近25 a杭州市酸雨變化特征分析

黃潔 郭惠惠 邵碧嘉

(杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

酸雨是指pH值小于5.6的大氣降水(大氣降水包括液態降水、固態降水和混合降水)[1-2]。根據相關文獻研究,長江以南地區是中國酸雨污染最嚴重的地區[3-4],50%以上的面積為年平均pH值小于4.50的強酸雨區[5],長三角地區逐漸形成中國的主要酸雨區[6-8]。杭州氣象部門從1992年以來開始酸雨觀測常規業務化,至今已積累了二十多年數據。國內外很多學者對酸雨的時空變化特征以及環境氣象要素對酸雨的影響進行了很多的研究分析,但是針對杭州市長時間序列的酸雨特征分析較少。根據最新公布的氣象行業標準[2]對酸雨和酸雨區等級及評價作了明確的劃分,即按照日降水pH值(pHd)劃分為較弱酸雨(5.0≤pHd<5.6)、弱酸雨(4.5≤pHd<5.0)、強酸雨(4.0≤pHd<4.5)和特強酸雨(pHd<4.0),根據對應的評價時段內的平均酸雨pH值(pHm)在酸雨等級范圍對應內分為較輕酸雨區、輕酸雨區、重酸雨區和特重酸雨區,根據這一標準,對近25 a杭州市酸雨資料進行重新評價能反映出酸雨時空變化特征及污染情況。

本文通過1993—2017年杭州酸雨觀測資料及環境氣象資料,分析了降水pH值、電導率(K值)及酸雨頻率的變化特征,進一步分析了2013—2017年富陽、臨安、桐廬、建德、淳安等地區的酸雨變化特征。在此基礎上,通過分析不同降水等級下pH值、K值、酸雨頻率及與二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和大氣顆粒物(PM10)之間的變化關系,以期找出一些相關特征,為酸雨污染防治提供一些科學數據。

1 資料來源

降水pH值和K值觀測資料來源于杭州各地區酸雨觀測記錄月報表文件,觀測資料根據《酸雨觀測業務規范》[9]要求進行了質量控制,并采用K-pH方法對數據進行檢驗[10],確保了數據的真實性和準確性。SO2、NO2和PM10資料來源于杭州市環境監測中心站1996年以來的國控點監測數據。

2 結果與分析

2.1 pH值與K值變化特征

1993—2017年杭州平均pH值為4.35,平均K值為40.2μS/cm。pH值最低為3.77(2004年),最高值為5.35(2017年)。由圖1可見,1993—1995年pH值基本小于4.0,為特重酸雨區;1995—2001年酸雨污染有所減輕,為重酸雨區;2002—2004年又增強為特重酸雨區;從2005年開始pH值呈逐年升高趨勢,至2017年已為較輕酸雨區。觀測期間,特重酸雨區出現了4 a,重酸雨區出現了6 a,輕酸雨區出現了9 a,較輕酸雨區出現了6 a;其中2007年之前主要表現為特重酸雨區或重酸雨區,之后主要表現為輕酸雨區或較輕酸雨區,特別是2013年之后酸雨情況明顯減輕。

由圖1還可以看出,平均K值最高為60.3 μS/cm(2007年);最低為27.0 μS/cm(1998年)?？傮w趨勢表現為1993—2007年呈增加趨勢,2007—2015年呈減小過程,2016—2017年又略有升高。具體來看,1993—2002年及2011—2017年,pH值和K值均較低,反映了降水酸度較強,但降水中的離子成分較低;2003—2010年,降水K值在44.3～60.3 μS/cm之間,反映了降水中離子成分相對較多。

