李亞軍

(山西省氣象信息中心,山西 太原 030006)

引言

酸雨是指pH值小于5.6的大氣降水，其形式主要包括液態(tài)降水，固態(tài)降水，混合態(tài)降水(雨，雪，雹等)。酸雨是由于人類活動(dòng)(或火山爆發(fā)等自然災(zāi)害)導(dǎo)致的一種嚴(yán)重的大氣污染現(xiàn)象，對(duì)公眾健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及全球變化均有重要的影響[1]。中國(guó)酸雨分布復(fù)雜，不同區(qū)域、不同季節(jié)酸雨污染程度也不相同[2]。目前，中國(guó)酸雨影響面積已占國(guó)土面積的40%,成為繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區(qū)[3]。

中國(guó)氣象局的酸雨觀測(cè)業(yè)務(wù)逐步走向規(guī)范化，觀測(cè)質(zhì)量日益提高，所積累的長(zhǎng)期酸雨監(jiān)測(cè)資料，已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理以及相關(guān)科學(xué)研究。有研究分別對(duì)京津[4]、北京[5]、石家莊[6]等地區(qū)酸雨變化特征進(jìn)行分析，表明近年來酸雨污染呈下降趨勢(shì)，季節(jié)變化明顯。張良玉等[7]認(rèn)為京津冀地區(qū)秋季酸雨pH最小，小雨量級(jí)酸雨出現(xiàn)次數(shù)較多，并且酸雨污染由“硫酸—硝酸型”逐步向“硝酸型”轉(zhuǎn)變。許多研究也對(duì)中國(guó)東北區(qū)域酸雨進(jìn)行分析，洪也等[8]對(duì)2004—2008年遼寧酸雨時(shí)空分布特征研究表明，酸雨強(qiáng)度呈逐年增強(qiáng)的趨勢(shì)，以夏季酸度為最強(qiáng)。王研等[9]對(duì)撫順市區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，酸雨主要出現(xiàn)在10月和12月，降水污染主要受局地影響。在西南地區(qū)，何軍和徐渝[10]研究表明，近年來降水pH值總體上升，酸雨污染有所減輕，酸雨污染由煤煙型污染向石油型污染轉(zhuǎn)變。湯潔等[11]對(duì)中國(guó)酸雨現(xiàn)狀進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，北方酸雨區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，強(qiáng)酸雨區(qū)范圍達(dá)到1994年以來最大，但pH值上升，酸度有所減弱。李亞軍等[12]分析山西省酸雨時(shí)空變化發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初山西省酸雨酸性呈上升趨勢(shì)，山西省南部和西北部酸雨比其他地區(qū)污染嚴(yán)重。

本文利用山西省侯馬、太原、長(zhǎng)治、大同、五臺(tái)山5站酸雨觀測(cè)資料，分析山西省2006—2019年酸雨的時(shí)空分布變化，統(tǒng)計(jì)山西省2006—2019年不同“酸雨等級(jí)”的變化特征，以及不同月份和不同降水等級(jí)的酸雨變化，以期為治理大氣污染和防治酸雨提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

使用2006—2019年山西省南部侯馬國(guó)家基準(zhǔn)氣候站、中部太原國(guó)家基本氣象站、北部五臺(tái)山國(guó)家基本氣象站和大同國(guó)家基本氣象站、南部長(zhǎng)治國(guó)家基本氣象站酸雨觀測(cè)資料(表1)，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制得到原始數(shù)據(jù)，按12月到翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季生成逐季序列以及年序列。所有站點(diǎn)必須符合酸雨探測(cè)環(huán)境和《酸雨觀測(cè)規(guī)范》的要求。2006年初開始改為日采樣，在氣象觀測(cè)站，降水采樣設(shè)備一般宜安裝在觀測(cè)場(chǎng)的東南方，每日08時(shí)為酸雨觀測(cè)降水采樣的日界，當(dāng)日08時(shí)至次日08時(shí)為一個(gè)降水采樣日。每日采樣并在每天規(guī)定時(shí)間檢查采樣器，因?yàn)闃悠房煽焖俦４?，從而防止了不穩(wěn)定物種產(chǎn)生明顯的生物降解[13]。在一個(gè)降水采樣日內(nèi)，無論降水是否有間隔及間隔長(zhǎng)短，降水量達(dá)到1.0 mm時(shí)，必須采集一個(gè)日降水樣品。降水樣品采集后，應(yīng)立即開始測(cè)量前的準(zhǔn)備工作，并于4 h內(nèi)完成降水樣品的測(cè)量。

