蚌埠市2006-2016年降水酸化特征分析
2017-12-12陈玉乔蒙文昌贺冉冉朱兰保
陈玉乔，蒙文昌，贺冉冉，朱兰保
(1.蚌埠市气象局，安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠学院 环境科学实验中心，安徽 蚌埠 233030)
蚌埠市2006-2016年降水酸化特征分析
陈玉乔1，蒙文昌1，贺冉冉2，朱兰保2
(1.蚌埠市气象局，安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠学院 环境科学实验中心，安徽 蚌埠 233030)
酸雨污染是中国当前重要的环境问题之一。本文基于蚌埠市2006年至2016年的降水pH观测数据及同期地面气象观测资料，分析了蚌埠降水的酸化特征。根据Mann-Kendall趋势检验的结果，从2006年以来，蚌埠市降水多年的pH值基本处于酸雨等级内，但是没有检验出明显的变化趋势。降水的酸化程度有着明显的季节变化特征，在夏季较轻，而在其他季节较为严重。根据局域加权回归和相关分析的结果，降水pH值与日降水量呈现非线性的关联。降水过程分析表明，降水的pH值在降水首日之后有回归中间水平的倾向。
酸雨；降水pH；蚌埠市
关于蚌埠市酸雨污染特征，仍然有一些亟待解决的问题，例如雨水酸化程度在近十年有无显著的变化趋势，有无明显的季节变化特征，雨水pH与气象条件尤其是降水有何关联等等。对这些问题的回答需要对观测数据进行严格的统计分析。本文通过对蚌埠市2006年到2016年共11年的酸雨观测数据进行严格的统计分析，探讨蚌埠市酸雨的变化规律，以期为蚌埠市酸雨的防治工作提供参考。
1 资料与方法
1.1资料来源
本文采用中国气象局蚌埠国家基本站2006年1月到2016年12月的降水日酸雨观测数据。观测的要素包括日降水量、pH值，电导率(K值)以及风速风向，等等[6]。剔除了无效样本，共有767个酸雨观测样本。在2013年之前，观测点的经纬度为32°55′ N、117°23′ E；从2013年1月开始，观测站搬迁至离城区较远的新址，位置为32°51′ N、117°18′ E。
1.2酸雨分级方法
参照文献[7]，按照降水的pH值，将降水的酸化程度分成三个等级：非酸雨(pH>5.6)、酸雨(4.5
1.3趋势分析
本文对蚌埠市降水pH值的年际变化序列进行了趋势检验。趋势分析使用的方法是常用的Mann-Kendall检验。Mann-Kendall检验是非参数趋势检验方法，在水文、气象和环境等领域的时间序列有着较多的应用，已经成为趋势分析的标准方法之一。其计算过程不再赘述，相关的计算方法可以参考文献[8]。
1.4相关分析
相关分析可以描述两个变量之间的关联性。本文在分析降水量与降水pH值的相关性时，使用了两种相关系数，即Pearson相关系数和Kendall相关系数。由于Pearson相关系数十分常用，其计算方法不再赘述。Kendall相关系数的计算方法简述如下。对于样本(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(Xn，Yn)，Kendall相关系数τ为[9]：
式中：
2 结果分析
2.1降水pH值的年际变化
以往研究大都是计算酸雨的年平均pH值(按照降水量加权)。考虑到计算pH平均值会丢失其统计分布信息，所以本文用箱线图来对酸雨不同场次pH值的分布情况进行可视化。箱线图可以表示数据的分布情况，其绘图方法是基于样本的分位数，即Q1(下四分位数)、Q2(中位数)和Q3(上四分位数)。图1是蚌埠市降水pH值的年际变化的箱线图。在图1中，箱线图的箱子的下边线、中线和上边线分别代表Q1、Q2和Q3。其中箱子的长度就是四分位数间距(inter-quartilerange，IQR)。箱子上下两侧的须延伸到距箱子边缘距离小于1.5 IQR的最远的样本点的位置，而其他更远的样本点作为离群点画出。此外，图1也绘制了年平均pH值(折线)。本文其他箱线图的作图方法与图1相同。
从图1可以看出，近十一年来，蚌埠市降水的酸化情况值得重视。从中位数水平来看，有四年都处于酸雨等级中，其中2014年是酸雨程度最为严重的一年，上四分位数也处于酸雨等级之下，也就是说大于75%的降水日都是酸雨，此外还有5个强酸雨样本。从年均pH值来看，绝大多数年份的pH值都处于酸雨范围之中。
从年际变化来看，蚌埠市降水pH值没有明显的年际变化趋势。我们做了Mann-Kendall趋势检验，标准化的Z统计量为1.9，P值为0.062。也就是在0.05的显著性水平上无法拒绝原假设(无趋势)。但是也应该看到，P值比较接近0.05，有微弱的证据支持pH值增加的趋势的存在，所以还需要进行后续观察。
2.2降水pH值的逐月分布
为了得到降水pH值的逐月分布情况，这里给出了降水pH值的逐月分布图(图2)。从图2可以看出，蚌埠市降水的pH值有着明显的季节变化的特征。从5月份开始，pH值开始上升，而6、7月份的pH值达到了全年最大，8月份开始下降。整体来说，pH值呈现出夏季高，其他季节低的现象。也就是说春季、秋季和冬季酸化严重，而夏季酸化相对不严重。这些规律与文献[2]的结论一致[2]。造成这种现象的原因可能是夏季的降水量较大，而冬季的降水量较小，而较大的降水量可以稀释空气中的污染物质。
图2 蚌埠市逐月的日降水pH值(箱线图)和平均pH值(折线图)(横线对应着pH值为4.5和5.6的水平)
2.3 pH值与降水量的关系
降水量的大小被认为是影响酸雨程度的潜在因素。根据杨允凌等[7]的研究，降水的pH值随着降水量的变化不明显。考虑到降水量与pH值之间可能不存在简单的线性关系，图3中给出了降水量与pH值的散点图及其平滑曲线。平滑的方法是局部加权回归方法，其中拟合每个数据点使用的样本比例为60%。从图3中的平滑曲线可以看出，在降水量为16.6 mm的位置，有着一个明显的全局最小值。当降水量小于16.6 mm时，pH随着降水量的增大而减小；当降水量大于16.6mm时，pH随着降水量的增大而增大。也就是说，降水pH值与降水量的大小存在着非线性的关联。
