西安市酸雨的氣候特征及氣象條件分析

妙娟利

(陜西省氣象信息中心，西安 710014)

西安市酸雨的氣候特征及氣象條件分析

妙娟利

(陜西省氣象信息中心，西安 710014)

摘 要：利用1990—2009年西安市酸雨觀測站的酸雨觀測資料并結(jié)合當(dāng)時(shí)的氣象條件(風(fēng)、降水、霧)，分析了20 a來西安市酸雨變化特征以及不同氣象條件對酸雨的影響。結(jié)果表明：西安市發(fā)生酸雨的頻率為27.4%，季節(jié)變化明顯，其中12月最高，10月最低；酸雨pH值波動幅度1998—2004年最大，2005—2009年最小且趨于平穩(wěn)；大雨天氣、風(fēng)速≤3 m/s或有霧時(shí)易發(fā)生酸雨；出現(xiàn)酸雨時(shí)，風(fēng)向以東北風(fēng)居多。

關(guān)鍵詞：酸雨；pH值；酸雨頻率；氣象條件

酸雨是指pH值小于5.60的大氣降水(雨、雪、雹等)[1]3。通常認(rèn)為，人類排放的硫氧化物和氮氧化物在大氣環(huán)境中經(jīng)過各種氧化反應(yīng)生成的硫酸和硝酸是導(dǎo)致降水酸化的主要致酸污染物質(zhì)[2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人口劇增和城市化過程的加快，燃煤、燃油排放的硫氧化物和氮氧化物逐年增加[3-4]，酸雨的頻率和覆蓋率明顯增加，酸雨污染日趨嚴(yán)重[5]。我國酸雨區(qū)主體位于長江以南的廣大地區(qū)，北方也存在小范圍的酸雨區(qū)。從全國來看，酸雨發(fā)生的范圍總體上呈擴(kuò)大趨勢，北方酸雨發(fā)生范圍擴(kuò)大明顯，南方基本保持不變，酸雨污染重災(zāi)區(qū)由西南逐步轉(zhuǎn)移至華中和華南中部[6]。我國酸雨面積已占國土面積的40%，成為繼歐洲和北美之后的第三大酸雨區(qū)[7]，西安市處于我國酸雨區(qū)西北邊緣。研究酸雨變化特征及與氣象條件的關(guān)系，有利于更有效的治理酸雨。利用1990—2009年西安市酸雨觀測站的數(shù)據(jù)，對西安市酸雨變化特征及其與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行分析和探討。

1 資料與方法

西安市酸雨觀測站是中國氣象局于1989年設(shè)立的第一批國家級酸雨觀測站，所用資料為1990—2009年西安市酸雨觀測站的降水pH值以及降水量、風(fēng)向風(fēng)速、霧等地面氣象觀測資料，共收集有效樣本989次。

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局制定的降水酸度分級標(biāo)準(zhǔn)，將pH值分為5個(gè)級別：小于4.00為強(qiáng)酸性，4.00～4.49為較強(qiáng)酸性，4.50～5.59為弱酸性，5.60～7.00為中性，大于7.00為堿性[8]。將12月—翌年2月、3—5月、6—8月、9—11月劃分為冬、春、夏、秋四季。

2 西安市酸雨特征

2.1 降水pH值月變化

西安地處關(guān)中平原，土壤呈弱堿性。由圖1可知，20 a來西安市降水pH值月平均變化不明顯，在5.60～6.48之間，5—10月pH值居中，無明顯變化，1—4月、11—12月pH值變化波動幅度較大。大氣降水pH值的這種月變化，是酸性廢氣排放、大氣降水量和沙塵活動等多因素綜合作用的結(jié)果。每年11月到次年3月為西安市取暖期，因?yàn)橄拇罅咳剂希髿庵蠸O2和NOX的濃度增加，為酸雨形成提供了豐富的物源；春季沙塵暴活動頻繁，氣候干燥，地面浮塵多，降水偏少，使得大氣中弱堿性濃度大且滯留時(shí)間長，因此在此期間降水pH值月起伏較大。5—10月降水明顯增加，對大氣中浮塵有洗滌作 用，所以降水pH值變化比較平穩(wěn)。月pH值最小值在3.55～4.75之間，變化起伏較大，而且西安每月都有酸雨出現(xiàn)。

