蚌埠市2006-2016年降水酸化特征分析

陳玉喬，蒙文昌，賀冉冉，朱蘭保

(1.蚌埠市氣象局，安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠學(xué)院 環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 蚌埠 233030)

蚌埠市2006-2016年降水酸化特征分析

陳玉喬1，蒙文昌1，賀冉冉2，朱蘭保2

(1.蚌埠市氣象局，安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠學(xué)院 環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 蚌埠 233030)

酸雨污染是中國當(dāng)前重要的環(huán)境問題之一。本文基于蚌埠市2006年至2016年的降水pH觀測數(shù)據(jù)及同期地面氣象觀測資料，分析了蚌埠降水的酸化特征。根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)的結(jié)果，從2006年以來，蚌埠市降水多年的pH值基本處于酸雨等級內(nèi)，但是沒有檢驗(yàn)出明顯的變化趨勢。降水的酸化程度有著明顯的季節(jié)變化特征，在夏季較輕，而在其他季節(jié)較為嚴(yán)重。根據(jù)局域加權(quán)回歸和相關(guān)分析的結(jié)果，降水pH值與日降水量呈現(xiàn)非線性的關(guān)聯(lián)。降水過程分析表明，降水的pH值在降水首日之后有回歸中間水平的傾向。

酸雨；降水pH；蚌埠市

關(guān)于蚌埠市酸雨污染特征，仍然有一些亟待解決的問題，例如雨水酸化程度在近十年有無顯著的變化趨勢，有無明顯的季節(jié)變化特征，雨水pH與氣象條件尤其是降水有何關(guān)聯(lián)等等。對這些問題的回答需要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析。本文通過對蚌埠市2006年到2016年共11年的酸雨觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析，探討蚌埠市酸雨的變化規(guī)律，以期為蚌埠市酸雨的防治工作提供參考。

1 資料與方法

1.1資料來源

本文采用中國氣象局蚌埠國家基本站2006年1月到2016年12月的降水日酸雨觀測數(shù)據(jù)。觀測的要素包括日降水量、pH值，電導(dǎo)率(K值)以及風(fēng)速風(fēng)向，等等[6]。剔除了無效樣本，共有767個酸雨觀測樣本。在2013年之前，觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度為32°55′ N、117°23′ E；從2013年1月開始，觀測站搬遷至離城區(qū)較遠(yuǎn)的新址，位置為32°51′ N、117°18′ E。

1.2酸雨分級方法

參照文獻(xiàn)[7]，按照降水的pH值，將降水的酸化程度分成三個等級：非酸雨(pH>5.6)、酸雨(4.54.5)。在對酸雨樣本進(jìn)行求平均時，首先將pH值換算為H+濃度，然后按照降水量加權(quán)求平均，進(jìn)而換算成平均pH值。

1.3趨勢分析

本文對蚌埠市降水pH值的年際變化序列進(jìn)行了趨勢檢驗(yàn)。趨勢分析使用的方法是常用的Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)是非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)方法，在水文、氣象和環(huán)境等領(lǐng)域的時間序列有著較多的應(yīng)用，已經(jīng)成為趨勢分析的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。其計(jì)算過程不再贅述，相關(guān)的計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)[8]。

1.4相關(guān)分析

相關(guān)分析可以描述兩個變量之間的關(guān)聯(lián)性。本文在分析降水量與降水pH值的相關(guān)性時，使用了兩種相關(guān)系數(shù)，即Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)。由于Pearson相關(guān)系數(shù)十分常用，其計(jì)算方法不再贅述。Kendall相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法簡述如下。對于樣本(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(Xn，Yn)，Kendall相關(guān)系數(shù)τ為[9]：

式中：

2 結(jié)果分析

2.1降水pH值的年際變化

以往研究大都是計(jì)算酸雨的年平均pH值(按照降水量加權(quán))?？紤]到計(jì)算pH平均值會丟失其統(tǒng)計(jì)分布信息，所以本文用箱線圖來對酸雨不同場次pH值的分布情況進(jìn)行可視化。箱線圖可以表示數(shù)據(jù)的分布情況，其繪圖方法是基于樣本的分位數(shù)，即Q1(下四分位數(shù))、Q2(中位數(shù))和Q3(上四分位數(shù))。圖1是蚌埠市降水pH值的年際變化的箱線圖。在圖1中，箱線圖的箱子的下邊線、中線和上邊線分別代表Q1、Q2和Q3。其中箱子的長度就是四分位數(shù)間距(inter-quartilerange，IQR)。箱子上下兩側(cè)的須延伸到距箱子邊緣距離小于1.5 IQR的最遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)的位置，而其他更遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)作為離群點(diǎn)畫出。此外，圖1也繪制了年平均pH值(折線)。本文其他箱線圖的作圖方法與圖1相同。

