賀莉微, 王能根, 彭習燦, 吳　瓊

(1.咸寧市氣象局, 湖北 咸寧　437100；2.南京信息工程大學, 南京　210044)

· 環(huán)境監(jiān)測 ·

咸寧市與武漢市酸雨特征對比分析

賀莉微1, 王能根1, 彭習燦1, 吳瓊2

(1.咸寧市氣象局, 湖北 咸寧437100；2.南京信息工程大學, 南京210044)

通過對咸寧市3個酸雨監(jiān)測站和武漢站2008年～2012年的酸雨資料進行分析，研究了咸寧和武漢的降水pH值、K值及酸雨頻率的分布特征，及咸寧與武漢酸雨差異的可能成因分析。分析結(jié)果表明：咸寧和武漢酸雨總體呈現(xiàn)減弱趨勢，強酸性降水的頻率在減小,年平均pH值的大小與強酸性降水的頻率呈負相關(guān)；pH值和K值大致上呈負相關(guān)；pH值呈明顯的季節(jié)變化，大致上夏季pH值最大，冬季最??；pH值的大小與降水量有著密切關(guān)系，降水量越大，PH值越大；金沙站酸雨主要發(fā)生在風速2～6m/s，其他3個監(jiān)測站發(fā)生在風速<3m/s的氣象條件下；金沙站的污染物以輸入性為主，而通山站的污染物主要本地的，嘉魚站和武漢站介于兩者之間，既有本地的也有輸入的；武漢站與金沙站的日、月酸雨變化有著十分顯著的相關(guān)性(通過ɑ=0.01顯著性檢驗)，而季節(jié)相關(guān)性不明顯。

酸雨；pH值；K值；酸雨頻率；相關(guān)性

1　引　言

酸雨是工業(yè)高度發(fā)展而出現(xiàn)的副產(chǎn)物，由于人類大量使用煤、石油、天然氣等化石燃料，燃燒后產(chǎn)生的硫氧化物或氮氧化物，在大氣中經(jīng)過復雜的化學反應，形成硫酸或硝酸氣溶膠，或為云、雨、雪、霧捕捉吸收，降到地面成為酸雨。酸雨不僅可以毒殺魚類和其它水生生物，腐蝕建筑物，而且還能損害森林和農(nóng)田，威脅人體健康[1]。目前, 酸雨與全球氣候變暖、臭氧層破壞并列為世界3大生態(tài)環(huán)境災難。中國已成為繼歐洲、北美之后的世界第3大酸雨區(qū)[2]。酸雨對生態(tài)環(huán)境的危害十分顯著，是一個全球性的環(huán)境問題，而咸寧作為湖北省新興的旅游城市，地處華中酸雨區(qū)，因此開展咸寧市的酸雨特征研究很有必要，同時與武漢進行對比分析，研究咸寧的酸雨是否與上游武漢有關(guān)系[3]。

2　資料與方法

2.1資料概況

咸寧市嘉魚、通山和金沙3個酸雨監(jiān)測站和武漢站2008年～2012年酸雨資料。咸寧市的金沙站是國家大氣本底站，海拔749.8m。其他3個監(jiān)測站是國家基本氣象站。

2.2酸雨觀測方法

pH值：表示溶液酸性或堿性程度的數(shù)值，即所含氫離子濃度的常用對數(shù)的負值，酸雨觀測采用氫離子濃度-降水量加權(quán)法計算降水PH值的平均值，PH值越小表示降水酸性越強，反之則越弱。

K值：電導率，表示物質(zhì)的導電性能。水溶液的電導率高低相依于其內(nèi)含溶質(zhì)鹽的濃度，或其它的會分解為電解質(zhì)的化學雜質(zhì)。水越純凈，電導率越低，反之越大，另外，水溫也影響電導率，故觀測中亦采用降水量加權(quán)法在25℃條件下計算降水電導率K值的平均值。在國際單位制中，電導率的單位稱為西門子/米(S/m)。本文中電導率K值的單位為μS/cm。

