酸雨的季節(jié)性分布特征及與雨量、雨強(qiáng)的關(guān)系
——以佛山為例

魏興琥，孫曉曼，邱丹璇，陳毅哲

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院廣東西北江流域生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，廣東 佛山528000）

酸雨和大氣酸化、大氣中臭氧引起的地球化學(xué)系統(tǒng)變化、生態(tài)環(huán)境不均衡性及溫室氣體引起的氣候變化為21 世紀(jì)地球所面臨的4 個(gè)主要環(huán)境問題［1］。自羅伯特·史密斯最早在英格蘭開始對(duì)酸沉降現(xiàn)象調(diào)查,并在1872 年提出“酸雨”這一術(shù)語后，直到20 世紀(jì)50 年代，瑞典斯德哥爾摩國際氣象研究所主持建立了歐洲大氣化學(xué)監(jiān)測網(wǎng)后，對(duì)降水化學(xué)全面而系統(tǒng)地長期觀測研究才真正開始［2］。我國的酸雨研究起步更晚，1982 年開展了首次全國酸雨普查，除吉林、甘肅和寧夏外，其他各省、市、自治區(qū)均有酸雨出現(xiàn)，酸雨污染已覆蓋國土面積的40%［3］，1999 年的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，酸雨的程度進(jìn)一步加重，南方許多城市的酸雨頻率高達(dá)80%［4］。進(jìn)入21 世紀(jì)后，我國酸雨的程度還在加重，長江以南地區(qū)成為中國酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū)［5］，該區(qū)域50%以上的面積成為強(qiáng)酸雨區(qū)［6］。作為我國四大工業(yè)區(qū)之一的珠三角地區(qū)是酸雨的重災(zāi)區(qū)，很多區(qū)域酸雨的頻度和程度仍在進(jìn)一步加劇。廣東除連南、連山、陽山、清新縣、乳源、新豐縣外其他區(qū)域均為酸雨控制區(qū)，酸雨控制區(qū)占全省國土面積的71.6%，占全國酸雨控制區(qū)總面積的16%。1995—2004 年酸雨監(jiān)測資料表明：廣東的酸雨控制區(qū)的酸雨頻率以及重酸雨（pH＜4.50）頻率均呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢［7］。

對(duì)于酸雨形成的化學(xué)成分因素研究較多［8-12］。關(guān)于氣象因素中風(fēng)向、風(fēng)速、邊界層溫度、大氣穩(wěn)定度、大氣混合層高度等污染氣象條件對(duì)誘發(fā)酸雨出現(xiàn)的條件影響也有探討［13-15］。對(duì)于降雨的影響，吳賢篤等對(duì)溫州酸雨的研究表明酸雨的pH 值與季度降水量有明顯的正相關(guān)［16］。張曉紅等在對(duì)洛陽酸雨的研究中認(rèn)為：降水量對(duì)降水的pH 值有直接影響，連續(xù)降水和降水量大時(shí)，pH 值降低［17］。謝志清等根據(jù)氣象觀測資料分析表明：江南強(qiáng)酸雨區(qū)冬季降水減少，夏季暴雨顯著增加有利于酸雨緩解，使強(qiáng)酸雨范圍縮小，而在冬季降水偏多，夏季降水相對(duì)偏少期，強(qiáng)酸雨覆蓋范圍擴(kuò)大；西南強(qiáng)酸雨區(qū)春秋季降水量的減少導(dǎo)致春秋季降水占年降水量比例下降，使得年降水pH 值升高，強(qiáng)酸雨形勢得到緩解［18］。佛山是中國主要的制造業(yè)基地，其制造業(yè)等實(shí)體經(jīng)濟(jì)高度集聚所排放的污染物使得佛山成為珠三角酸雨最嚴(yán)重的區(qū)域之一［19-20］。佛山多年平均降雨量高達(dá)1 692 mm，夏季多臺(tái)風(fēng)暴雨，干濕季明顯，雨量、雨強(qiáng)變化幅度很大，一次強(qiáng)降雨過程的降雨量就超過100 mm，與國內(nèi)其他溫帶、暖溫帶、亞熱帶等區(qū)域顯著不同。本文選擇佛山開展降雨量、雨強(qiáng)與酸雨關(guān)系研究，可以更好地了解降雨動(dòng)力對(duì)酸雨程度影響的過程、程度與機(jī)制，研究成果不僅對(duì)珠三角有借鑒意義，而且對(duì)于工業(yè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的其他城市和區(qū)域也有很好的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雨水采集點(diǎn)選擇位于佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院本部禪城區(qū)校區(qū)基礎(chǔ)樓樓頂（E113°1′41″，N23°5′23″，海拔25 m）如圖1 所示。佛山屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22.4 ℃，春夏兩季降雨占全年降水的80%以上。采樣點(diǎn)地處禪城區(qū)市區(qū)中心地段，鄰近工業(yè)區(qū)和交通中心，有很好的代表性。