表1 山西省各酸雨站位置Table1 Location information of acid rain stations in Shanxi province

1.2 研究方法

大氣降水pH值，即大氣降水中氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù)。公式如下：

pH=-lg[H+]

(1)

式(1)中,pH為大氣降水pH值，無量綱；[H+]為氫離子活度，單位為mol·L-1。大氣降水電導(dǎo)率(K)，即大氣降水導(dǎo)電能力的度量，是電導(dǎo)測(cè)量池中通過大氣降水樣品的電流密度與施加其上的電場(chǎng)強(qiáng)度之比。公式如下：

K=Q/R

(2)

式(2)中，Q為電導(dǎo)池常數(shù)，單位為cm-1；R為電阻，單位為Ω；K為電導(dǎo)率，單位為μs·cm-1。計(jì)算方法采用中國(guó)氣象局《酸雨觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》(2005)[1]中的方法。

2 結(jié)果分析

2.1 酸雨時(shí)間變化

2.1.1 年變化2.1.1.1 酸雨次數(shù)和酸雨頻率

2006—2019年山西省觀測(cè)站降水次數(shù)和酸雨次數(shù)及酸雨頻率見圖1，2006年以來山西省酸雨的發(fā)生頻次有明顯的下降趨勢(shì)，特別是2014年之后。2006—2014年每年平均酸雨次數(shù)為128 d，而在2015—2019年每年平均次數(shù)為56 d。年酸雨的頻率(酸雨次數(shù)/降水次數(shù))也呈現(xiàn)明顯的下降態(tài)勢(shì)。2006—2014年酸雨出現(xiàn)的頻率均維持在35.0%以上，2007年最高達(dá)59.9%；2015—2019年酸雨頻率均低于30.0%，2016年最低，為12.9%。表明山西省酸雨近年出現(xiàn)明顯改善，特別是在當(dāng)?shù)卣摺按髿馐畻l”出臺(tái)并實(shí)施以后，說明當(dāng)?shù)卣畬?duì)空氣污染治理有顯著成效。

圖1 2006—2019年山西省觀測(cè)站降水次數(shù)和酸雨次數(shù)及酸雨頻率Fig.1 Frequency of rainfall events，acid rain，and the ratio occurrence of acid rain at the observation station in Shanxi province from 2006 to 2019

2.1.1.2 降水pH值

降水pH值通常用來評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)酸雨程度[8]。由圖2a可知，年平均pH值范圍為5.43—6.49，呈逐年增加趨勢(shì)。從10 a尺度來看，2011—2019年平均pH值比20世紀(jì)前10 a增加了0.52，山西省5個(gè)觀測(cè)站降水酸性均呈降低趨勢(shì)。這與文獻(xiàn)報(bào)道[12]21世紀(jì)前10 a相比20世紀(jì)90年代下降了0.39，山西省酸雨酸性呈上升趨勢(shì)結(jié)果相反。其主要原因?yàn)?0世紀(jì)初期，山西省是中國(guó)的能源大省，煤炭作為工業(yè)原料、動(dòng)力和民用能源的主體，其消耗量居全國(guó)首位，在山西省污染源排放中，煤煙型污染的排放量占90%以上[14],所以山西省酸雨污染嚴(yán)重。近年來隨著山西省政府加強(qiáng)大氣污染防控治理，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，空氣環(huán)境質(zhì)量明顯改善。

圖2 2006—2019年山西省酸雨觀測(cè)站降水的年平均pH值(a)及電導(dǎo)率K值(b)變化Fig.2 Variation of annual mean pH value (a) and conductivity K value (b) at acid rain observed station in Shanxi from 2006 to 2019