图3 降水量与pH值的散点图及其平滑曲线(竖线为平滑曲线最小点对应的位置)
为了验证这个结果，我们对降水量小于和大于16.6 mm的子样本分别进行相关系数检验，其结果见表1。表1给出了两个降水量区间的Pearson相关系数和Kendall相关系数，以及对应零相关假设检验的P值。从表1可以看出，对于降水量在16.6 mm以下的情况，pH值与降水量有着负相关(其中Pearson相关系数在0.01水平上式显著的)。而对于降水量在16.6 mm以上的情况，pH值与降水量有着正相关(但是不显著)。所以，pH值与降水量的这种非线性关联是需要注意的。需要注意的是，本文关于pH值与降水量的研究结果与以往的文献有所不同。文献[10]发现了pH与降水量之间的负相关关系，但是没有发现图3中体现的非线性效应。其中的物理机制还需要深入地研究。
表1 不同降水量区间pH值与降水量的相关系数检验
2.4降水过程pH变化规律
关于每场降水pH值随着时间的变化规律，之前的研究也有所涉及。邵德民等[11]发现可以将降水pH值随着时间的变化分为三类：即先下降后上升、一直下降、一直上升。笔者将降水持续两天以上的样本选出，绘出每次过程前三天的pH值变化过程。之所以选择前三天，是因为三天以上的场次样本量太少，使得其数据没有代表性。将这些降水场次的样本按照首日pH值划分为8个区间，分别绘出。从图4可以看出，首日降水的pH值会影响之后一到两天的pH值变化。对于初日降水偏酸的情况，之后pH值有着更大的概率回归到更高的pH值；而对于初日降水pH值偏高的情况，之后的pH值有着更高的概率降低。
根据图4的提示，我们绘制了次日pH值相对于首日pH值的变化量与首日pH值之间的散点图(图略)，发现两者之间有着很好的负相关关系。这就验证了在一个降水场次中，过高或者过低的初始pH值在经过一天的降水过程以后，pH值有回归中等水平的倾向。
图4 不同初始pH值的降水过程对应的pH值变化过程(子标题是首日降水pH值范围，粗线是平均pH变化过程)
2.5降水pH值与风向的关系
在研究风向的影响时，我们发现当风向为偏西南风时，降水pH值较高，而当风向为偏北风时，降水pH值较低(图略)。需要注意的是不同季节的主导风向不同，所以我们分别研究了不同月份对应的pH值和风向之间的关系，发现风向与pH值之间没有明确的关系。所以风向与降水pH值之间的关系反映的仍然是季节变化特征。
3 结论
通过对蚌埠市2006-2016年降水pH值的统计分析，我们可以得出以下结论：
1) 整体上看，蚌埠市的降水处于中等酸化水平。年pH值中值水平有相当比例处于酸雨区间中(pH<5.6)。从年际变化来看，没有明显的趋势成分。
2) 从季节变化来看，夏季酸化程度较低，而其他三个季节两季酸化较为严重。
3) 蚌埠市降水pH值与日降水量呈现出非线性的关联。随着降水量的增加，pH值先减小后增加。
4) 根据对降水场次的pH变化过程分析，发现降水pH值在降水首日之后有回归中间水平的倾向。
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(责任编辑：熊文涛)
StatisticalAnalysisofRainwaterAcidificationinBengbufrom2006to2016
Chen Yuqiao1, Meng Wenchang1, He Ranran2, Zhu Lanbao2
(1.BengbuBureauofMeteorology,Bengbu,Anhui233030,China; 2.ExperimentCenterofEnvironmentalScience,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030,China)
Acidification of rainwater is one of the important environmental problems in China. The statistical characteristics of the rainwater acidification in Bengbu are analyzed based on rainwater pH data and ground meteorological data from 2006 to 2016. It is found that pH values of Bengbu's rainwater are within the grade of acid rain. No annual trend has been detected in the pH values of rainwater based on the Mann-Kendall test. The pH of rainwater evidently reveals seasonal variation which appears to be higher in summer and lower in other seasons. Results based on the local linear regression and correlation analysis show that there is a nonlinear relationship between daily precipitation and rainwater pH. Based on the analysis of rainfall processes, it is found that the pH value after the first day has the tendency to return to the normal level.
acid rain; pH of rainwater; Bengbu
X517
A
2095-4824(2017)05-0032-05
2017-08-05
陈玉乔(1973- )，女，安徽蚌埠人，蚌埠市气象局工程师。
蒙文昌(1980- )，男，广西藤县人，蚌埠市气象局工程师。