圖1 實(shí)驗(yàn)觀測點(diǎn)位置

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品采集、測定與分析

在樓頂空曠地放置雨量筒測定雨量，同時(shí)布設(shè)3 個(gè)與雨量筒口徑接近的塑料杯收集降雨，每次收集完水樣后將其清洗干凈后放回，如長時(shí)間無降雨，則在降雨前再次清洗。降雨結(jié)束后立即將雨水樣送至臨近的資源環(huán)境實(shí)驗(yàn)室用pHSJ-3F 型pH 計(jì)測定雨水pH 值，精度0.01。2016 年4、5、8 月份各選擇一次較長時(shí)間降雨過程，每0.5 h 測一次雨量與雨水pH 值，分析雨強(qiáng)與酸雨的關(guān)系。

運(yùn)用EXCEL 2007 對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，分析降雨量、降雨次數(shù)、pH 值、不同季節(jié)變化的基本情況及規(guī)律，并運(yùn)用SPSS 16.0 對(duì)降雨量與pH 值之間進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸雨的月分布與季節(jié)特征

在觀測實(shí)驗(yàn)的4 年共50 個(gè)月時(shí)間內(nèi)，獲取了129 個(gè)有效雨水pH 值數(shù)據(jù)，其中，pH＜5.6 的酸雨次數(shù)為108 次，占降雨總數(shù)的83.72%，包括輕度酸雨（4.5＜pH＜5.6）72 次，重度酸雨（pH＜4.5）36 次，分別占降雨總數(shù)的55.81%和27.91%。雨水pH 與月份間呈多項(xiàng)式關(guān)系（y=-0.024 7 x2+ 0.349 2 x + 3.829 6，r2=0.540 4）如圖2 所示。由圖2 可以看出，1～12 月月平均雨水pH 值都達(dá)到酸雨水平，12 月的雨水pH 值平均值最低，7 月的雨水pH 平均值最高。

從表1 可以看出，春夏兩季降雨次數(shù)占全年降雨次數(shù)的72.87%，冬春季節(jié)雨水pH 平均值明顯小于夏秋季節(jié)，且酸雨比例、重度酸雨比例都明顯高于夏秋季節(jié)。

圖2 酸雨的月分布情況

表1 2012—2016 年測定點(diǎn)酸雨頻度與程度季節(jié)性分布

由此可知，佛山市酸雨數(shù)量與程度呈明顯的季節(jié)性分布規(guī)律，佛山市的氣候是南亞熱帶季風(fēng)氣候，春秋短，干濕季明顯，夏季受來自海洋的暖濕氣流的影響，高溫潮濕多雨，氣候具有海洋性，暴雨多，雨量大，雨季也主要集中在4～9 月，降雨量占全年的80%左右。冬季受來自大陸的干冷氣流的影響，氣候寒冷，干燥少雨，氣候具有大陸性。冬季少有的降雨使酸性氣體不斷積累于大氣中難以擴(kuò)散，一旦下雨，尤其是冷鋒南下，既加重酸性氣體累積，又形成濃度很高的酸雨，降水基本為酸雨，且重度酸雨多。春末夏初，雨季到來，環(huán)流得以改善，降雨次數(shù)增多，盡管酸雨頻度上升，重度酸雨次數(shù)多，但酸雨占比降低，偏向于輕度酸雨。由夏季開始至雨季結(jié)束，佛山市主要由熱帶天氣系統(tǒng)帶來降水。大氣環(huán)流最活躍的夏季，多個(gè)天氣系統(tǒng)共同影響降水過程，強(qiáng)降雨較多，尤其是臺(tái)風(fēng)等大風(fēng)天氣，稀釋酸性氣體，即使酸雨仍會(huì)形成，但在雨水沖刷下，空氣中酸性離子根減少，雨水隨之結(jié)合減少，此時(shí)降水次數(shù)多，酸雨頻度高，但是降水大部分為輕度酸雨或非酸雨，重度酸雨已極少。

2.2 酸雨與降雨量的關(guān)系

將129 次降雨的降雨量與各次的雨水pH 值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，降雨量與雨水pH 值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者的皮爾遜相關(guān)的顯著性系數(shù)達(dá)0.821，未達(dá)到顯著性相關(guān)。但對(duì)不同程度酸雨的降雨量與雨水pH 值之間的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，隨酸雨程度增加，降雨量對(duì)雨水pH 值的影響程度增加，達(dá)到重度酸雨時(shí)，降雨量與雨水pH 值之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。張曉紅等在對(duì)洛陽酸雨的研究認(rèn)為連續(xù)降水和降水量大時(shí)，pH 值降低［21］；吳賢篤等對(duì)溫州酸雨的研究認(rèn)為，溫州酸雨的pH 值與季度降水量有明顯的正相關(guān)［22］。由此可見，降雨量對(duì)酸雨程度的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，除雨量外，還與降雨間隔時(shí)間、氣象條件、降塵等多因素相關(guān)［21-22］。