圖1 1993—2017年年均pH值和K值

由圖2可見,杭州月均pH值夏季較高,冬季較低,月均K值變化與月均pH值變化趨勢恰好相反。從氣象條件上看,冬季邊界層較低,逆溫強度和厚度[11]高于其他季節,不利于空氣污染物的擴散;而6、7月隨著夏季風環流建立,降水充沛,使空氣中致酸物質的濕沉降作用明顯[12],從而導致降水pH均值相對較高、平均K值較低。酸雨污染較重的1993—2007年對比酸雨污染較輕的2008—2017年,降水pH值、K值變化趨勢基本一致,但后一階段(2008—2017年)的8月pH值較高一些,前一階段(1993—2007年)的8月pH值已明顯下降,且后一階段的12月酸雨污染減輕比較明顯。從K值來看,前后兩個階段的K值降低幅度不如pH值升高幅度明顯,夏季的K值基本一致,而且后一階段1—4月的K值卻明顯高于前一階段,影響K值變化的原因需要通過分析降水的化學成分等相關因素,需要進一步觀測分析。

圖2 1993—2017年月均pH值和K值

2.2 酸雨頻率變化特征

根據文獻[2]酸雨頻率等級劃分標準,杭州酸雨頻率最高出現在1995年,達到“逢雨必酸”(100%),最低為36.5%(2017年)。特強酸雨頻率在40%以上出現4 a,1993—1995年連續3年度強酸雨和特強酸雨頻率超過60%,特別是1995年強酸雨和特強酸雨頻率達到98.8%。酸雨頻率和降水pH值變化趨勢基本相同,在1993—1995年酸雨高發(酸雨頻率F>80%),1996—2001年酸雨頻發(50

從季節酸雨發生頻率來看,冬季和春季的酸雨頻率最高,在80%以上,其中1月最高,達到89.3%;夏季較低,其中8月最低,為51.7%。

圖3 1993—2017年酸雨發生頻率(a)年酸雨頻率(b)月均酸雨頻率

2.3 杭州地區酸雨比較

表1為2017年杭州地區各站酸雨情況,從中可見,2017年臨安和建德pH值低于5.0,其余站點pH值在5.00以上,其中富陽最高,為5.62;臨安和淳安的K值最低,均為18.5 μS/cm,杭州K值最高,這可能由于杭州氣溶膠濃度較高,降水過程中吸收了更多的電解質?？傮w來看,富陽酸雨污染相對較輕,全年降水均為較弱酸雨等級;臨安的酸雨污染依舊比較嚴重,酸雨頻率在80%以上,強酸雨頻率18.8%,但K值又比較低,反映了臨安的氣溶膠堿性較弱[13]。

表1 杭州地區2017年各站酸雨情況

圖4 杭州地區2013—2017年各站pH值和酸雨頻率(a)pH值(b)酸雨頻率

從圖4可見,2013—2017年杭州地區各站降水pH值和酸雨頻率分布情況與2017年情況基本一致。這5 a各站的pH值均呈上升趨勢,淳安和富陽pH值相對高一些,近4 a都屬于較輕酸雨區;臨安和桐廬的pH值相對低一些。從各站的酸雨頻率來看,除臨安站外,酸雨頻率均在逐年下降,其中2013年各站的酸雨頻率66.0%以上,其中建德達到100%;而臨安酸雨頻率近5 a均在72.1%以上,2016、2017年分別為83.2%、84.1%,酸雨污染形勢依舊不容樂觀。

2.4 降水過程中pH值與K值變化特征

降水量及降水強度與酸雨的形成關系密切,根據文獻[14]按時段12 h雨量(12 hR)或24 h雨量(24 hR)大小可以分為7個等級。由于日降水量小于0.1 mm的未測量pH值和電導率以及日降水量未出現大于250 mm的天數,因此本文只分析杭州5個降水量等級。不同降水量等級下的pH值、K值及酸雨頻率如表2所示。由表2可見,pH值和K值為中雨情況下最低;酸雨頻率隨著降水等級的提升而增加,中大雨或暴雨時杭州較容易發生酸雨,酸雨發生頻率分別為89.0%和89.1%,大雨時的強酸雨頻率、特強酸雨頻率也最高,達33.5%、26.2%,其中大暴雨的酸雨頻率雖然達到100%,但樣本偏少(僅6次),可能不能完全反應問題;小雨情況出現次數最多,酸雨頻率最低,但K值較高,這可能是小雨情況下,雨水吸附了更多的氣溶膠所導致[15]。

