張占峰,王紅磊,德力格爾,朱彬

(1.中國大氣本底基準觀象臺,青海 西寧 810001;2.南京信息工程大學 大氣物理學院,江蘇 南京 210044)

瓦里關(guān)大氣降水的化學特征

張占峰1,王紅磊2,德力格爾1,朱彬2

(1.中國大氣本底基準觀象臺,青海 西寧 810001;2.南京信息工程大學 大氣物理學院,江蘇 南京 210044)

降水化學;pH值;電導(dǎo)率;水溶性離子;瓦里關(guān)

0 引言

大氣降水過程是顆粒物和污染氣體從大氣中去除的重要方式之一(Samara and Tsitouridou,2000),因而降水中化學組分的分布在一定程度上可以反映大氣顆粒物和氣體的污染特征。近年來世界各地開展了大量的降水化學研究(Kulshrestha et al.,2003;Zunckel et al.,2003;Migliavacca et al.,2005;Tu et al.,2005;Huang et al.,2008;Cao et al.,2009)。目前我國對濕沉降(降水)的研究主要集中于城市地區(qū)。湯潔等(2007)、牛彧文等(2008)研究發(fā)現(xiàn),深圳降水中的離子濃度受海洋的影響較大;鄭鳳琴等(2007)研究發(fā)現(xiàn),大氣環(huán)流對降水化學組分的影響較大;胡敏等(2005)研究發(fā)現(xiàn),降水前后顆粒物離子濃度存在顯著差異;鄭有飛等(2007)、高俊等(2012)的研究表明,南京市江北工業(yè)區(qū)的硫污染在減弱,而氮氧化物污染在逐漸加強。徐敬等(2008)、湯潔等(2010)利用上甸子本底站的降水資料,揭示了華北區(qū)域本底階段性降水成分特征和酸雨的變化趨勢。石春娥等(2013)研究了黃山光明頂降水的酸度和電導(dǎo)率。然而,針對區(qū)域尺度背景地區(qū)降水化學特征的系統(tǒng)研究還較少。

1 資料和方法

資料來源于瓦里關(guān)本底臺觀測的共235個降水樣品。降水樣品由人工采集,pH值用精密的pH計測定,精度為±0.01;離子分析由中國氣象科學研究院大氣化學實驗室完成。按照WMO-GAW關(guān)于降水化學觀測的要求采樣,采樣分為周采樣和日采樣兩種方式,即11月第一周到次年4月最后一周為周采樣,其余時段為日采樣。每天09:00收取和安放采樣袋。

2 結(jié)果分析

2.1 降水pH值和電導(dǎo)率

2.1.1 降水pH值

由表1可知,2007—2009年在瓦里關(guān)采集的235個有效降水樣品中,分析了195個樣品的pH值,pH值的范圍為4.65～8.50,平均值為6.60。2007年91個樣品的pH值范圍為4.67～8.02,中值為6.53;2008年73個樣品的pH值范圍為4.65～8.50,中值為6.70;2009年31個樣品的pH值范圍為5.62～7.76,中值為6.71;1997年瓦里關(guān)的pH值為6.38(湯潔等,2000),說明2007—2009年瓦里關(guān)大氣降水pH值呈上升的趨勢。

表1降水量、pH值和電導(dǎo)率的分析結(jié)果

Table 1 Analysis results of precipitation,pH value and conductivity

年份最大值最小值中值標準偏差樣品數(shù)加權(quán)平均值降水量/mm200716.900.101.302.901102.40200819.900.101.204.10882.90200910.500.100.902.20371.602007—200919.900.101.103.302352.50電導(dǎo)率/(μs·cm-1)200770.203.1612.6416.017414.392008166.102.1114.1927.395713.562009101.307.1621.0024.692224.322007—2009166.102.1113.8022.3415315.08pH值20078.024.676.530.67916.3020088.504.656.700.84736.2020097.765.626.710.61316.612007—20098.504.656.600.741956.29

將pH<5.6的降水定義為酸性降水,pH值在5.6～7.0為中性降水,pH>7.0為堿性降水。由圖1可知:2007—2009年pH值在4.6～5.6之間的降水樣品共有12個,酸雨概率為6.15%,其中2007年有5個樣品,2008年有7個樣品,酸雨概率分別為5.49%和9.59%,2009年未出現(xiàn)pH<5.6的降雨樣品;PH值在5.6～7.0的降水樣品共有127個,占總降水的65.13%,其中2007年67次,占降水的73.63%,2008年41次,占降水的56.16%,2009年19次,占降水的61.29%;PH>7.0的降水樣品共有56個,占降水的28.72%,其中2007年19次,占降水的20.88%,2008年25次,占降水的34.25%,2009年12次,占降水的38.71%。說明瓦里關(guān)降水以中性降水為主,其次是堿性降水,酸性降水最少。

圖1 瓦里關(guān)降水樣品概率分布(長方形上方數(shù)字為樣品數(shù)量)Fig.1 Probability distribution of precipitation samples in Waliguan(sample amounts above the rectangles)

圖2 電導(dǎo)率與離子濃度(a)以及離子正負電荷間(b)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlations (a)between conductivity and total ions concentration,(b)between positive ion and negative ion

2.1.2 降水電導(dǎo)率

電導(dǎo)率可以判斷降水中所含電解質(zhì)的多少,在一定程度上能反映出降水的污染程度。由表1可知,2007—2009年測量的153個有效電導(dǎo)率的變化范圍非常大,最小僅為2.11 μs/cm,最大可達166.10 μs/cm,平均值為15.95 μs/cm;由圖2a可知,電導(dǎo)率與總離子濃度的相關(guān)系數(shù)高達0.94。2007、2008、2009年電導(dǎo)率平均值分別為17.94、22.49、29.82 μs/m,它們明顯大于1997年的14.58 μs/cm(湯潔等,2000),電導(dǎo)率呈增加趨勢,說明2007—2009年瓦里關(guān)降水已受到大氣污染的影響。