3　酸雨分布特征

3.1pH值和K值的變化

根據(jù)常規(guī)定義，酸雨是指pH值<5.6的大氣降水[4]。參考程新金等的研究，將降水酸度分為強酸性(pH值<4.5)、中度酸性(4.5≤pH值<5.0)、弱酸性(5.0≤pH 值<5.6)3個等級[5]。

對咸寧市嘉魚、通山、金沙站及武漢站2008年～2012年酸雨資料進行分析發(fā)現(xiàn)[6,7](圖1(a))，4個監(jiān)測站2008年～2012年降水pH值年平均小于5.6，均是2008年～2009年pH值減小，2009年～2011年pH值又增大，2011年～2012年除武漢站繼續(xù)增大外，其它3個監(jiān)測站均減小。嘉魚和通山兩個測站2009年～2011年pH值增幅較大，金沙和武漢站pH值增幅較小。4個監(jiān)測站中，通山站2010年之前為中度性酸雨，2010年之后為弱酸性酸雨，降水pH值均值為5.0；其他3個監(jiān)測站為強酸性酸雨，嘉魚站的降水酸性最強，pH值均值為4.0。

圖1　2008年～2012年降水pH值(a)和K值(b)年平均變化趨勢Fig.1　Average annual change trend of precipitation pH value and K value from 2008 to 2012

由圖1(b)可以看出，嘉魚、金沙和武漢站K值均是高低交替變化，2010年前變化幅度較大，2010年之后變化幅度較??；通山站變化幅度大，2010年之前K值減小，2010年之后均是先增大后減少。降水pH值和K值大致上呈負相關(guān)關(guān)系。

3.2季節(jié)變化

各站pH值均隨季節(jié)變化[6,7](圖2)，大體是夏季最大，冬季最小，但通山站例外，通山站最小pH值出現(xiàn)在秋季。嘉魚站四季pH值均小于4.5(pH值小于4.5強酸性降水標準，下同)，而通山站四季pH值均大于4.5，金沙和武漢站僅夏季pH值≥4.5。從K值的季節(jié)變化看，武漢站的變化幅度不大，而其他3個監(jiān)測站則季節(jié)性變化明顯，秋季最小，春季最大，究其原因可能是：武漢是特大型城市，汽車保有量大、工業(yè)發(fā)達、人口集中，汽車尾氣和工業(yè)排放能產(chǎn)生大量污染物，因而其主要污染物是本地產(chǎn)生的且不隨季節(jié)變化；而其他3個監(jiān)測站位于小城市，汽車保有量小、工業(yè)不發(fā)達，其主要污染物可能是輸入性的，受風向影響較大，而不同季節(jié)主導風向有明顯區(qū)別，因而其K值的季節(jié)性變化明顯。

3.3不同強度酸雨頻率變化

嘉魚站和金沙站大致是2011年以前強酸性酸雨的頻率在不斷減少，而中度性酸雨和弱酸性酸雨的頻率增大，2011年之后強酸性酸雨頻率增大，中度性酸雨和弱酸性酸雨的頻率在減少(圖3(a)和(c))。通山站強酸性酸雨頻率呈減弱趨勢，中度性酸雨和弱酸性酸雨頻率呈增大趨勢，2011年強酸性酸雨頻率只有1%(圖3(b))。武漢站2010年以前，強酸性酸雨的頻率及中度性酸雨和弱酸性酸雨的頻率變化幅度大，2011年之后，變化幅度小，強酸性酸雨的頻率增大，中度性酸雨和弱酸性酸雨的頻率在減小(圖3(d))[6,7]。

圖3　嘉魚站(a)、通山站(b)、金沙站(c)和武漢站(d)2008年～2012年不同強度酸雨的年變化Fig.3　The annual variation of different intensity of acid rain from 2008 to 2012

