宜昌市酸雨的年季变化特征分析

2018-02-03王海燕毛成忠

现代农业科技 2018年1期

王海燕+毛成忠

摘要利用宜昌市1994年1月至2007年2月的酸雨观测月数据文件，分析了酸雨的年际变化和季节变化特点。结果表明，宜昌市夏季酸雨污染最轻，冬季、春季酸雨污染最重；1998—2006年降水的酸性减弱趋稳；2000—2006年，中雨、大雨、暴雨的洁净程度越来越差；2001年以前，降水pH值和K值各季节之间的变化和各季节的年际变化明显，有明显的变化周期；2001年以后，降水pH值和K值各季节之间的变化和各季节的年际变化差异均减小，没有明显的变化周期。

关键词酸雨；pH值；K值；年變化；季变化；特征分析；湖北宜昌

中图分类号 X517 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）01-0213-04

Analysis on Annual and Seasonal Change Characteristics of Acid Rain in Yichang City

WANG Hai-yan 1 MAO Cheng-zhong 2 *

（1 Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan Hubei 430074； 2 Yichang Meteorological Bureau）

Abstract Using the seasonal observation data of acid rain in Yichang City during January 1994 to February 2007，the seasonal and annual change characteristics of acid rain were analyzed in this paper.The results showed that the acid rain pollution of Yichang City was the lightest in summer，and the severest in winter and spring.The acid of precipitation decreased from 1998 to 2006.The clean degrees of moderate rain，heavy rain and rainstorm were increasingly poor during 2000-2006.Before 2001，the seasonal and annual change of pH value and K value was obvious，with obvious periodic change.After 2001，the differences of pH value and K value between seasonal change and annual change were decreasing，and there was no obvious periodic change.

Key words acid rain；pH value；K value；annual change；seasonal change；characteristics analysis；Yichang Hubei

酸雨是因人类活动（或火山爆发等自然灾害）导致区域降水酸化的一种污染现象，对公众健康、工农业生产、生态环境以及全球变化都有重要的影响[1]。酸雨形成的机制很复杂，Fran Parungo等[2]认为酸性的云滴不需要冻结成冰可直接形成沉降雨滴，且保留了原云滴的酸性，而不会稀释水汽凝结体中的要素；张霞等[3]发现湖北西部城市酸雨具有典型的硫酸性特征。酸雨的时空分布和影响危害也十分复杂，我国大部分地区均有不同程度的酸雨污染现象[4-5]；李正泉等[6]发现浙江临安1985—2012年期间的酸雨总体呈增加趋势；杜光智等[7]认为湖北地区的酸雨主要发生在西部地区的襄樊、荆门、恩施、宜昌和沿江及江南地区；吴文婷等[8]发现2007—2011年广东梅县降水的年平均pH值为4.70～5.00， 5年降水总体呈弱酸性；李明桃[9]通过上海地区的实例分析了酸雨对环境造成的危害；张国正等[10]研究江苏淮北地区大豆受酸雨影响平均灾损率为8%～20%；冯继广等[11]认为酸雨导致土壤酸化，对土壤微生物代谢活动、植物地上地下生长以及凋落物分解等产生影响，进而影响土壤呼吸；张宇飞等[12]则认为适度酸雨可增加茶树幼嫩器官N含量和N/P，改变茶树体N、P的循环和平衡；于浩等[13]发现接种外生菌根真菌是减轻酸雨对马尾松危害的一个重要途径。

本文利用1994年1月至2007年2月宜昌市酸雨观测资料，对酸雨的年际趋势和季节变化特征进行分析和讨论。

1 资料与方法

1.1 术语和单位

1.1.1 酸雨。大气降水的形式包括雨、雪、雹等。酸雨是指pH值<5.60的大气降水，一般将pH值<4.50的大气降水称为强酸雨[1，14]。

1.1.2 大气降水的pH值。大气降水的酸碱度用pH值表示，pH值的定义为氢离子浓度的负对数，为无量纲量。

pH=-lg[H+]（1）

式（1）中，[H+]为氢离子的体积摩尔浓度，单位为mol/L。

pH平均值的计算采用氢离子浓度[H+]-降水量加权法，即将每次降水的pH值换算成氢离子浓度后，乘以相应的降水量，求得平均氢离子浓度，再取负对数：

1.1.3 大气降水的电导率K值。大气降水的导电能力反映大气降水的洁净程度，用电导率度量，其定义为通过电导测量池中待测溶液的电流密度（单位为A/m2）与施加其上的电场强度（单位为V/m）之比。电导率的单位为S/m，常用单位为μS/cm。大气降水的电导率也俗称为K值（以下简称为K值）。K平均值的计算也采用降水量加权法：

1.1.4 酸雨出现率。酸雨出现率是指pH值<5.60的次数占总采样观测次数的百分比。

1.2 资料来源

本文所用资料为宜昌市1994年1月至2007年2月酸雨观测月数据文件，包括降水过程起止时间、降水量、pH值和K值。

1.3 小波分析方法

小波分析方法在时域和频域上同时具有良好的局部性质，可以分析出时间序列周期变化的局部特征，从而能更清楚地看到各周期随时间的变化情况，因而在气候分析中得到广泛的应用[15-16]。本文采用標准Morlet小波来分析1994年1月至2007年2月共158个月的pH值和K值的主要周期变化。其小波函数为：

