黃金穎，張 虹，趙 然，孫小林

（1.天津市薊州區(qū)氣象局，天津 301900；2.天津市薊州區(qū)預(yù)警信息發(fā)布中心，天津 301900）

酸雨是降水酸堿度（pH值）小于5.6的大氣降水。相關(guān)研究表明，酸雨可以危害地表生態(tài)系統(tǒng)和人體健康、加速材料腐蝕，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動(dòng)造成廣泛、持續(xù)的不良影響。我國(guó)酸雨空間分布特征復(fù)雜，不同地區(qū)、不同時(shí)期酸雨污染程度不同。解淑艷等對(duì)全國(guó)酸雨?duì)顩r進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)全國(guó)降水酸度明顯降低。蒲維維等、周賀玲等、徐梅等對(duì)京津冀等地區(qū)酸雨變化特征研究分析表明，近年來(lái)酸雨污染呈下降趨勢(shì)，且季節(jié)變化明顯。喬曉燕等對(duì)北京市酸雨特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)酸雨發(fā)生頻率在夏季和秋季明顯高于春季和冬季。徐梅等對(duì)1992—2012年天津市酸雨變化特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)天津市降水pH月均值呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化，春季高、冬季低。

薊州區(qū)位于天津市最北部,是天津市唯一的山區(qū)，山青水美，風(fēng)光秀麗，有京津“后花園”之美譽(yù)。居京津唐承四市之腹心。薊州區(qū)地勢(shì)北高南低，呈階梯分布，北部群山連綿起伏，滿目青翠；南部平原土地肥沃，盛產(chǎn)稻麥雜糧。薊運(yùn)河、州河、泃河縱橫交錯(cuò)，水資源豐富。薊州區(qū)是國(guó)家全域旅游示范區(qū)、國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，大氣環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度高。目前對(duì)薊州地區(qū)的酸雨研究較少，本研究利用2009—2021年薊州區(qū)國(guó)家觀測(cè)站的觀測(cè)資料分析了酸雨的變化特征及氣象條件對(duì)酸雨的影響，為薊州地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，防治酸雨提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料來(lái)源

本研究使用2009年1月—2021年12月薊州國(guó)家氣象觀測(cè)站的酸雨日觀測(cè)材料。觀測(cè)要素主要包括降水時(shí)段、降水量、降水pH值、電導(dǎo)率K值、10 min風(fēng)向、風(fēng)速等氣象資料，并經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)控剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)資料的準(zhǔn)確性和代表性。

1.2 研究方法

大氣降水的酸堿度用pH值表示。酸雨是降水pH值小于5.6的大氣降水。pH值的定義為氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，是無(wú)量綱量。計(jì)算公式如下：

式中，c(H)為氫離子濃度，單位為摩爾每升（mol·L）。

大氣降水的導(dǎo)電能力反映大氣降水的潔凈程度，大氣降水電導(dǎo)率俗稱K值，單位為μs·cm。計(jì)算公式如下:

式中，Q為電極常數(shù)，單位為cm；R為電阻，單位為Ω。

平均降水pH值是對(duì)某一時(shí)段內(nèi)（月、季、年）所有的日降水pH值和對(duì)應(yīng)的日降水量進(jìn)行氫離子濃度-雨量加權(quán)平均計(jì)算的結(jié)果。

降水pH值和電導(dǎo)率的計(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)中的方法。

酸雨發(fā)生頻率（F）是某一時(shí)段內(nèi)（月、季、年），日降水pH值小于5.6的次數(shù)占該時(shí)段內(nèi)所有酸雨觀測(cè)次數(shù)的百分率。計(jì)算公式如下:

式中，N為該時(shí)段內(nèi)日降水pH值小于5.6的次數(shù)，NT為該時(shí)段內(nèi)所有酸雨觀測(cè)次數(shù)。

氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《酸雨和酸雨區(qū)等級(jí)》規(guī)定按照日降水pH值，將酸雨劃分為較弱酸雨、弱酸雨、強(qiáng)酸雨和特強(qiáng)酸雨（表1）。

表1 酸雨等級(jí)（日降水的酸雨強(qiáng)弱程度的等級(jí)）

按照單站某一時(shí)段（月、季、年）內(nèi)酸雨頻率，將酸雨頻率劃分為酸雨偶發(fā)、酸雨少發(fā)、酸雨多發(fā)、酸雨頻發(fā)和酸雨高發(fā)（表2）。