圖1 西安降水pH值月平均、月最小逐月變化

2.2 酸雨pH值月變化

酸雨頻率是指在降水總次數(shù)中，pH值小于5.60的降水發(fā)生的比例，即：酸雨頻率=(酸雨樣品數(shù)/降水樣品數(shù))×100%[1]24。由圖2知，酸雨頻率有明顯的月變化，10月最低，為15%；在降水偏少的12月最高，為47%。西安市酸雨頻率為27.4%。酸雨pH值與月酸雨頻率基本上呈反相位關(guān)系，在酸雨頻率高的1、3、6、9、12月，酸雨pH值偏??；反之，酸雨頻率低的2、4、7月，酸雨pH值偏大。酸雨頻率季節(jié)分布從大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季，與西安市SO2月際變化[9]相吻合。冬季酸雨頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他季節(jié)。酸雨頻率的季節(jié)性變化主要是由于冬季取暖燃燒化石燃料，排放大量的SO2和NOX；夏季降水多，強(qiáng)度大，對空氣中的塵埃具有較強(qiáng)的洗滌作用。

圖2 西安酸雨pH值月平均及頻率月變化

2.3 降水pH值年變化

圖3為1990—2009年西安市降水pH值年際變化。20 a來西安市降水pH值年平均值為5.95，年際變化分為三個(gè)時(shí)段：1990—1997年變化呈雙峰型，峰值為1993年的5.99和1996年的6.01，低谷為1992年的5.64和1995年的5.60，這7 a中變化較?。?998—2005年也呈雙峰型，但與前一時(shí)段相比，波動變化較大，峰值為1999年的6.69和2003年的6.59，低谷為2002年的5.75和2005年的5.59；2005年后，降水pH值的年際變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 西安降水pH值年際變化

20 a降水最大pH值和最小pH值的平均值分別為7.40、4.49，年際變化特征：1990—1992年，最大值和最小值逐漸靠近平均值，從1993年開始，最大值和最小值逐漸偏離平均值，1995年偏離程度最大，隨后又逐漸靠近平均值，1998年最大、最小和平均值基本重合；1998—2000年最大值和最小值突然偏離平均值，最大值在1999年，為8.53，最小值在2000年，為3.55，也是20 a中的極值；從2001年開始最大和最小值逐漸靠近平均值，2002—2009年，最大、最小和平均值三者變化趨勢基本一致。

降水pH值這種年際變化的原因?yàn)椋?997年開始的“煤改氣工程”，顯著降低了SO2排放量，降水pH值有所回升。2000年后，隨著城市新一輪產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，工業(yè)廢氣排放量有所下降，但機(jī)動車輛迅速增加，西安機(jī)動車保有量在2010年3月已突破100萬輛，此后不足9個(gè)月，全市就增加了16萬輛機(jī)動車，由此交通尾氣排放量增大，城市大氣中NOX濃度增大，為酸雨的形成提供了新的物源。

2.4 酸雨pH值年變化

由圖4可知，1990—1997年酸雨pH值年際變化不明顯，年平均值在5.00～5.34之間，酸雨頻率為19%～45%；1998—2009年，酸雨pH值的年變化波動幅度較大，年平均值在4.61～5.40之間，其中2個(gè)高峰出現(xiàn)在1998年、2003—2004年，2個(gè)低谷出現(xiàn)在2000年、2006年，1998—2002年酸雨頻率有明顯的上升趨勢，2003年明顯下降，隨后在2004年又出現(xiàn)了上升，2005—2009年，酸雨頻率相對平穩(wěn)。1998年酸雨頻率2%,為20 a年中最低值。