表2 降雨量與雨水pH、不同酸雨程度降雨量與雨水pH 相關(guān)性分析結(jié)果

2.3 酸雨與雨強(qiáng)的關(guān)系

對(duì)3 次連續(xù)降雨過程的雨強(qiáng)有效數(shù)據(jù)與pH 平均值之間進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，雨強(qiáng)與雨水pH值有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（皮爾遜相關(guān)系數(shù)-0.451，顯著性系數(shù)0.046），按照雨量等級(jí)（小雨：2≤R＜10，中雨：10≤R＜25，大雨25≤R＜50，暴雨：R≥50，R 單位為mm）對(duì)觀測雨量進(jìn)行劃分，并對(duì)不同雨量等級(jí)下降水pH 值、酸雨、不同程度酸雨出現(xiàn)頻率的變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同雨量等級(jí)下酸雨程度出現(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3 可知，小雨使酸雨出現(xiàn)的概率達(dá)到100%，但重度酸雨出現(xiàn)的概率只有17.65%，而暴雨使重度酸雨出現(xiàn)的比例上升到40.54%，與輕度酸雨出現(xiàn)的比例相同，這也證明了雨強(qiáng)與酸雨程度有負(fù)相關(guān)關(guān)系。酸雨是降雨過程中雨滴與空氣中硫化物、氮化物等結(jié)合后的沉降過程，不同雨強(qiáng)，雨滴的密度、大小不同，與大氣化合物結(jié)合的機(jī)會(huì)、程度也不同，雨強(qiáng)越大，雨滴直徑大、密度高，與大氣化合物結(jié)合的機(jī)會(huì)大，使雨水中酸性物質(zhì)含量高，雨水pH 值變小。佛山市夏季高溫多雨，常伴有暴雨，高溫狀態(tài)下空氣中酸性物質(zhì)含量高，且降水時(shí)間集中而短暫，大氣中的水與酸性物質(zhì)快速結(jié)合，形成強(qiáng)酸，導(dǎo)致pH 值低。

2.4 降雨間隔天數(shù)對(duì)雨水pH 值的影響

將觀測降雨數(shù)據(jù)之間的間隔天數(shù)分成3 類發(fā)現(xiàn)，降雨間隔超過10 d 的降雨43 次，雨水平均pH 值4.81，非酸雨6 次，重度酸雨12 次，占27.91%，輕度酸雨25 次；降雨間隔3～9 d 的降雨42 次，雨水平均pH 值4.86，非酸雨6 次，重度酸雨13 次，占30.95%，輕度酸雨23 次；降雨間隔3 天以下的降雨44 次，雨水平均pH 是4.94，非酸雨9 次，重度酸雨11 次，占25%，輕度酸雨24 次。從變化趨勢看，間隔時(shí)間越長，雖然酸雨比例變化不明顯，但有使酸雨程度加重的趨勢。從酸雨形成過程分析，空氣中的硫化物、氮化物等濃度是酸雨形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，雨水是媒介及動(dòng)力，長時(shí)間無降雨或風(fēng)力影響，地面污染物持續(xù)排放會(huì)增加空氣中污染物的濃度，自然會(huì)增加酸雨的頻度和程度，但降雨間隔時(shí)間長短只是為空氣中氧化物的濃度提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，形成酸雨的因素很多，大氣環(huán)流、風(fēng)力大小、氧化物類型、空氣中顆粒物、季節(jié)、雨量、雨強(qiáng)等共同制約酸雨的形成及程度。間隔期較長的降雨基本發(fā)生在冬季，大氣環(huán)流最不活躍，降水最少，酸性氣體積累于大氣中難以擴(kuò)散。而夏季降雨次數(shù)多，雨量充沛。

3 結(jié)論

南亞熱帶充沛的降雨為酸雨的研究提供了很好的基礎(chǔ)。佛山市是珠三角乃至全國典型的酸雨重災(zāi)區(qū)，酸雨頻度、程度表現(xiàn)出一定的季節(jié)分布規(guī)律，春冬兩季是酸雨高發(fā)期，無論是酸雨頻度還是酸雨程度都遠(yuǎn)高于夏秋兩季，月分布規(guī)律也表現(xiàn)出相同規(guī)律。5～10 月雨水pH 值明顯高于其他月份。

降雨量與雨水pH 值呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但重度酸雨的降雨量與雨水pH 值之間卻達(dá)到顯著相關(guān)，證明降雨量對(duì)酸雨程度的直接影響比較復(fù)雜，可能還取決于雨滴與化合物的結(jié)合、降雨間隔、氣象條件等多個(gè)因素。

雨強(qiáng)和雨水pH 值之間顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系證明了雨強(qiáng)是影響酸雨程度的主要因素之一，按照氣象學(xué)的降雨強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)，小雨使酸雨出現(xiàn)的概率增加，但重度酸雨出現(xiàn)比例降低，而暴雨使重度酸雨出現(xiàn)的比例明顯上升，酸雨發(fā)生的比例有所減少。長時(shí)間不降雨會(huì)加大酸雨發(fā)生和程度加重的趨勢。