2006—2020年上海市閔行區(qū)大氣降水化學(xué)特征及來源分析

黎彬，黃俊梅

(上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 201199)

大氣降水的化學(xué)組成受自然過程和人類活動(dòng)的共同影響，是進(jìn)入水滴的氣態(tài)和顆粒物質(zhì)共同作用的結(jié)果[1-2]，其化學(xué)組分、pH值和電導(dǎo)率(EC)等化學(xué)特征能間接反映大氣污染的性質(zhì)、程度，通過對(duì)污染組分的來源和酸性降水成因進(jìn)行分析，為制定控制措施提供有力的科學(xué)依據(jù)[3-6]，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國際上對(duì)大氣降水化學(xué)組分的研究始于19世紀(jì)40年代，而我國則始于20世紀(jì)70年代末。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)大氣降水的研究已經(jīng)在全國各地區(qū)開展，并取得了一些進(jìn)展[2,7-9]。據(jù)2020年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》所發(fā)布數(shù)據(jù)，我國酸雨主要分布在長(zhǎng)江以南—云貴高原以東地區(qū)，主要包括浙江、上海的大部分地區(qū)、福建北部、江西中部、湖南中東部、廣東中部、廣西南部和重慶南部[10]。我國長(zhǎng)三角區(qū)域大氣降水化學(xué)組分的研究一直是熱點(diǎn)內(nèi)容，但對(duì)10年以上時(shí)間跨度降水特征的分析較少。現(xiàn)利用2006—2020年上海市閔行區(qū)降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)降水pH值及EC、化學(xué)特征和來源進(jìn)行了初步分析，以期為當(dāng)?shù)卣卫硭嵊晏峁┲笇?dǎo)和幫助，為大氣污染防治提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

上海市閔行區(qū)地處長(zhǎng)江三角洲東南前沿，位于整個(gè)上海市地域腹部和版圖中心，是上海市主要對(duì)外交通樞紐，主要工業(yè)基地、科技及航天新區(qū)，屬北亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬季受西伯利亞冷高壓控制，盛行西北風(fēng)，寒冷干燥，夏季在西太平洋副熱帶高壓控制下，多東南風(fēng)，暖熱濕潤(rùn)，春季是季風(fēng)的轉(zhuǎn)變期，多低溫陰雨天氣。

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)位

樣品采集點(diǎn)位選取長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)且具有代表性的閔行區(qū)大氣降水監(jiān)測(cè)點(diǎn)(31°6′56″N，121°21′58″E)，距地面約15 m，采樣器距樓頂?shù)木嚯x為1.2 m，周圍主要為住宅區(qū)和交通道路，沒有明顯的局地污染源。

2.2 樣品采集與分析

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

降水pH值、EC和降水離子濃度均按照降水量加權(quán)平均計(jì)算。數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 26.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 降水pH值和EC

3.1.1 降水pH值和EC年變化分析

大氣降水pH值是反映區(qū)域降水化學(xué)特征的綜合性指標(biāo)。2006—2020年閔行區(qū)大氣降水pH值及酸雨頻率變化趨勢(shì)見圖1。

圖1 大氣降水pH值及酸雨頻率變化趨勢(shì)

由圖1可見，大氣降水pH值范圍為4.41～5.19，年平均pH值均<5.6，屬酸性降水，同時(shí)pH值表現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì)，與上海地區(qū)大氣降水的pH值變化趨勢(shì)一致。艾東升等[20]研究了2009—2010年上海市降水年平均pH值為4.35；鄧黃月[21]研究了2014—2015年上海市降水年平均pH值為4.81；張巒[22]研究了2017—2018年上海地區(qū)大氣降水pH值為5.52。按照大氣降水化學(xué)特性的分類方法[23]，由“十一五”初期的強(qiáng)酸性降水(pH值<4.50)逐步轉(zhuǎn)為“十三五”后期的輕度酸性降水(5.00≤pH值<5.60)。酸雨頻率從2006年的88.9%，先升后降，2010年達(dá)到峰值(98.9%)，到2020年下降至55.4%，整體表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。從酸雨頻率分布來看，特強(qiáng)酸性降水(pH值<4.00)頻率從2006年的酸雨偶發(fā)(3.7%)[24]逐步降低，至2016年完全消除；強(qiáng)酸性降水頻率基本由酸雨多發(fā)到偶發(fā)，呈逐步下降的趨勢(shì)，酸雨?duì)顩r有明顯改善。

圖2 大氣降水EC及離子總量變化趨勢(shì)

3.1.2 季節(jié)變化分析

將3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月劃分春、夏、秋、冬四季。從季節(jié)分布上看(表1)，閔行區(qū)大氣降水的pH值夏季最高(4.82)，秋季次之(4.78)，冬、春季基本持平(分別為4.63和4.64)，而酸雨頻率則表現(xiàn)相反。EC值在春季最高(2.83 mS/m)，冬季次之(2.76 mS/m)，夏季最低(2.00 mS/m)，離子總量冬季最高(288.1 μeq/L)，春季次之(242.3 μeq/L)，夏季最低(167.1 μeq/L)，與前人對(duì)上海浦東新區(qū)[29]和寶山區(qū)[27]的研究結(jié)果一致。這與該區(qū)域亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征有一定關(guān)系[14,30]，夏、秋季受溫暖濕潤(rùn)的東南季風(fēng)的影響，較大降雨量對(duì)酸性物質(zhì)的稀釋作用較強(qiáng)，同時(shí)該季節(jié)風(fēng)速大，大氣穩(wěn)定度較弱，有利于各種污染物擴(kuò)散；冬季降水較少，大氣層結(jié)穩(wěn)定，逆溫頻率明顯增加，不利于空氣污染物擴(kuò)散，濕清除效果也不好，且沙塵天氣往往出現(xiàn)在春、冬季，春季的到來，天氣變暖，人類活動(dòng)加強(qiáng)可能對(duì)大氣環(huán)境造成一定影響。

表1 大氣降水pH值、酸雨頻率、EC、總離子當(dāng)量濃度和平均降水量季節(jié)變化趨勢(shì)

3.2 降水離子化學(xué)組成特征分析

3.2.1 離子濃度變化趨勢(shì)

圖3 大氣降水中各離子濃度占比變化

圖4 大氣降水中主要離子濃度變化趨勢(shì)

圖5 大氣降水中與大氣中ρ(SO2)/ρ(NO2)變化趨勢(shì)

3.2.3 因子分析和相關(guān)性分析

為了研究降水中離子之間的潛在聯(lián)系，探討其來源機(jī)制，對(duì)大氣降水中主要離子組分做了主因子分析和相關(guān)性分析，見表2。

表2 大氣降水中主要離子的因子分析

表3 大氣降水中各離子相關(guān)系數(shù)①

4 結(jié)論

(1)2006—2020年閔行區(qū)大氣降水pH值范圍在4.41～5.19，屬酸性降水；酸雨頻率為55.4%～98.9%，呈下降趨勢(shì)，酸雨?duì)顩r有明顯改善。EC變化范圍為1.26～3.67 mS/m，平均值為2.32 mS/m；總離子當(dāng)量濃度范圍為129.22～349.87 μeq/L，均呈下降趨勢(shì)。夏季降水量大，平均pH值最高，酸雨發(fā)生頻率、EC和總離子濃度最低；冬季降水量較少，平均pH值最低，總離子濃度最高。