從圖1可以看出，近十一年來，蚌埠市降水的酸化情況值得重視。從中位數(shù)水平來看，有四年都處于酸雨等級中，其中2014年是酸雨程度最為嚴(yán)重的一年，上四分位數(shù)也處于酸雨等級之下，也就是說大于75%的降水日都是酸雨，此外還有5個強(qiáng)酸雨樣本。從年均pH值來看，絕大多數(shù)年份的pH值都處于酸雨范圍之中。

從年際變化來看，蚌埠市降水pH值沒有明顯的年際變化趨勢。我們做了Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)化的Z統(tǒng)計(jì)量為1.9，P值為0.062。也就是在0.05的顯著性水平上無法拒絕原假設(shè)(無趨勢)。但是也應(yīng)該看到，P值比較接近0.05，有微弱的證據(jù)支持pH值增加的趨勢的存在，所以還需要進(jìn)行后續(xù)觀察。

2.2降水pH值的逐月分布

為了得到降水pH值的逐月分布情況，這里給出了降水pH值的逐月分布圖(圖2)。從圖2可以看出，蚌埠市降水的pH值有著明顯的季節(jié)變化的特征。從5月份開始，pH值開始上升，而6、7月份的pH值達(dá)到了全年最大，8月份開始下降。整體來說，pH值呈現(xiàn)出夏季高，其他季節(jié)低的現(xiàn)象。也就是說春季、秋季和冬季酸化嚴(yán)重，而夏季酸化相對不嚴(yán)重。這些規(guī)律與文獻(xiàn)[2]的結(jié)論一致[2]。造成這種現(xiàn)象的原因可能是夏季的降水量較大，而冬季的降水量較小，而較大的降水量可以稀釋空氣中的污染物質(zhì)。

圖2 蚌埠市逐月的日降水pH值(箱線圖)和平均pH值(折線圖)(橫線對應(yīng)著pH值為4.5和5.6的水平)

2.3 pH值與降水量的關(guān)系

降水量的大小被認(rèn)為是影響酸雨程度的潛在因素。根據(jù)楊允凌等[7]的研究，降水的pH值隨著降水量的變化不明顯?？紤]到降水量與pH值之間可能不存在簡單的線性關(guān)系，圖3中給出了降水量與pH值的散點(diǎn)圖及其平滑曲線。平滑的方法是局部加權(quán)回歸方法，其中擬合每個數(shù)據(jù)點(diǎn)使用的樣本比例為60%。從圖3中的平滑曲線可以看出，在降水量為16.6 mm的位置，有著一個明顯的全局最小值。當(dāng)降水量小于16.6 mm時，pH隨著降水量的增大而減小；當(dāng)降水量大于16.6mm時，pH隨著降水量的增大而增大。也就是說，降水pH值與降水量的大小存在著非線性的關(guān)聯(lián)。

圖3 降水量與pH值的散點(diǎn)圖及其平滑曲線(豎線為平滑曲線最小點(diǎn)對應(yīng)的位置)

為了驗(yàn)證這個結(jié)果，我們對降水量小于和大于16.6 mm的子樣本分別進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，其結(jié)果見表1。表1給出了兩個降水量區(qū)間的Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)，以及對應(yīng)零相關(guān)假設(shè)檢驗(yàn)的P值。從表1可以看出，對于降水量在16.6 mm以下的情況，pH值與降水量有著負(fù)相關(guān)(其中Pearson相關(guān)系數(shù)在0.01水平上式顯著的)。而對于降水量在16.6 mm以上的情況，pH值與降水量有著正相關(guān)(但是不顯著)。所以，pH值與降水量的這種非線性關(guān)聯(lián)是需要注意的。需要注意的是，本文關(guān)于pH值與降水量的研究結(jié)果與以往的文獻(xiàn)有所不同。文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)了pH與降水量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是沒有發(fā)現(xiàn)圖3中體現(xiàn)的非線性效應(yīng)。其中的物理機(jī)制還需要深入地研究。

表1 不同降水量區(qū)間pH值與降水量的相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)

2.4降水過程pH變化規(guī)律

關(guān)于每場降水pH值隨著時間的變化規(guī)律，之前的研究也有所涉及。邵德民等[11]發(fā)現(xiàn)可以將降水pH值隨著時間的變化分為三類：即先下降后上升、一直下降、一直上升。筆者將降水持續(xù)兩天以上的樣本選出，繪出每次過程前三天的pH值變化過程。之所以選擇前三天，是因?yàn)槿煲陨系膱龃螛颖玖刻?，使得其?shù)據(jù)沒有代表性。將這些降水場次的樣本按照首日pH值劃分為8個區(qū)間，分別繪出。從圖4可以看出，首日降水的pH值會影響之后一到兩天的pH值變化。對于初日降水偏酸的情況，之后pH值有著更大的概率回歸到更高的pH值；而對于初日降水pH值偏高的情況，之后的pH值有著更高的概率降低。

