天津市薊州區(qū)2009—2021年酸雨發(fā)生特征分析

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，對人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動造成廣泛、持續(xù)的不良影響。我國酸雨空間分布特征復雜，不同地區(qū)、不同時期酸雨污染程度不同。解淑艷等對全國酸雨狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)近年來全國降水酸度明顯降低。蒲維維等、周賀玲等、徐梅等對京津冀等地區(qū)酸雨變化特征研究分析表明，近年來酸雨污染呈下降趨勢，且季節(jié)變化明顯。喬曉燕等對北京市酸雨特征進行分析，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1992—2012年天津市酸雨變化特征進行研究，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，風光秀麗，有京津“后花園”之美譽。居京津唐承四市之腹心。薊州區(qū)地勢北高南低，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。薊運河、州河、泃河縱橫交錯，水資源豐富。薊州區(qū)是國家全域旅游示范區(qū)、國家生態(tài)文明建設示范區(qū)，大氣環(huán)境質(zhì)量關注度高。目前對薊州地區(qū)的酸雨研究較少，本研究利用2009—2021年薊州區(qū)國家觀測站的觀測資料分析了酸雨的變化特征及氣象條件對酸雨的影響，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 材料來源

本研究使用2009年1月—2021年12月薊州國家氣象觀測站的酸雨日觀測材料。觀測要素主要包括降水時段、降水量、降水pH值、電導率K值、10 min風向、風速等氣象資料，并經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)控剔除無效數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)資料的準確性和代表性。

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對數(shù)，是無量綱量。計算公式如下：

式中，c(H)為氫離子濃度，單位為摩爾每升（mol·L）。

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

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值是對某一時段內(nèi)（月、季、年）所有的日降水pH值和對應的日降水量進行氫離子濃度-雨量加權(quán)平均計算的結(jié)果。

降水pH值和電導率的計算方法采用中國氣象局《酸雨觀測業(yè)務規(guī)范》(2005)中的方法。

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

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

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

表1 酸雨等級（日降水的酸雨強弱程度的等級）

按照單站某一時段（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

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，降水酸度逐年減弱；年最大pH值無明顯變化，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，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年薊州觀測站降水pH值變化

圖2 2009—2021年薊州觀測站降水K值變化

對降水K值各指標的逐年變化分析發(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，年最小K值在2014年后也整體呈現(xiàn)減小的趨勢，分析結(jié)果表明近年來薊州降水潔凈程度越來越好，進一步說明大氣等外界環(huán)境條件污染程度越來越小，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，屬于特強酸雨等級，夏季日降水最小K值僅為5.1，說明在夏季容易出現(xiàn)較強酸雨等級的降水，且受污染最小的降水過程一般出現(xiàn)在夏季，由于夏季降水較多，對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值變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，各月平均pH值整體呈逐月下降趨勢。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，單次過程降水酸度最強的均出現(xiàn)在下半年。

圖3 薊州觀測站降水pH值月變化

各月降水K值各指標差異變化分析發(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，且單次過程的降水量較大，由此可見，降水次數(shù)和降水量越多，對空氣的凈化作用越明顯（圖4）。

圖4 薊州觀測站降水K值月變化

2.2 酸雨等級和頻率變化特征

2.2.1 年變化特征 通過對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（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年薊州觀測站酸雨次數(shù)和酸雨頻率

通過對各個酸雨等級逐年變化分析，大部分年份較弱酸雨等級是發(fā)生次數(shù)最多的，特強酸雨等級發(fā)生次數(shù)最少（表4）。由此可見，薊州發(fā)生的酸雨多為較弱酸雨等級，且各個酸雨等級均呈逐年遞減態(tài)勢，說明薊州區(qū)近年來酸雨發(fā)生情況明顯改善。

表4 2009—2021年薊州觀測站各酸雨等級發(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，強酸雨發(fā)生次數(shù)最多的月份為9月，特強酸雨發(fā)生次數(shù)最多的月份為8月。

圖6 薊州觀測站酸雨頻率的逐月變化圖

圖7 薊州觀測站酸雨頻率及各酸雨等級發(fā)生次數(shù)的逐月變化

2.3 酸雨與氣象條件的關系

2.3.1 酸雨與降水量的關系 按酸雨觀測規(guī)范，降水量達到1.0 mm才可進行酸雨測量，同時本研究結(jié)合24 h降水量等級劃分，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，故本研究對大暴雨和特大暴雨的pH值、K值不進行分析。對不同降水等級的平均pH值、平均K值及酸雨頻率變化情況進行分析得出，不同降水等級其降水pH值、K值和發(fā)生頻率均存在一定程度的差異，其中小雨量級的平均pH值為6.54，隨著降水量級的增加，降水pH值也逐漸降低，其中暴雨量級的pH值最低為5.63。K值隨降水量級的增大逐漸降低，雨量越大對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)不同降水量級的平均pH值、K值和酸雨頻率

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

3 結(jié)論與討論

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

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

（2）本研究從日降水pH值和K值的極值分析來看，薊州地區(qū)夏季容易出現(xiàn)較強酸雨等級的降水，且受污染最小的降水過程一般也出現(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）本研究通過對酸雨發(fā)生的降水量和風向風速分析，發(fā)現(xiàn)薊州地區(qū)暴雨是酸雨發(fā)生頻率最高的量級，偏東風對酸雨發(fā)生的貢獻率最大。

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