表2 酸雨頻率等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 降水pH值及K值變化情況

2.1.1 年變化情況2009—2021年薊州地區(qū)降水pH值和K值的逐年變化特征如圖1、圖2所示，年平均pH值呈逐年增大的趨勢(shì)，降水酸度逐年減弱；年最大pH值無(wú)明顯變化，均在7～8之間變化；年最小pH值變化較大，2017—2021年各年最小pH值較2009—2016年各年最小pH值有增大的趨勢(shì)，并且在2018年出現(xiàn)峰值。原因主要是2018年所有日降水pH值均大于5.6，這一年未出現(xiàn)酸雨。近年來(lái)薊州區(qū)降水年平均pH值變化表明降水酸度明顯降低，酸雨污染情況明顯改善。

圖1 2009—2021年薊州觀測(cè)站降水pH值變化

圖2 2009—2021年薊州觀測(cè)站降水K值變化

對(duì)降水K值各指標(biāo)的逐年變化分析發(fā)現(xiàn)，2017—2021年各年平均K值和年最大K值較2009—2016年均有減小態(tài)勢(shì)，年最小K值在2014年后也整體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，分析結(jié)果表明近年來(lái)薊州降水潔凈程度越來(lái)越好，進(jìn)一步說(shuō)明大氣等外界環(huán)境條件污染程度越來(lái)越小，環(huán)境明顯改善。

2.1.2 季節(jié)變化情況 隨著季節(jié)的變化，降水pH值均發(fā)生一定程度的變化（表3），2009—2021年薊州不同季節(jié)降水平均pH值變化規(guī)律為春季＞冬季＞夏季＞秋季，各季節(jié)平均K值變化規(guī)律為春季＞冬季＞夏季＞秋季，各季節(jié)中秋季降水平均pH值最小，降水酸度最大，平均K值最小，降水受污染程度最小。從各季節(jié)最小pH值和最小K值變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，最小pH值為和最小K值均出現(xiàn)在夏季，夏季日降水最小pH值為3.68，屬于特強(qiáng)酸雨等級(jí)，夏季日降水最小K值僅為5.1，說(shuō)明在夏季容易出現(xiàn)較強(qiáng)酸雨等級(jí)的降水，且受污染最小的降水過(guò)程一般出現(xiàn)在夏季，由于夏季降水較多，對(duì)大氣中的污染物清除作用較明顯。

表3 降水pH值、K值季節(jié)變化情況

2.1.3 月變化情況 從圖3各月的降水pH值變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，各月平均pH值整體呈逐月下降趨勢(shì)。平均pH值最低值出現(xiàn)在9月；各月降水最大pH值在12月數(shù)值最低，為6.97。最小pH值變化起伏較大，在8月值最低，為3.68。這表明一年各月降水酸度最強(qiáng)，單次過(guò)程降水酸度最強(qiáng)的均出現(xiàn)在下半年。

圖3 薊州觀測(cè)站降水pH值月變化

各月降水K值各指標(biāo)差異變化分析發(fā)現(xiàn)，7—8月月平均降水K值、月最小K值在全年各月中均較小，因薊州7—8月降水日數(shù)最多，且單次過(guò)程的降水量較大，由此可見(jiàn)，降水次數(shù)和降水量越多，對(duì)空氣的凈化作用越明顯（圖4）。

圖4 薊州觀測(cè)站降水K值月變化

2.2 酸雨等級(jí)和頻率變化特征

2.2.1 年變化特征 通過(guò)對(duì)2009—2021年逐日降水pH值分析發(fā)現(xiàn)，酸雨年發(fā)生次數(shù)和頻率有明顯下降趨勢(shì)（圖5），后，2009—2014年每年平均酸雨次數(shù)為19 d，發(fā)生頻率在23%～51%之間，屬于酸雨頻發(fā)到多發(fā)，而2015—2021年每年平均酸雨次數(shù)3 d，發(fā)生頻率在0～10%，屬于酸雨偶發(fā)到少發(fā)。

圖5 2009—2021年薊州觀測(cè)站酸雨次數(shù)和酸雨頻率

通過(guò)對(duì)各個(gè)酸雨等級(jí)逐年變化分析，大部分年份較弱酸雨等級(jí)是發(fā)生次數(shù)最多的，特強(qiáng)酸雨等級(jí)發(fā)生次數(shù)最少（表4）。由此可見(jiàn)，薊州發(fā)生的酸雨多為較弱酸雨等級(jí)，且各個(gè)酸雨等級(jí)均呈逐年遞減態(tài)勢(shì)，說(shuō)明薊州區(qū)近年來(lái)酸雨發(fā)生情況明顯改善。

表4 2009—2021年薊州觀測(cè)站各酸雨等級(jí)發(fā)生次數(shù)

