監(jiān)測內(nèi)容包括溫度、濕度、氣壓、風速和風向等五項[3]。

為規(guī)范環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行和質控，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和 PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質控技術規(guī)范》和《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質控技術規(guī)范》，對環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護和管理，以及監(jiān)測過程中的質量保證和質量控制等技術要求作出了明確規(guī)定，但規(guī)范中對監(jiān)測子站氣象儀器的運行和質控等措施未有提及[4-5]。

按照《自動氣象站觀測規(guī)范》規(guī)定，自動氣象站是一種能自動進行地面氣象要素觀測、處理、儲存和傳輸?shù)膬x器，主要由傳感器、采集器、通訊接口、供電單元等組成，氣象儀器應該檢定或校準合格[6]。在《中國氣象局部門計量檢定規(guī)程》中，對自動氣象站各要素傳感器的計量檢定做出了明確規(guī)定，檢定周期一般為2年，當發(fā)現(xiàn)測量值出現(xiàn)異常時須提前送檢；中國氣象局也出臺了《自動氣象站現(xiàn)場校準方法》，并為地方氣象部門配備了相應的校準設備和計量器具，使氣象儀器的現(xiàn)場校準作為集中檢定的重要補充[7-8]。

我國環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測網(wǎng)國控城市站由社會化機構進行運維管理，子站氣象儀器屬于管理范圍。據(jù)調查，在國家城市站中運行著20多種品牌的氣象儀器，其中VAISALA(芬蘭)、LUFFT(德國)、DAVIS(美國)三大品牌的占比接近八成。監(jiān)測子站氣象儀器為整體型結構，把安裝好的氣象儀器拆卸下來再集中送到計量部門進行檢定，任務重、周期長、成本高；如果對監(jiān)測子站氣象儀器進行現(xiàn)場校準，現(xiàn)有運維公司也不具備氣象部門的校準資質和技術能力。因此，現(xiàn)階段我國環(huán)境空氣監(jiān)測子站氣象儀器性能狀況管理基本處于空白狀態(tài)，已經(jīng)不能滿足環(huán)境空氣質量精細化監(jiān)測管控工作的需要。文章結合國控城市站的現(xiàn)有條件，借鑒氣象部門雙套自動氣象站數(shù)據(jù)評估經(jīng)驗[9～11]，探索在集中送檢和現(xiàn)場校準之外，研究采用現(xiàn)場比對方式進行空氣子站氣象儀器性能狀況評估的可能性。

本次比對研究是作者在中國環(huán)境監(jiān)測總站大氣室學習鍛煉期間所開展進行，文中所涉及的站點場地、儀器設備、監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料信息均來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站大氣室。

2 試驗過程

2.1 方法原理

比對氣象儀器與子站氣象儀器在監(jiān)測子站開展同時段監(jiān)測，利用統(tǒng)計方法對兩套監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關性和差異性分析，最終評估數(shù)據(jù)質量和儀器性能。

2.2 儀器設備

比對氣象儀器比對測試前，應全部集中送至同一氣象儀器檢測檢驗部門進行檢定，確保測量數(shù)據(jù)具有良好的平行性。比對儀器應便于移動和安裝，可以進行連續(xù)自動監(jiān)測并儲存小時數(shù)據(jù)。

子站氣象儀器比對測試前，應進行外觀檢查和相應維護，確保儀器正常運行，測量數(shù)據(jù)順利傳輸。

2.3 現(xiàn)場比對

2.3.1 站點選擇

我國面積廣闊，氣候差異巨大，監(jiān)測子站氣象儀器品牌眾多。比對試驗選取了廣州、大連、武漢、西安等10個城市的國控城市站，地理位置分布均勻，地形特點各有不同，儀器品牌均有囊括，站點選擇總體具有代表性。

比對試驗站點、儀器信息見表1。

表1 比對試驗站點、儀器信息一覽表Tab.1 Information list of comparison test stations and instruments

續(xù)表1

2.3.2 儀器布設

比對氣象儀器在監(jiān)測子站現(xiàn)場架設于站房頂部，其距離站房地面高度不低于2m，周邊避開了采樣管等障礙物。比對氣象儀器與子站氣象儀器水平方向距離保持在3～5m，垂直方向保持在同一水平面，垂直距離均未超過1m。

2.3.3 測量時間

2018年1月在廣州市監(jiān)測站等10個國控城市站進行氣象儀器現(xiàn)場比對試驗，測量項目為溫度、濕度、氣壓、風速和風向，測量周期為連續(xù)24h。

3 分析評判

3.1 評估方法

3.1.1 相關性評估

比對氣象儀器和子站氣象儀器在同一監(jiān)測子站環(huán)境下進行氣象監(jiān)測，其各項目監(jiān)測數(shù)據(jù)理論上應是線性相關的。線性相關系數(shù)一般用字母r來表示，并且相關系數(shù)r的絕對值越大，數(shù)據(jù)相關性越強。