2.1.1.3 電導(dǎo)率值

電導(dǎo)率值(又稱K值)可反映出大氣降水的潔凈程度。一般認(rèn)為K值大于50 μs·cm-1時(shí),降水中的雜質(zhì)越多，空氣質(zhì)量越差。從圖2b可知，2006—2019年山西省5個(gè)觀測(cè)站年平均K值為73.4—120.1 μs·cm-1。近9 a平均電導(dǎo)率值比前5 a平均電導(dǎo)率降低了13.7 μs·cm-1，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。表明本研究的5個(gè)城市空氣質(zhì)量正逐步改善。另外，太原觀測(cè)站的K值和pH值明顯高于其他4個(gè)觀測(cè)站，說明太原市的降水潔凈程度低于其他4個(gè)城市，空氣質(zhì)量較差。主要原因是本研究中5個(gè)測(cè)站所在的城市能源結(jié)構(gòu)，主要污染源不同，在太原市主要以交通源(汽油車和柴油車)污染為主，而其他城市重工業(yè)排放污染物較多。

2.1.2 季變化

由表2統(tǒng)計(jì)的2006—2019年山西省5站各季節(jié)平均pH值可知，山西省各酸雨觀測(cè)站的各季節(jié)變化特征以秋季平均pH值最小，季平均pH值為5.70，污染最為嚴(yán)重，其次冬季為5.88，夏季為5.94，春季最高為6.11，四季標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.10、1.07、1.01、1.00，各個(gè)季節(jié)數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度春季最小。秋冬季酸雨污染嚴(yán)重可能是由于秋收秸稈焚燒和冬季北方燃煤取暖等因素影響。秋季、夏季、冬季和春季各季節(jié)平均電導(dǎo)率K值分別為86.8 μs·cm-1、87.8 μs·cm-1、102.6 μs·cm-1和110.6 μs·cm-1，說明冬季和春季空氣污染嚴(yán)重，降水潔凈程度較差。主要是因?yàn)槎九c春季因大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，大氣污染物不易擴(kuò)散，從而導(dǎo)致降水中雜質(zhì)增加。山西省酸雨發(fā)生弱酸性降水(4.50≤pH<5.60)出現(xiàn)的頻率以秋季最高為32.4%，其次冬季為31.4%，夏季為24.4%，最低為春季21.9%。強(qiáng)酸性(pH<4.50)降水出現(xiàn)的頻率也與之類似，秋季最高為15.2%。其次為夏季、冬季分別為9.1%和6.6%，春季最低為6.3%。可見，山西省酸雨發(fā)生的頻率有明顯的季節(jié)性，在秋季發(fā)生的頻率最大，降水酸性最強(qiáng)，夏冬季次之，春季最弱。

表2 2006—2019年山西省各季平均pH值統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics on seasonal average pH value in Shanxi from 2006 to 2019

2.1.3 月變化

2006—2019年山西省酸雨區(qū)月平均降水pH值變化幅度為5.58—6.20，最低值出現(xiàn)在9月，而最高值在4月,說明山西省酸雨污染9月最嚴(yán)重；酸雨區(qū)酸雨頻率在4—6月和12月低于30%，處于酸雨少發(fā)期，平均降水pH值最高(6.13)，降水酸性最弱；其他各月酸雨頻率均超過了30%，最高為49.7%，處于酸雨多發(fā)期，平均降水pH值處于最低值(5.81)，降水酸性最強(qiáng)，酸雨污染最為嚴(yán)重(圖3)。酸雨頻率和降水pH呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.92(圖4)。

圖3 2006—2019年山西省酸雨頻率變化和平均降水pH值Fig.3 Variation of monthly acid rain frequency and monthly average precipitation pH value in Shanxi from 2006 to 2019

圖4 2006—2019年山西省月酸雨頻率及月平均降水pH值關(guān)系Fig.4 The relationship between monthly acid rain frequency and monthly average precipitation pH value in Shanxi from 2006 to 2019

2.2 酸雨空間變化

2006—2019年山西省5個(gè)酸雨觀測(cè)站14 a年平均pH值變化幅度為5.55—6.90，最低值出現(xiàn)在北部五臺(tái)山為5.55，南部侯馬pH值為5.57，最高值出現(xiàn)在中部太原為6.90，大同和長(zhǎng)治分別為5.71和5.95。酸雨年平均pH值小于5.6的只有北部五臺(tái)山和南部侯馬2個(gè)城市，相比于前人研究結(jié)果[12],酸雨污染面積和程度均有所改善。山西省南部和偏北部酸雨依然比中部污染嚴(yán)重，可能是因?yàn)樘蟪鞘械拇髿馕廴疚飳?duì)酸雨有中和緩沖的作用。