2.2.2 月變化特征 由圖6和圖7可知，酸雨發(fā)生頻率最高集中在8—11月，發(fā)生頻率均在30%以上，9月發(fā)生頻率最高為34%，1月未有酸雨發(fā)生，為發(fā)生酸雨頻率最低月份，其次為2月，發(fā)生頻率為4%。較弱酸雨發(fā)生次數(shù)最多的月份為8月，弱酸雨發(fā)生最多的月份為7月，強(qiáng)酸雨發(fā)生次數(shù)最多的月份為9月，特強(qiáng)酸雨發(fā)生次數(shù)最多的月份為8月。

圖6 薊州觀測(cè)站酸雨頻率的逐月變化圖

圖7 薊州觀測(cè)站酸雨頻率及各酸雨等級(jí)發(fā)生次數(shù)的逐月變化

2.3 酸雨與氣象條件的關(guān)系

2.3.1 酸雨與降水量的關(guān)系 按酸雨觀測(cè)規(guī)范，降水量達(dá)到1.0 mm才可進(jìn)行酸雨測(cè)量，同時(shí)本研究結(jié)合24 h降水量等級(jí)劃分，將降水劃分小雨（1.0≤R＜10.0）、中雨（10.0≤R＜25.0）、大雨（25.0≤R＜50.0）、暴雨（50.0≤R＜100.0）、大暴雨（100.0≤R＜250.0）、特大暴雨（250.0≤R），薊州近13年未發(fā)生特大暴雨，且發(fā)生大暴雨次數(shù)僅為3次，樣本數(shù)量太少，故本研究對(duì)大暴雨和特大暴雨的pH值、K值不進(jìn)行分析。對(duì)不同降水等級(jí)的平均pH值、平均K值及酸雨頻率變化情況進(jìn)行分析得出，不同降水等級(jí)其降水pH值、K值和發(fā)生頻率均存在一定程度的差異，其中小雨量級(jí)的平均pH值為6.54，隨著降水量級(jí)的增加，降水pH值也逐漸降低，其中暴雨量級(jí)的pH值最低為5.63。K值隨降水量級(jí)的增大逐漸降低，雨量越大對(duì)空氣的凈化作用越明顯。降水量在250 mm以內(nèi)，酸雨發(fā)生頻率隨降水量的增大而逐漸增多，其中暴雨中酸雨發(fā)生頻率最高為53.3%（表5）。

表5 2009—2021年薊州區(qū)不同降水量級(jí)的平均pH值、K值和酸雨頻率

2.3.2 酸雨與定時(shí)風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系 對(duì)2009—2021年薊州日降水pH＜5.6的定時(shí)（2、8、14、20時(shí)）地面風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)酸雨發(fā)生日風(fēng)向多為東風(fēng)、其次為東北偏東風(fēng)、東南偏東風(fēng)，風(fēng)向整體以偏東風(fēng)為主，這3種風(fēng)向占全部風(fēng)向的43%，平均定時(shí)風(fēng)速為1.5 m·s，薊州地區(qū)偏東風(fēng)對(duì)酸雨發(fā)生的貢獻(xiàn)率最大。

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)降水pH值呈升高態(tài)勢(shì)，且發(fā)生的酸雨多為較弱和弱酸雨等級(jí)，春季降水平均pH值最高，這些結(jié)論均與徐梅等對(duì)天津市酸雨變化研究結(jié)論一致。此外，本研究對(duì)降水pH值進(jìn)行分析的同時(shí)，增加對(duì)降水K值的研究，從不同時(shí)間尺度進(jìn)行分析，研究結(jié)果如下：

（1）2009—2021年以來(lái)，薊州區(qū)降水酸度明顯降低，且降水潔凈程度越來(lái)越好，酸雨污染情況明顯改善，說(shuō)明薊州區(qū)近年來(lái)大氣環(huán)境質(zhì)量治理效果顯著。

（2）本研究從日降水pH值和K值的極值分析來(lái)看，薊州地區(qū)夏季容易出現(xiàn)較強(qiáng)酸雨等級(jí)的降水，且受污染最小的降水過(guò)程一般也出現(xiàn)在夏季。

（3）從酸雨各月發(fā)生頻率分析得出，8—11月是酸雨多發(fā)期，1—2月為酸雨偶發(fā)期。

（4）本研究通過(guò)對(duì)酸雨發(fā)生的降水量和風(fēng)向風(fēng)速分析，發(fā)現(xiàn)薊州地區(qū)暴雨是酸雨發(fā)生頻率最高的量級(jí)，偏東風(fēng)對(duì)酸雨發(fā)生的貢獻(xiàn)率最大。

酸雨的發(fā)生受多種因素的綜合影響，本研究對(duì)薊州區(qū)2009—2021年酸雨發(fā)生時(shí)間規(guī)律進(jìn)行分析，其研究成果對(duì)薊州區(qū)防治酸雨和環(huán)境治理具有一定的參考作用。