常婉婷 徐 璐 胡 曉 張國(guó)超

(1.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；2.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315202)

我國(guó)酸雨空間分布存在明顯的地域差異，南方酸雨比北方嚴(yán)重，浙江屬于我國(guó)酸雨污染比較嚴(yán)重的省份, 酸沉降造成的森林木材儲(chǔ)蓄量減少和農(nóng)作物減產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失。酸雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、植物、建筑物、人體等都具有不同程度的危害，已對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成了不利影響，酸雨問題一直是亟須治理的重要環(huán)境問題[1-5]。酸雨的分析預(yù)報(bào)需要結(jié)合氣象條件、污染源等。氣象條件在大氣物理方面對(duì)酸雨形成的影響主要表現(xiàn)在影響有關(guān)物質(zhì)的擴(kuò)散、輸送和沉降?，F(xiàn)代酸雨主要是煤、石油和天然氣等化石燃料燃燒排放的SO2和NOx所造成的環(huán)境污染。許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)酸雨變化特征及相關(guān)氣象條件的影響等進(jìn)行了分析。研究表明，我國(guó)多數(shù)地區(qū)硝酸根離子對(duì)降水酸度的影響逐漸增加，酸雨類型正由硫酸型向硫酸-硝酸混合型轉(zhuǎn)變[6-8]。本地污染源的排放對(duì)酸雨污染的貢獻(xiàn)不容忽視，研究表明浙北和浙東南等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)酸雨污染重于浙西南地區(qū)[9-10]。其次區(qū)域輸送是造成區(qū)域酸雨加重的主要原因[11-12]，中國(guó)東部和東南部沿海地區(qū)的酸雨來源復(fù)雜[13]。降水量和風(fēng)向風(fēng)速對(duì)酸雨的強(qiáng)度有明顯影響[14-16]。

氣候條件、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等背景的差異，造成了我國(guó)不同地區(qū)酸雨分布情況的差異，以及酸雨發(fā)生的主要原因的差異[6-8], 對(duì)不同地區(qū)的酸雨特征和成因進(jìn)行研究分析，可以進(jìn)一步掌握我國(guó)的酸雨污染狀況及發(fā)展趨勢(shì)。寧波市沿海地區(qū)有全國(guó)著名大型石化企業(yè)和眾多化工中小企業(yè)，研究表明酸雨與不同天氣背景間存在明顯的聯(lián)系, 但寧波地區(qū)的酸雨分析，趨勢(shì)變化以及氣象信息的分析研究較少,對(duì)酸雨的了解有利于治理方案的提出，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.2 統(tǒng)計(jì)與研究方法

根據(jù)常規(guī)定義，pH值<5.6的大氣降水為酸雨[17-18]。環(huán)境背景值5.6的來源是CO2溶解在蒸餾水中飽和達(dá)到平衡時(shí)的酸度，實(shí)際大氣中還存在很多其他的化學(xué)成分、且世界各地區(qū)條件不同，因此環(huán)境背景值是一個(gè)相對(duì)的概念，根據(jù)劉嘉麒的研究[19]，內(nèi)陸降水以pH=5作為界限更為合理。然而由于大多酸雨研究都是基于酸雨傳統(tǒng)定義，因此本文將以傳統(tǒng)定義為基礎(chǔ)，將酸雨分為強(qiáng)酸雨pH<4.5，弱酸雨4.5≤pH<5，較弱酸雨5≤pH<5.6，pH>5.6四部分，重點(diǎn)分析弱酸性及以上(pH<5)的酸雨情況。

2 結(jié)果分析

2.1 酸雨污染的時(shí)間特征

2003—2020年的降水采樣：1天采集一個(gè)降水樣品，有多次降水事件時(shí)采集一個(gè)混合樣品，測(cè)定的pH作為日均pH。鎮(zhèn)海國(guó)家站建站(2009年)以來平均年降水日數(shù)為159天，其中2011年的降水日數(shù)143天，2011年的降水樣品采集數(shù)(表1)存在明顯偏少，因此用于統(tǒng)計(jì)時(shí)會(huì)存在誤差，因此本節(jié)剔除該年數(shù)據(jù)。

表1 2003—2020年各年降水樣品采集數(shù)

2.1.1 酸雨污染的年、季節(jié)變化特征

第一個(gè)階段為2003—2013年，該階段酸雨污染較為嚴(yán)重，年平均降水pH值在4.5上下浮動(dòng)，其中2006—2008年年平均降水pH值都在4.5以下，即年平均降水pH值屬于強(qiáng)酸性等級(jí)；全年強(qiáng)酸雨發(fā)生的頻率均在55%以上，最高為2007年的82%。

第二階段為2013—2020年，該階段為酸雨污染的改善期，2016年以前呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，2016年以后逐年改善。年均降水pH從2013年的4.62升至2014年的4.94后，2015到2016年又有下降，2016年起逐步上升，從4.69升至5.41；全年強(qiáng)酸雨發(fā)生的頻率除2016年較上年略有回升以外，每一年都有顯著下降，至2020年已降為0，全年都沒有發(fā)生強(qiáng)酸性降水過程。

圖1為2003—2020年(剔除2011年)，寧波沿海站點(diǎn)年均降水pH，pH<5的酸雨、強(qiáng)酸雨(pH<4.5)發(fā)生頻率的變化圖。由圖1可以看出，2003—2020年間寧波沿海的酸雨污染大致分為三個(gè)階段。

圖1 2003—2020年寧波沿海觀測(cè)站降水pH值變化趨勢(shì)