相關系數(shù)r絕對值與相關程度關系如表2所示。

表2 相關系數(shù)|r|的取值與相關程度Tab.2 Value and degree of correlation coefficient|r|

3.1.2 差異性評估

3.1.2.1 一致率

一致率是表示兩套儀器測量數(shù)據(jù)一致性程度的指標，文章規(guī)定當兩套儀器測量數(shù)據(jù)比對差值絕對值小于等于該項目標準偏差2倍時，即認為一致。一致率為一致樣本個數(shù)與有效樣本個數(shù)的比值，計算公式見式(1)。

(1)

式中：a為某項目一致樣本個數(shù)，n為某項目有效樣本個數(shù)。

3.1.2.2 超差率

在《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》和《自動氣象站觀測規(guī)范》中均有規(guī)定氣象儀器最大允許誤差(或測量精度)，各氣象儀器本身也有性能誤差，主要氣象儀器及相關技術規(guī)范最大允許誤差詳見表3。文章首先按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》中關于氣象設備技術性能指標的最大允許誤差(或測量精度)進行整體分析，若整體分析中部分測量項目最大允許誤差(或測量精度)偏嚴而不能滿足比對要求，則參照其他類似技術規(guī)范中相關要求進行適當擴大調整后再進行評判。

文章規(guī)定當兩套儀器測量數(shù)據(jù)比對差值超過2倍最大允許誤差時，即認為超差。超差率為超差樣本個數(shù)與有效樣本個數(shù)的比值，計算公式見式(2)。

(2)

式中：b為某項目超差樣本個數(shù)，m為某項目有效樣本個數(shù)。

表3 主要氣象儀器及相關技術規(guī)范最大允許誤差范圍Tab.3 Maximum allowable error range of main meteorological instruments and relevant technical specifications

3.2 整體分析

為掌握比對試驗整體情況，將全部比對站點監(jiān)測數(shù)據(jù)按項目分類進行匯總，其中溫度、濕度、氣壓、風速等項目匯總后具有240個有效樣本個數(shù)，風向匯總后共有216個有效樣本個數(shù)(滁州站點缺測)，對整體樣本進行相關性和差異性分析。

3.2.1 整體相關性

相關系數(shù)r是判斷數(shù)據(jù)相關性的重要指標，利用公式計算可以得到，溫度整體相關系數(shù)r=0.9940，濕度整體相關系數(shù)r=0.9247，氣壓整體相關系數(shù)r=0.9952，風速整體相關系數(shù)r=0.8854，風向整體相關系數(shù)r=0.7282。通過查對相關系數(shù)顯著性檢驗表，所有項目相關系數(shù)r在0.01水平顯著。

溫度、濕度、氣壓、風速、風向的整體數(shù)據(jù)線性回歸見圖1～圖5。

圖1 溫度整體數(shù)據(jù)線性回歸Fig.1 Linear regression of overall temperature data

圖2 濕度整體數(shù)據(jù)線性回歸Fig.2 Linear regression of overall humidity data

圖3 氣壓整體數(shù)據(jù)線性回歸Fig.3 Linear regression of overall air pressure data

圖4 風速整體數(shù)據(jù)線性回歸Fig.4 Linear regression of overall wind speed data

線性回歸分析結果表明，各項目(風向除外)整體比對數(shù)據(jù)相關性較強。其中，溫度和氣壓比對數(shù)據(jù)極高相關，濕度和風速比對數(shù)據(jù)高度相關，風向比對數(shù)據(jù)中度相關。各項目整體比對數(shù)據(jù)相關程度依次為氣壓>溫度>濕度>風速>風向，風向整體比對數(shù)據(jù)相關程度與其余4個項目差距較大。

圖5 風向整體數(shù)據(jù)線性回歸Fig.5 Linear regression of overall wind direction data

3.2.2 整體差異性

項目整體差異性主要從比對數(shù)據(jù)差值均值、標準偏差、一致率和超差率進行分析。文中按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》的氣象指標最大允許誤差(或測量精度)進行計算。

各項目整體差異性指標計算結果如表4所示。

表4 各項目整體數(shù)據(jù)分析表Tab.4 Overall data analysis of each project

通過表4 可以看出，各項目整體數(shù)據(jù)的差值均值較小，未超過環(huán)境規(guī)范中的最大允許誤差；整體數(shù)據(jù)差值的標準偏差中，溫度、濕度、氣壓、風速的計算結果較小，表明這4個項目差值的離散度和差異性較小，而風向的計算結果較大，表明風向差值的離散度和差異性較大；在一致率中，雖然風向一致率為93.1%，但是因其差值的標準偏差較大而無參考價值，其余項目一致率均在90%以上，表明一致性較好；在超差率中，濕度、風速超差率較低(0～7.5%)，溫度、氣壓超差率較高(30%～32.9%)，風向超差率很高(69.9%)。