圖4 西安酸雨pH值和頻率年變化

3 酸雨與氣象條件的關(guān)系

3.1 酸雨與降水強(qiáng)度的關(guān)系

將每次酸雨監(jiān)測期間所得的降水量(R)劃分為5個(gè)等級(毛毛雨為0.1 mm≤R<2.0 mm,小雨為2.0 mm≤R<10.0 mm，中雨為10.0 mm≤R<25.0 mm，大雨為25.0 mm≤R<50.0 mm，暴雨為R≥50.0 mm),并對西安市不同降水等級下的降水pH值、酸雨頻率的變化進(jìn)行分析(見表1)?？梢姡好總€(gè)降水等級里的pH平均值均大于5.6，降水越大，pH值越低；暴雨天氣時(shí)酸雨頻率最小，其次是毛毛雨、小到中雨，最大的是大雨天氣。毛毛雨時(shí)，降水強(qiáng)度弱，不利于空氣中的顆粒物下降：暴雨時(shí)，降水對空氣中的顆粒物有沖刷和稀釋作用，所以在這兩種降水天氣下，不利于酸雨出現(xiàn)。在小雨、中雨、大雨天氣時(shí)，容易出現(xiàn)酸雨。

表1 不同降水等級下的降水pH值、

3.2 酸雨與風(fēng)的關(guān)系

風(fēng)對大氣中污染物的擴(kuò)散和輸送起著決定性的作用。統(tǒng)計(jì)西安酸雨日定時(shí)風(fēng)向(圖5)發(fā)現(xiàn)，西安發(fā)生酸雨時(shí)，風(fēng)向以東北風(fēng)居多，其次是西風(fēng)和西南風(fēng)。

圖5 西安出現(xiàn)酸雨時(shí)的風(fēng)向玫瑰圖

西安地處關(guān)中盆地中部，受地形影響年平均風(fēng)速為1.6 m/s，在觀測的20 a中，出現(xiàn)酸雨271次，其風(fēng)速分布見表2。當(dāng)風(fēng)速≤3 m/s時(shí)，污染顆粒不易擴(kuò)散，酸雨頻率為84.9%，風(fēng)速逐漸增大，出現(xiàn)酸雨的頻率越來越小。

表2 西安酸雨與風(fēng)速對應(yīng)情況

3.3 酸雨與霧的關(guān)系

霧形成的天氣條件是低層風(fēng)速小，濕度較大，大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣中的污染物不宜擴(kuò)散，加之水汽充沛，一旦降水很容易形成酸雨。西安20 a中出現(xiàn)酸雨271次,有霧的達(dá)93次,占34.3%。

4 結(jié)論

4.1 西安市發(fā)生酸雨的頻率為27.4%。降水pH值在降水量多的5—10月變化平穩(wěn)，在降水量偏少的1—4月、11—12月波動幅度大。酸雨pH值與月酸雨頻率基本上呈反相位關(guān)系，在酸雨頻率高的1、3、6、9、12月，酸雨pH值偏?。环粗?，酸雨頻率低的2、4、7月，酸雨pH值偏大。酸雨頻率有明顯的季節(jié)性，從大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季，12月最高，10月最低，每個(gè)月都有酸雨出現(xiàn)。

4.2 降水pH值在1990—1997年、1998—2005年兩個(gè)階段均呈雙峰型，但后一階段比前一階段波動幅度明顯偏大，2005年后，降水pH值的年際變化逐漸趨于平穩(wěn)。

4.3 1990—1997年酸雨pH值年際變化波動幅度小，1998—2004年波動幅度大，2005—2009又趨于平穩(wěn)。

4.4 毛毛雨或暴雨時(shí)，不利于酸雨出現(xiàn)；在小雨、中雨或大雨天氣時(shí)，容易出現(xiàn)酸雨。風(fēng)速≤3 m/s時(shí)，酸雨頻率為84.9%，風(fēng)速逐漸增大，酸雨頻率越來越小。有霧時(shí)易發(fā)生酸雨。西安市出現(xiàn)酸雨時(shí)，風(fēng)向以東北風(fēng)居多，其次是西風(fēng)和西南風(fēng)。

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中圖分類號：X517

A

文章編號：1006-4354(2013)05-0036-04

收稿日期：2013-05-29

作者簡介：妙娟利(1977—)，女，陜西岐山人，學(xué)士，工程師，從事地面氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與資料應(yīng)用。