表2 杭州不同降水等級下的pH值、電導率及酸雨頻率

2001年以來,杭州每年基本會出現5 d以上的連陰雨天氣,其中10 d以上的連陰雨天氣共出現17 d,最長一次出現在2008年1月,連續降水19 d。連陰雨過程降水pH值和K值變化有著較明顯的變化特征,可以反映出大氣污染在降水過程中的對酸雨的一些影響。本文選取2009年02月15日連續5 d及02月22日連續14 d的連陰雨天氣過程來分析相關變化特征。

圖5 2009年2月21日—3月5日環境氣象要素

2009年2月15日到3月5日由于西南暖濕氣流活躍,北方不斷有冷空氣補充,受冷暖氣流持續交匯影響,杭州出現以持續的陰雨天氣為主,多次出現雨勢較大的降水過程,累計雨量達219.1 mm。從圖5可見,15—19日pH值先降低,后又略微上升;K值由高到低,再升高,然后再次降低。2月21日—3月5日整個持續降水過程中,pH值和K值總體較低,而且pH值和K值率呈現由高到低,再上升又下降的反復態勢,K值走勢和pH值走勢不完全吻合,K值變化幅度稍大于pH值。統計分析表明,2月平均pH值為4.18,為2009年最低月份。2月的pH值明顯低于1月(4.63),且酸雨頻率增加了20%,其中強/特強酸雨頻率高達94.4%。對比1、2月杭州降水狀況發現,2月份18次酸雨觀測中,2月24日和26日出現降水量大于25 mm的中等降水,pH值分別為4.00和4.09,同比2月其他天數偏低。

總體來看,與間斷性降水相比,連續性降水使pH值下降,酸雨頻率增加;在中雨以上的降水時,平均pH值降低,酸雨的頻率增加。這可能由于降水時間較長,沖刷了懸浮于大氣中的灰塵類氣溶膠顆粒物,這部分顆粒物起到中和酸雨的作用,林豐妹等[16]人研究表明環境空氣中PM10具有一定的酸緩沖能力,在降雨過程中,PM10被雨水有效沖刷,隨著降雨過程的進行,顆粒物濃度及酸緩沖能力呈逐漸下降趨勢,其對降水酸度的作用表現為降水pH值在降雨初期較明顯,而后緩慢下降。

2.5 大氣污染物對酸雨的影響

在降雨過程中,呈弱堿性PM10等顆粒物[13]被雨水有效沖刷,隨著降雨過程的進行,顆粒物濃度及酸緩沖能力呈逐漸下降趨勢。由于霾天氣一般意味著大氣顆粒污染[20]。通過分析霾天氣下降水pH值和電導率變化特征,可以反映氣溶膠對酸雨的影響,據杭州2003—2018年數據統計(表3),霾天氣下降水平均pH值高于非霾天氣下段降水平均pH值,電導率則相反,酸雨頻率基本相同;隨著霾等級的增加,降水pH值呈降低、電導率K值呈增加趨勢,反映了霾天氣下氣溶膠被雨水有效沖刷導致電導率K值增加,但致酸氣體和顆粒物的酸化緩沖能力對降水的中和作用以減少[H+]濃度為主;非霾天氣下的酸雨頻率略高于霾天氣下的酸雨頻率。

表3 杭州不同霾等級下的降水pH值、電導率及酸雨頻率

3 結 語

1)2007年以前杭州降水pH值主要表現為強酸雨或特強酸雨,2007年以后主要表現為弱酸雨或較弱酸雨,特別2013年以來已屬于較輕酸雨區。從酸雨頻率看,2016年以前杭州屬于酸雨高發或酸雨頻發,其中有9 a屬于酸雨高發,但2017年酸雨頻率已降低到36.5%,屬于酸雨多發等級,且未發生特強酸雨,酸雨污染大為減輕,