3.2.3 整體分析結果

文章按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》中氣象設備技術性能指標的最大允許誤差(或測量精度)進行整體數(shù)據(jù)分析。在整體數(shù)據(jù)相關性中，溫度、濕度、氣壓、風速整體相關性較高，風向整體相關性一般；在整體數(shù)據(jù)差異性中，風向整體差異性最大，溫度、氣壓整體差異性一般，濕度、風速整體差異性較小。結果表明，風向整體的相關性和差異性均不滿足比對要求，溫度、氣壓整體的差異性不滿足比對要求。

為使比對試驗更具合理性，文章參照《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和 PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質控技術規(guī)范》中對自動監(jiān)測設備溫度、氣壓誤差的相關規(guī)定，將氣象儀器溫度和氣壓的最大允許誤差分別擴大調整為±2℃和±10hPa，另經(jīng)驗性地將風向的最大允許誤差擴大調整為±45°，濕度、風速仍然按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》中最大允許誤差要求。調整后再次進行超差率計算，最終溫度、氣壓超差率下降至0，風向超差率下降后仍達16.2%。

調整前、后各測量項目最大允許誤差范圍見表5。

綜上，對各測量項目最大允許誤差范圍進行適當調整后，溫度、濕度、氣壓、風速整體相關性較高，差異性較小，適宜進一步開展單點比對性能測試；風向整體相關性不高，差異性較大，測量可能受到多種因素影響，開展單點比對性能測試可能誤差較大[12～14]。

3.3 單站分析

在單站樣本個數(shù)較少時，若按比對差值小于等于該項目標準偏差2倍進行計算，會出現(xiàn)一致率誤判的情況。因此，文章規(guī)定單站比對時不再考慮一致率，主要從相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)3個方面，按照調整后的最大允許誤差范圍進行分析。當單項目同時滿足相關系數(shù)達到高度相關，均值差值小于最大允許誤差，并且超差個數(shù)為零時，則認為該項目比對合格；否則該項目存疑，需要再進行存疑分析判斷是否基本合格；當除風向外的四個項目均比對合格(或基本合格)時，則認為該子站氣象儀器性能合格(或基本合格)。

全部站點單站比對測試結果見表6。

表6 各項目單站數(shù)據(jù)分析表Tab.6 Single station data analysis of each project

通過表6可知，在全部比對試驗站點中，風向合格站點數(shù)量最低(僅2個)，與整體分析預測結果一致，故不必再對其進行分析。

3.3.1 單站合格分析

廣州市監(jiān)測站站點：溫度相關系數(shù)r為0.9953，極高相關，差值均值為-0.2℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.997 0，極高相關，差值均值為-2.1%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.999 4，極高相關，差值均值為0.5hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.925 5，高度相關，差值均值為0m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)滿足相關要求，判斷氣象儀器性能合格。

沈陽小河沿站點：溫度相關系數(shù)r為0.997 4，極高相關，差值均值為1.1℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.984 1，極高相關，差值均值為2.8%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.997 2，極高相關，差值均值為3.3hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.111 5，極低相關，差值均值為0m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目風速存疑，需要進行進一步分析。

深圳洪湖站點：溫度相關系數(shù)r為0.924 5，高度相關，差值均值為0.5℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.946 7，高度相關，差值均值為-3.2%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.920 2，高度相關，差值均值為0.1hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.813 6，高度相關，差值均值為0，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)滿足相關要求，判斷氣象儀器性能合格。

大連青泥洼橋站點：溫度相關系數(shù)r為0.138 9，極低相關，差值均值為1.6℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.932 1，高度相關，差值均值為-11.7%，大于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.947 7，高度相關，差值均值為1.7hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.818 3，高度相關，差值均值為0m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目溫度、濕度存疑，需要進行進一步分析。

西安曲江集團站點：溫度相關系數(shù)r為0.992 3，極高相關，差值均值為1.2℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.988 9，極高相關，差值均值為8.9%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.988 9，高度相關，差值均值為2.6hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.777 3，中度相關，差值均值為0.2m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目風速存疑，需要進行進一步分析。

長沙火車新站站點：溫度相關系數(shù)r為0.972 6，極高相關，差值均值為0.6℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.982 7，極高相關，差值均值為-13.1%，大于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.969 3，極高相關，差值均值為0.4hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.9721，極高相關，差值均值為0.1m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目濕度存疑，需要進行進一步分析。