表3為2006—2019年山西省酸雨發(fā)生頻率變化，強(qiáng)酸性(pH<4.5)降水出現(xiàn)的頻率為0.4%—20.0%，平均為9.5%，其中南部侯馬出現(xiàn)的頻率最大為20.0%，北部大同最小，為0.4%,可見南部侯馬污染最為嚴(yán)重，可能與侯馬地區(qū)煤工業(yè)排放污染物有關(guān)。有關(guān)研究表明[17-19]，地區(qū)內(nèi)的污染物排放是影響當(dāng)?shù)亟邓嵝院碗x子成分組成的最主要因素。弱酸性(4.5≤pH<5.6)降水出現(xiàn)的頻率幅度為8.8%—37.5%，平均為 25.9%，明顯低于非酸性降水發(fā)生頻率。

2.3 不同酸度下各雨量等級(jí)酸雨頻率變化

根據(jù)雨量分為小雨(1.0 mm≤R<10.0 mm)，中雨(10.0 mm≤R<30.0 mm)，大雨(30.0 mm≤R<50.0 mm)和暴雨(R≥50.0 mm)4個(gè)等級(jí)。圖5為2006—2019年山西省5站弱酸雨(4.50≤pH<5.60)頻率和強(qiáng)酸雨(pH<4.50)頻率隨降水量的變化,在不同降水強(qiáng)度時(shí)，弱酸雨和強(qiáng)酸雨發(fā)生頻率的變化趨勢(shì)基本一致，在降水量達(dá)到1.0 mm以上,隨著降水量的增加酸雨頻率逐步上升，強(qiáng)酸雨在降水量5.0—10.0 mm時(shí)發(fā)生頻率最大，為26.3%，弱酸雨在降水量2.0—5.0 mm時(shí)發(fā)生頻率最大，為26.5%，隨著降水量繼續(xù)增大,酸雨發(fā)生的頻率反而逐步減小。從圖5可以看出，小雨出現(xiàn)強(qiáng)酸雨和弱酸雨事件的頻率最多，分別為54.9%和67.0%，之后分別為中雨和大雨，暴雨最小。一方面由于山西地區(qū)降水頻次隨著雨量增大而明顯減少，小雨在降水事件中的發(fā)生次數(shù)最多，導(dǎo)致各種酸雨事件的發(fā)生隨之增多；另一方面由于降水增大，強(qiáng)降水具有云下沖刷作用，對(duì)污染物的清除貢獻(xiàn)較大。另外降水帶來的污染物也能起到緩沖中和酸雨的作用，最終導(dǎo)致酸雨頻率降低。這與三江平原佳木斯以及南京市酸雨頻率變化結(jié)果一致[3,20]。

3 結(jié)論

(1)2006—2019年山西省酸雨次數(shù)和酸雨頻率均呈下降趨勢(shì)，最低酸雨頻率發(fā)生在2016年，僅為12.9%；年平均pH值范圍為5.43—6.49，降水的年平均pH值呈明顯的上升趨勢(shì)，酸性減弱；年平均電導(dǎo)率K值范圍為73.4—120 μs·cm-1。

(2)四季中，秋季山西省酸雨平均pH最小，為5.70，春季最高，為6.11，電導(dǎo)率K值在春季較高；各月相比，9月酸雨pH值最低為5.58,4月最高為6.20。

(3)從空間分布來看，5站相比，太原降水年平均pH以及電導(dǎo)率K值均顯著高于其他城市，酸雨pH值依次為太原(6.90)>長(zhǎng)治(5.95)>大同(5.71)>侯馬(5.57)>五臺(tái)山(5.55)。

(4)2006—2019年山西省不同等級(jí)降水酸雨發(fā)生頻率差別較大，小雨(1.0—10.0 mm)時(shí)酸雨發(fā)生頻率最大，強(qiáng)酸雨和弱酸雨頻率分別為54.9%和67.0%,當(dāng)降水量超過10.0 mm以后，酸雨發(fā)生的頻率隨著降水量增加而減小。