2.1.3 pH值和電導(dǎo)率的月際變化

由圖3可見,瓦里關(guān)pH值與降水量呈較好的負相關(guān)關(guān)系,pH值在1月最大,可達7.8,而對應(yīng)降水量僅為2.7 mm。隨著降水量的增加,pH值開始緩慢下降。4—10月降水量一直維持在較高水平,7月降水量達19.5 mm,pH值在此期間急劇下降。10月之后降水量明顯下降,11月為3.6 mm,12月僅為2.3 mm,pH值開始呈升高趨勢,10月PH值最小,為5.72,對應(yīng)降水量為5.0 mm。上述分析說明,由于冬春季瓦里關(guān)降水量減少,造成大氣降水的pH較高。這與湯潔等(2000)的研究結(jié)論一致。

電導(dǎo)率與pH值的變化基本相似,2—4月有明顯的上升趨勢,4月達到最大(80.92 μs/cm),主要原因是春季新疆、內(nèi)蒙古和甘肅等地為沙塵天氣多發(fā)區(qū)域,大氣中含有較高的沙塵氣溶膠,造成了春季大氣降水中的電導(dǎo)率值非常高;9月達到最小(10.93 μs/cm),主要原因是夏秋季大量高頻率的降水過程使得大氣降水中的離子成分濃度降低。

圖3 pH和以及降水量和電導(dǎo)率(b)的月際變化Fig.3 Monthly variations of (a)pH value and ratio of S and N,and (b)precipitation and conductivity

2.2 降水的水溶性離子組成

表2降水樣品中主要離子濃度
Table 2 Main water-soluble ions concentration of precipitation samples μeq/L

離子最大值最小值中值標準偏差加權(quán)平均值Cl-738.870.4817.52106.5326.65NO-3208.760.8720.4228.5915.30SO2-4758.212.5647.2992.6846.69NH+4322.000.5040.6147.5338.65K+83.080.512.998.122.59Na+1134.780.8715.96127.1023.77Ca2+2950.0010.00103.58399.46112.82Mg2+554.171.6716.3259.1617.77

圖4 瓦里關(guān)主要降水離子的月際變化Fig.4 Monthly variations of main water-soluble ions in Waliguan

年份最大值最小值中值標準偏差平均值200716.480.352.952.333.3820088.770.592.571.482.8820096.580.952.481.092.602007—200916.480.352.711.913.07

2.4 相關(guān)性

表4瓦里關(guān)主要降水離子間的相關(guān)系數(shù)及其與降水質(zhì)量、電導(dǎo)率、pH值的相關(guān)系數(shù)

Table 4 Correlation coefficients among main irons of precipitation and their relations with precipitation quality,electrical conductivity,and PH value in Waliguan

Cl-NO-3SO2-4NH+4K+Na+Ca2+Mg2+Cl-0.591)0.771)0.090.821)0.941)0.841)0.871)NO3-0.801)0.561)0.691)0.551)0.721)0.641)SO42-0.381)0.811)0.811)0.841)0.841)NH4+0.201)0.010.070.04K+0.871)0.851)0.891)Na+0.841)0.911)Ca2+0.931)降水質(zhì)量-0.201)-0.341)-0.261)-0.221)-0.261)-0.191)-0.271)-0.221)電導(dǎo)率0.791)0.711)0.861)0.182)0.881)0.831)0.901)0.901)pH0.501)0.451)0.471)0.110.481)0.461)0.581)0.551)

注：1)通過0.01信度的顯著性檢驗;2)通過0.05信度的顯著性檢驗.

3 結(jié)論

1)2007—2009年瓦里關(guān)降水的pH值范圍為4.65～8.50,年平均值為6.60;pH值呈逐年升高的趨勢。降水以中性降水為主,占總降水的65.13%,其次為堿性降水,酸雨最少。pH值在1月最大(7.8),10月最小(5.72),pH值與降水量呈較好的負相關(guān)關(guān)系;電導(dǎo)率的范圍為2.11～166.10 μs/cm,年平均值為21.26 μs/cm,電導(dǎo)率與總離子濃度的相關(guān)系數(shù)高達0.94,年最大值出現(xiàn)在4月,最小值出現(xiàn)在9月,電導(dǎo)率呈上升趨勢,說明2007—2009年瓦里關(guān)降水已受到大氣污染的影響。

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(責任編輯：倪東鴻)

ChemistrycharacteristicsofatmosphericprecipitationinWaliguan

ZHANG Zhan-feng1,WANG Hong-lei2,DELI Geer1,ZHU Bin2

(1.China Global Atmosphere Watch Baseline Observatory,Xining 810001,China;2.School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China)

precipitation chemistry;pH value;conductivity;water-soluble ions;Waliguan

2013-07-19;改回日期2013-10-29

國家自然科學基金資助項目(40875978);江蘇省“333”高層次人才培養(yǎng)工程項目(BRA2010121);江蘇省“六大人才高峰”計劃資助項目

張占峰,工程師,研究方向為大氣化學與本底監(jiān)測,ghfa@163.com

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130719001.

1674-7097(2014)04-0502-07

X517

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130719001

張占峰,王紅磊,德力格爾，等.2014.瓦里關(guān)大氣降水的化學特征[J].大氣科學學報,37(4):502-508.

Zhang Zhan-feng,Wang Hong-lei,Deli Geer,et al.2014.Chemistry characteristics of atmospheric precipitation in Waliguan[J].Trans Atmos Sci,37(4):502-508.(in Chinese)