武漢漢陽月湖站點：溫度相關系數(shù)r為0.972 6，極高相關，差值均值為-0.1℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.982 7，極高相關，差值均值為-0.6%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.969 3，極高相關，差值均值為0.1hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.972 1，極高相關，差值均值為-0.5m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)滿足相關要求，判斷氣象儀器性能合格。

日照市政府廣場站點：溫度相關系數(shù)r為0.951 3，極高相關，差值均值為-0.2℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.989 2，極高相關，差值均值為-0.3%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.999 6，極高相關，差值均值為-0.1hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.949 6，高度相關，差值均值為-0.1m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)滿足相關要求，判斷氣象儀器性能合格。

赤峰天義路站點：溫度相關系數(shù)r為0.996 1，極高相關，差值均值為0.6℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.994 9，極高相關，差值均值為5.1%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.998 2，極高相關，差值均值為-5.5hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.926 8，高度相關，差值均值為-2.8m/s，大于±1m/s，超差個數(shù)為17。該站點比對項目風速存疑，需要進行進一步分析。

滁州人大賓館站點：溫度相關系數(shù)r為0.951 2，極高相關，差值均值為-0.2℃，小于±2℃，超差個數(shù)為0；濕度相關系數(shù)0.982 0，極高相關，差值均值為-5.1%，小于±10%，超差個數(shù)為0；氣壓相關系數(shù)r為0.936 9，高度相關，差值均值為-0.7hPa，小于±10hPa，超差個數(shù)為0；風速相關系數(shù)r為0.845 8，高度相關，差值均值為-0.2m/s，小于±1m/s，超差個數(shù)為0。該站點比對項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)滿足相關要求，判斷氣象儀器性能合格。

3.3.2 單站存疑分析

大連青泥洼橋站點溫度和濕度存疑分析：溫度相關系數(shù)r為0.138 9，極低相關，溫度趨勢圖明顯異常，故綜合判斷其溫度傳感器存在問題；濕度相關系數(shù)r為0.932 1，極高相關，均值差值為-11.7，超過最大允許誤差，且比對數(shù)據(jù)濕度均值未超過80%，不屬于高濕條件下，故綜合判斷其濕度傳感器存在問題。

長沙火車新站站點的濕度存疑分析：濕度相關系數(shù)r為0.982 7，極高相關，均值差值為-13.7，超過最大允許誤差，但比對數(shù)據(jù)濕度均值都超過80%，可能屬于高濕條件下的誤差增大，故綜合判斷其濕度傳感器基本合格。

沈陽小河沿站點風速存疑分析：風速相關系數(shù)r為0.111 5，極低相關，風速趨勢圖明顯異常，故綜合判斷其風速傳感器存在問題。

西安曲江文化集團站點風速存疑分析：風速相關系數(shù)r為0.777 3，中度相關，風速趨勢圖比較一致(見圖6)，故綜合判斷其風速傳感器基本合格。

圖6 西安曲江文化集團站點風速比對趨勢圖Fig.6 Comparison trend of wind speed at Xi'an Qujiang culture group station

赤峰天義路站點風速存疑分析：風速相關系數(shù)r為0.926 8，極高相關，但比對數(shù)據(jù)超差個數(shù)高達17個，故綜合判斷其風速傳感器存在問題。

3.3.3 單站分析結果

在全部的10個比對試驗站點中，單站分析時排除風向項目，文章判斷有5個站點測量項目的相關系數(shù)、差值均值、超差個數(shù)等指標滿足相關要求，氣象儀器性能合格；有2個站點氣象儀器性能經(jīng)過存疑分析后，判斷為基本合格；大連青泥洼橋站點溫度、濕度傳感器存在問題，沈陽小河沿站點和赤峰天義路站點風速傳感器存在問題。

4 結 論

在國控城市站空氣子站氣象參數(shù)比對研究中，溫度、氣壓試驗數(shù)據(jù)極度相關，試驗結果最好，不受環(huán)境條件影響；濕度、風速試驗數(shù)據(jù)高度相關，試驗結果較好，但高濕度或低風速環(huán)境條件會對試驗造成影響；風向試驗數(shù)據(jù)中度相關，試驗結果較差，該項目測試受到湍流結構、測量原理、統(tǒng)計方法等多種因素影響。

文章比對研究結果表明，在氣象部門集中送檢和現(xiàn)場校準方式之外，環(huán)保部門采用現(xiàn)場比對方式，對空氣子站氣象儀器性能狀況進行評估總體可行。通過采用現(xiàn)場比對方式，不僅可以有效評估氣象儀器性能狀況，而且能夠填補監(jiān)測子站氣象儀器運維管理空白，為環(huán)境空氣質量精細化監(jiān)測管控提供技術支撐。