4　氣象條件影響因素

4.1風向風速

利用2008年～2012年酸雨資料統(tǒng)計5年中不同風向和風速條件下酸雨發(fā)生頻率[8]。

表1不同風速條件下的酸雨頻率，除金沙站，其他3個監(jiān)測站酸雨主要集中在風速<3m/s的氣象條件下，概率在77%～95%，金沙站海拔在749.8m，因而風速較其它監(jiān)測站大，酸雨主要發(fā)生在2m/s～6m/s之間，概率在61%。

通山站的酸雨頻率隨風速增大而減小，在風速不足1m/s時酸雨頻率最大，為44%，風速在1～2m/s時酸雨頻率為31%，而當風速達到5m/s以上時，無酸雨，說明通山站的污染物主要由本地產(chǎn)生的，是源地污染；而金沙站則相反，風速在2～5m/s時，酸雨發(fā)生頻率最高，風速不足2m/s時酸雨頻率隨風速減小而遞減，風速超過5m/s時酸雨頻率隨風速增大而遞減，風速達到8m/s以上時仍然有酸雨，累計酸雨頻率達到9%，金沙站海拔高度749.8m，周圍無工業(yè)污染源，附近1km內(nèi)無村莊，不同風速下酸雨頻率的變化特征也進一步說明金沙的污染物以輸入性為主。嘉魚站和武漢站較為類似，風速較小時也有酸雨，但達到1～3m/s時，酸雨頻率最大，在風速達到3m/s以上時，酸雨頻率迅速下降，而風速在1m/s以下時也有較高的酸雨頻率，說明武漢站和嘉魚站既有輸入性污染物也有源地污染物。

表1　4個監(jiān)測站在不同風速下酸雨的頻率

表2為4個監(jiān)測站在不同風向下的酸雨頻率，嘉魚站、武漢站均是在偏北風的氣象條件下酸雨發(fā)生的概率最大，分別為49%和41%，說明這兩地污染物主要來自其北部，其中嘉魚縣就在武漢市南面且離武漢市很近，受武漢市的影響很大；通山站是在偏東風和偏西風的氣象條件下酸雨發(fā)生的概率大，分別為36%和28%，這是因為通山站處在一個東西走向的山溝中，盛行東西兩個方向的風，南北兩方向的風較少；金沙站是在偏北風和偏東風的氣象條件下酸雨發(fā)生的概率大，分別為30%和31%，其北面是咸寧市和武漢市，結(jié)合嘉魚站、武漢站在偏北風的氣象條件下酸雨發(fā)生的概率最大來看，說明北部有較大的污染源，而其東邊是通山縣，也是污染源之一。

表2　4個監(jiān)測站在不同風向下酸雨的頻率

在靜風的條件下，通山站仍有15%的酸雨發(fā)生頻率，說明通山站附近有污染源，同時由于城市規(guī)模的原因，受污染程度較之武漢要弱很多，所以通山站是4個監(jiān)測站中酸雨最輕的地方；同樣地，嘉魚站在靜風條件下酸雨的發(fā)生頻率為5%，也說明監(jiān)測站四周有污染源，加之受到外界的影響，從而造成嘉魚站是4個監(jiān)測站中酸雨最嚴重的地方。

4.2降水量

圖4為4個酸雨監(jiān)測站2008年～2012年月平均降水量與pH值的關(guān)系，從圖中可以看出，降水量與pH值有著很好的對應關(guān)系，隨著降水量的增大，pH值也同樣增大，說明降水對酸雨有稀釋作用，尤其夏季降水是一年中雨量最充沛的時候，此時對應降水pH值也最大[9,10]。

由于嘉魚站離武漢城市近的原因，嘉魚站pH值變化幅度較其它3個監(jiān)測站均小，但是在夏季降水量增大的條件下，pH值還是有小幅度的增大；通山站在夏季來臨前降水pH值減小，通過對風向的統(tǒng)計，表明在此時盛行偏東風和偏西風，由于通山縣特殊的地理位置，污染物在此時伴隨著偏東風或偏西風在通山傳入，因此造成降水pH值減小，之后隨著降水量的逐漸增大，降水pH值明顯增大。