根據(jù)圖4的提示，我們繪制了次日pH值相對于首日pH值的變化量與首日pH值之間的散點(diǎn)圖(圖略)，發(fā)現(xiàn)兩者之間有著很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這就驗(yàn)證了在一個降水場次中，過高或者過低的初始pH值在經(jīng)過一天的降水過程以后，pH值有回歸中等水平的傾向。

圖4 不同初始pH值的降水過程對應(yīng)的pH值變化過程(子標(biāo)題是首日降水pH值范圍，粗線是平均pH變化過程)

2.5降水pH值與風(fēng)向的關(guān)系

在研究風(fēng)向的影響時，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠髂巷L(fēng)時，降水pH值較高，而當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)時，降水pH值較低(圖略)。需要注意的是不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向不同，所以我們分別研究了不同月份對應(yīng)的pH值和風(fēng)向之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向與pH值之間沒有明確的關(guān)系。所以風(fēng)向與降水pH值之間的關(guān)系反映的仍然是季節(jié)變化特征。

3 結(jié)論

通過對蚌埠市2006-2016年降水pH值的統(tǒng)計(jì)分析，我們可以得出以下結(jié)論：

1) 整體上看，蚌埠市的降水處于中等酸化水平。年pH值中值水平有相當(dāng)比例處于酸雨區(qū)間中(pH<5.6)。從年際變化來看，沒有明顯的趨勢成分。

2) 從季節(jié)變化來看，夏季酸化程度較低，而其他三個季節(jié)兩季酸化較為嚴(yán)重。

3) 蚌埠市降水pH值與日降水量呈現(xiàn)出非線性的關(guān)聯(lián)。隨著降水量的增加，pH值先減小后增加。

4) 根據(jù)對降水場次的pH變化過程分析，發(fā)現(xiàn)降水pH值在降水首日之后有回歸中間水平的傾向。

[1] 丁國安,徐曉斌,王淑鳳,等.中國氣象局酸雨網(wǎng)基本資料數(shù)據(jù)集及初步分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2004, 15(s1):85-94.

[2] 石春娥,鄧學(xué)良,楊元建,等.1992-2013年安徽省酸雨變化特征及成因分析[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,51(3):508-516.

[3] 姚海軍,孟維娜.蚌埠市酸雨污染趨勢分析及對策[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,18(15):115-117.

[4] 劉翀.蚌埠市區(qū)酸雨污染特征分析及控制對策[J].環(huán)境與發(fā)展,2013(12):135-138.

[5] 余惠玲.蚌埠市市區(qū)酸雨污染狀況分析與防治對策初探[J].管理觀察,2010(11):253-254.

[6] 中國氣象局:酸雨觀測業(yè)務(wù)規(guī)范[M].北京:氣象出版社,2005.

[7] 楊允凌,王叢梅.2006-2010年南宮酸雨變化特征及影響因素[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2012,28(4):79-83.

[8] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M]. 北京:氣象出版社,1999:69-70.

[9] 孫山澤.非參數(shù)統(tǒng)計(jì)講義[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社,2002:198-199.

[10] 張紅安,湯潔,于曉嵐,等.侯馬市酸雨長期變化趨勢分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(5):1069-1078.

[11] 邵德民,沈愛華,張維,等.降雨過程中雨水pH值連續(xù)觀測資料分析[J].大氣科學(xué),1988,12(2):147-152.

(責(zé)任編輯：熊文濤)

StatisticalAnalysisofRainwaterAcidificationinBengbufrom2006to2016

Chen Yuqiao1, Meng Wenchang1, He Ranran2, Zhu Lanbao2

(1.BengbuBureauofMeteorology,Bengbu,Anhui233030,China; 2.ExperimentCenterofEnvironmentalScience,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030,China)

Acidification of rainwater is one of the important environmental problems in China. The statistical characteristics of the rainwater acidification in Bengbu are analyzed based on rainwater pH data and ground meteorological data from 2006 to 2016. It is found that pH values of Bengbu's rainwater are within the grade of acid rain. No annual trend has been detected in the pH values of rainwater based on the Mann-Kendall test. The pH of rainwater evidently reveals seasonal variation which appears to be higher in summer and lower in other seasons. Results based on the local linear regression and correlation analysis show that there is a nonlinear relationship between daily precipitation and rainwater pH. Based on the analysis of rainfall processes, it is found that the pH value after the first day has the tendency to return to the normal level.

acid rain; pH of rainwater; Bengbu

X517

A

2095-4824(2017)05-0032-05

2017-08-05

陳玉喬(1973- )，女，安徽蚌埠人，蚌埠市氣象局工程師。

蒙文昌(1980- )，男，廣西藤縣人，蚌埠市氣象局工程師。