圖2分別取3-5月、6-8月、9-11月、12月-次年2月為春季、夏季、秋季、冬季計(jì)算出了2003—2020年的強(qiáng)酸雨頻率的變化情況，可以看出2013年起強(qiáng)酸雨的頻率逐年下降，到2018年已趨于0。同樣我們可以看出強(qiáng)酸雨的發(fā)生頻率也存在季節(jié)特征，冬春季強(qiáng)酸雨頻率高的年份多于夏秋季。

圖2 2003—2020年四季強(qiáng)酸雨頻率年變化情況

2.1.2 酸雨發(fā)生的月變化特征

表3是酸雨的月變化情況，從強(qiáng)酸雨過程(pH<4.5，下同)在弱酸性及以上的酸雨(pH<5，下同)的過程中占比看，1月最高，為63.5%，7月份最少，為39.2%；從頻率來看，3月份最高，為52.3%，7月份最少為24.2%。兩者的區(qū)別是由于強(qiáng)酸雨過程在弱酸性及以上的酸雨過程中占比僅考慮了強(qiáng)酸雨的次數(shù)，而頻率除了與強(qiáng)酸雨的次數(shù)有關(guān)，還與該月降水總次數(shù)有關(guān)?？偟膩砜?，月均降水pH值范圍為4.57～4.95，其中3月到8月逐漸升高，9月至3月pH值逐漸下降，弱酸性及以上的酸雨過程發(fā)生頻率也呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律(圖3)。通過季均降水pH及弱酸性以上的酸雨發(fā)生頻率，可知降水pH值最低的為冬季，降水pH值最高的為夏季。弱酸性及以上的酸雨過程發(fā)生頻率最高均為冬季，最低均為夏季。冬季酸雨出現(xiàn)最多，夏季最少。

表3 2003—2020年酸雨pH值月變化情況

圖3 2003—2020年寧波沿海月均降水pH值及pH<5的酸雨發(fā)生頻率

2.2 酸雨污染的化學(xué)組分變化特征

圖4 2003—2020年寧波沿海降水中陽(yáng)離子質(zhì)量濃度年平均變化

圖5 2003—2020年寧波沿海降水中陰離子濃度

圖6 2003—2020年寧波沿海降水中濃度及比值

2.3 酸雨變化特征與氣象因子的關(guān)系

2.3.1 不同降水量等級(jí)下的酸雨變化特征

利用酸雨觀測(cè)的過程降水量將酸雨觀測(cè)期間“降水量等級(jí)”劃分為4級(jí),R<10 mm為小雨；10 mm≤R<25 mm為中雨；25 mm≤R<50 mm為大雨；50 mm≤R<100 mm為暴雨；R≥100 mm為大暴雨及以上。

表4 不同降水等級(jí)下降水pH值、強(qiáng)酸雨頻率和降水K值

圖7 2003—2020年寧波沿海降水中離子質(zhì)量濃度隨降水量變化

2.3.2 酸雨變化特征與地面風(fēng)向風(fēng)速關(guān)系

表5 酸雨變化特征與風(fēng)速關(guān)系

圖8 2003—2020年寧波沿海降水中離子質(zhì)量濃度隨風(fēng)速變化

分析有離子觀測(cè)的277個(gè)樣本，找每次過程的主導(dǎo)風(fēng)向，將風(fēng)向劃分為4區(qū)，偏北風(fēng)(315-45°)、偏西風(fēng)(225-315°)、偏南風(fēng)(135-225°)和偏東風(fēng)(45-135°)，分析可以判斷主導(dǎo)風(fēng)向的樣本。

表6 酸雨變化特征與風(fēng)向關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1)2003—2013年酸雨污染較為嚴(yán)重，2013年后酸雨呈改善趨勢(shì)，2019年起未再發(fā)生強(qiáng)酸雨過程。酸雨月、季變化明顯，月均降水pH值3月到8月逐漸升高，9月至3月pH值逐漸下降。3月平均降水的pH值最低，弱酸性及以上的酸雨發(fā)生頻率最高，屬于酸雨頻發(fā)期，8月平均降水pH值最高，弱酸性及以上的酸雨發(fā)生頻率最低。弱酸性及以上的酸雨頻率冬季最高，夏季最低。酸雨中硫酸根的濃度除個(gè)別年份，2006年起呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，而硝酸根的濃度相對(duì)穩(wěn)定，目前寧波沿海的酸雨污染為“硫酸硝酸混合型”。

(2)平均降水K值隨著降水等級(jí)的升高呈下降的趨勢(shì)，平均降水 pH 值較小值和K 值較大值主要出現(xiàn)在中雨量級(jí)以下降水中。弱酸性及以上的酸雨在日平均風(fēng)速小于 1.5 m/s 的降水過程中出現(xiàn)頻率最高，1.6 m/s～3.3 m/s 的降水過程中出現(xiàn)次數(shù)最多，在日平均風(fēng)速大于 5.5 m/s的降水過程中，弱酸性及以上的酸雨出現(xiàn)頻率最低。平均降水 pH 值與當(dāng)日平均風(fēng)速呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)。

和離子造成的酸雨污染具有明顯的輸入性特征，寧波偏東風(fēng)下酸雨污染相對(duì)最輕微，偏北風(fēng)主導(dǎo)時(shí)污染相對(duì)最為明顯，同時(shí)偏西風(fēng)對(duì)硫酸性污染的輸入也有利，這與各風(fēng)向上的污染源分布有關(guān)。本文僅討論了風(fēng)雨變化與酸雨變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于酸雨形成過程復(fù)雜，氣象要素對(duì)于酸雨的影響還需要進(jìn)一步研究。