圖4　嘉魚(a)、通山(b)、金沙(c)和武漢(d)2008年～2012年平均月降水量與pH值關(guān)系Fig.4　Correlation between average monthly precipitation and pH value from 2008 to 2012 of four stations

5　武漢市與咸寧市金沙站的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是考察兩個變量之間線性關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法。更精確的說，當一個變量發(fā)生變化時，另一個變量如何變化，此時就需要通過計算相關(guān)系數(shù)來做深入的定量考察。

表3為武漢與金沙站日(樣本數(shù)319)、月(樣本數(shù)60)、春(樣本數(shù)64)、夏(樣本數(shù)74)、秋(樣本數(shù)72)和冬(樣本數(shù)64)的相關(guān)系數(shù)，日和月的相關(guān)系數(shù)通過ɑ=0.01的顯著性檢驗(在統(tǒng)計學上具有意義)。表明武漢站與金沙站的酸雨日與月的置信度為99%，有著十分顯著的相關(guān)性。而四季的相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗。

表3　武漢站與金沙站日、月和四季相關(guān)系數(shù)

6　結(jié)　論

通過對咸寧市3個酸雨監(jiān)測站和武漢站2008年～2012年的酸雨資料分析，得出以下結(jié)論：

6.1咸寧和武漢酸雨總體呈現(xiàn)減弱趨勢，強酸性降水的頻率減小，年平均pH值的大小與強酸性降水的頻率呈負相關(guān)。

6.2降水pH值和K值大致呈負相關(guān)關(guān)系。

6.3降水pH值呈明顯的季節(jié)變化，大致是夏季pH值最大，冬季最小。

6.4降水pH值的大小與降水量有著密切關(guān)系，降水量越大，pH值越大。

6.5金沙站酸雨主要發(fā)生在2m/s～6m/s，其他3個測站發(fā)生在<3m/s的氣象條件下。

6.6金沙站的污染物以輸入性為主，而通山站的污染物主要本地的，嘉魚、武漢站介于兩者之間，既有本地的也有輸入的。

6.7武漢站與金沙站的日、月酸雨變化有著十分顯著的相關(guān)性(通過0.01顯著性檢驗)，而季節(jié)相關(guān)性不明顯。

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Contrastive Analysis of Characteristic of Acid Rain in Xianning and Wuhan

HE Li-wei1，WANG Neng-gen1，PENG Xi-can1，WU Qiong2

(1.TheXianningMeteorologicalBureau,Xianning,Hubei437100,China；2.NanjingUniversityofInformation&Technology,Nanjing210044,China)

Through the analysis of the acid rain data from three acid rain monitoring stations in Xianning City and WuHan monitoring station (the data from WuHan monitoring station is from 2008 to 2012), the distribution characteristics of the pH, K value and the frequency of acid rain in Xianning and Wuhan were studied. The possible causes of the differences of the acid rain between Wuhan and Xianning were analyzed. The results showed that the acid rain in both Xianning and Wuhan generally present declining trends. Strong acid rain frequency had decreased. The annual average pH value was negatively related to the frequency of strong acid rain. PH and K values generally showed a negative correlation. pH values showed significant seasonal variation, generally highest in summer and lowest in winter. pH values had positive correlation with precipitation, the more the precipitation is, the higher the pH value. Acid rain at JinSha Station mainly occurred when the wind speed was 2 ～ 6m/s, at the other three stations, it was occurred when the wind speed < 3 m/s. In JinSha Station, the pollutants were mainly transported while in Tongshan station, the pollutants were mainly local. In Jiayu and WuHan station, there were both transported and local pollutants. There is a significant correlation of daily and monthly acid rain variation between Wuhan and JinSha Station,(through ɑ=0.01 significant test), however the seasonal correlation is not obvious.

Acid rain; pH; K value; acid rain frequency; correlation

2014-09-02

賀莉微(1988-)，女，陜西綏德人，2011年畢業(yè)于南京信息工程大學大氣科學學院大氣科學專業(yè)，助理工程師，研究方向為天氣預報和環(huán)境。

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A

1001-3644(2015)02-0033-06