2)杭州在大雨或暴雨時較容易發生酸雨,酸雨發生頻率達到為89%。小雨情況下酸雨頻率較低(76%),但電導率較高。連陰雨過程容易出現pH低值。

3)杭州地區各站的近5 apH值均呈上升趨勢,酸雨頻率(除臨安站外)逐年下降,其中淳安和富陽近4 a都屬于較輕酸雨區;但臨安近5 a的降水年均pH值≤4.88,酸雨頻率≥72.1%,2017年的酸雨頻率也達到近5 a最高值(84.1%),酸雨污染形勢依舊不容樂觀。

4)SO2、NO2濃度與pH值變化呈負相關,與電導率K值呈正相關;而霾天氣下降水平均pH值高于非霾天氣下段降水平均pH值,電導率則相反,反映了致酸氣體和顆粒物的酸化緩沖能力對降水的中和作用以減少[H+]濃度為主。

參考文獻：

[1] GB/T 19117—2017,酸雨觀測規范[S].

[2] QX/T 372—2017,酸雨和酸雨區等級[S].

[3] 謝志清,杜銀,曾燕,等.降水時空變化對中國南方強酸雨分布的影響[J].地理學報,2008,63(9):913-923.

[4] 趙艷霞,侯青.1993-2006年中國區域酸雨變化特征及成因分析[J].氣象學報,2008,66(6):1032-1042.

[5] 丁國安,徐曉斌,房秀梅,等.1997年中國酸雨現狀及發展趨勢[J].科學通報,1997,42(2):169-173.

[6] 侯青,趙艷霞.2009-2007年中國區域性酸雨的若干特征[J].氣候變化研究進展.2009,5(1):7-11.

[7] 湯潔,徐曉斌,巴金,等.1992-2006年中國降水酸度的變化趨勢[J].科學通報,2010,55(8):705-712.

[8] 吳洪顏,濮梅娟,商兆堂,等.江蘇省2006年酸雨分布特征及其與氣象條件的關系分析[J].氣象科學,2008,28(5):563-567.

[9] 中國氣象局.酸雨觀測業務規范[M].北京:氣象出版社,2005.

[10] 湯潔,徐曉斌,楊志彪,等.電導率加和性質及其在酸雨觀測數據質量評估中的應用[J].應用氣象學報,2008,19(4):385-392.

[11] 杜榮光,齊冰,郭惠惠,等.杭州市大氣逆溫特征及對空氣污染物濃度的影響[J].氣象與環境學報,2011,27(4):49-53.

[12] 杜榮光,林豐妹,焦荔,等.氣象因子對杭州市區酸雨的影響[J].氣象科技,2012,40(6):1044-1049.

[13] 洪盛茂.臨安地區強酸雨的特點[J].大氣科學,1997,21(1):31-38.

[14] GB/T 28592—2012,降水量等級[S].

[15] 沈志來,吳玉霞,黃美元,等.我國重酸雨地區云水化學觀測研究[J].科學通報，1996,41(4):338-340.

[16] 杭州市環境監測中心站.氣溶膠酸堿性對酸雨的影響研究[R].杭州:2010.

[17] 杜建飛,成天濤,馬劍麗,等.上海地區酸雨氣候特征及成因分析[J].大氣科學學報,2015,38(1):137-143.

[18] 蒲維維,張小玲,徐敬,等.北京地區酸雨特征及影響因素[J].應用氣象學報,2010,21(4):464-472.

[19] 林豐妹,焦荔,盛侃,等.杭州市酸雨污染現狀及成因分析[J].環境監測管理與技術，2004,16(3):17-20.

[20] 唐孝炎,張遠航,邵敏.大氣環境化學[M].北京:高等教育出版社,2006.