2 结果与分析

2.1 酸雨、pH值和K值的年际变化

2.1.1 酸雨出现率及发生频次的年际变化。由图1可知，1994—1999年，酸雨的出现率维持在80%左右；2000年，酸雨出现率最低；2001—2006年，酸雨的出现率缓慢回升，继续维持在80%左右。由图2可知，1998年、2002年，酸雨发生次数最多，为78次。2001年、2005年，酸雨发生次数最少，仅发生了50次。pH值<4.50的酸雨在1996年发生次数最多，发生了63次；在2005年发生次数最少，仅发生了16次。总的来看，pH值<4.50的酸雨发生频次在1999—2006年的年发生频次均≤45次，少于1994—1999年。

2.1.2 pH值和K值的年际变化。图3是pH值与K值的年际变化图。可以看出，1994—2006年，pH值均<5.0。1994—1998年，pH值逐年变化幅度大，且均<4.5，降水的酸性严重；1999—2000年，pH值陡增，降水的酸性减弱；2001—2006年，pH值减小且逐年变化平缓，维持在4.5左右，降水的酸性仍较强。1994—2001年，K值逐年变化幅度大；2002—2005年，K值减小且逐年变化平缓，维持在55 μS/cm左右；2006年，K值又陡升到82.3 μS/cm。

2.1.3 不同降水等级下pH值和K值特征及年际变化。Liu等[17]研究了干、湿环境2种方案，认为当降水率超过1 mm/h时，降雨对硫酸盐的冲刷作用将远远超过干沉降过程。李正泉等[6]认为小雨时强酸雨发生频率高、弱酸雨发生频率低，而暴雨时弱酸雨发生频率高、强酸雨发生频率低。为了分析宜昌市不同降水量等级下的pH值与K值变化特征，本文按每次采样测量的累计雨量的大小（等级）不同，分别统计对应的pH值与K值的平均值（表1），并直观地用图4、图5显示其特征。

从图4可知，pH值从大到小依次为小雨>暴雨>中雨>大雨；从年际变化看，小雨、中雨、大雨、暴雨的pH值均从1998年开始缓慢升高。从图5可见，K值从大到小依次为小雨>中雨>大雨>暴雨；从年际变化看，中雨、大雨、暴雨的K值在2000年前递减，2000年后递增。

综上，小雨的酸性最弱但最不洁净，暴雨的酸性较弱但最洁净，大雨的酸性最强且较洁净。各降水等级下，1994—1998年酸雨呈增强趋势（pH值呈减小趋势），1998—2006年酸雨呈减弱趋势（pH值呈增大趋势）。1995—2000年中雨、大雨、暴雨的洁净度有变好的趋势，而2000—2006年中雨、大雨、暴雨的洁净程度有变差的趋势。

2.2 pH值和K值的季节变化

2.2.1 各季节pH平均值的逐年变化。宜昌市以3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分别划分为春、夏、秋、冬四季。图6是宜昌市1994—2006年各季节降水pH平均值的年际变化曲线。从整体上看，除了1996年、1998年和2005年以外，pH夏季值高于或接近其他季节值；除了1996年、1998年及2000年以外，pH冬季值低于其他季节值；除1996年、2000年外，pH冬季值始终低于夏季值。这可能是因为夏季降水量大，大气中硫和氮的氧化物受到大量雨水的冲刷稀释使降水酸度降低；冬季由于空气扩散条件变差[18]，大气中硫和氮的氧化物浓度较高，加之降水量小，雨水冲刷效应减弱，致使降水酸度升高。

由图6还可看出，2001年以前，各季pH值变化差异明显，各季pH值逐年变化波动较大；2001年以后，各季pH值变化差异减小，各季pH值逐年变化趋于平缓，pH值维持在4～5之间。

2.2.2 K值季节平均的逐年变化。图7是宜昌市1994—2006年各季节降水K平均值的年际变化曲线。从整体上看，四季变化曲线中，夏季是变化最平缓的，K值在35～60 μS/cm之间；除了2003—2005年，夏季的K值均低于冬季，这可能与夏季降水量大的冲刷稀释作用有关。以2001年作为分界点，2001年以前，K值各季节之间的变化和季节随年的变化非常明显；2002—2004年，各季节间K值变化差异减小，各季节的逐年变化趋于平缓，维持在50 μS/cm左右；2005—2006年，夏、秋2季的K值缓慢上升，冬、春2季的K值在2005年下降，2006年陡升。

2.2.3 pH值、K值多年季节平均值的比较。由表2可知，夏季的pH值最高，K值最低；秋季、冬季的pH值最低，冬季K值最高；春、秋2季K值介于冬、夏2季之间。即夏季污染最轻，冬季、春季污染最重。这主要与冬季、春季的大气扩散条件较差、降水量相对较小有关。

2.3 pH值和K值的周期诊断

图8是pH值的小波分析图。可以看出，1996年、1997年和1999年分别有3～6个月的变化周期；1998—2001年，pH值有24～30个月的变化周期；2001年以后，pH值无明显的变化周期。这与图3指出的2001年以后，各季节之间pH值的变化和各季pH值逐年变化幅度趋于平缓有关。

图9是K值的小波分析图。可以看出，1995和1996年分别有3个月的变化周期；1995—2001年，K值有12个月的变化周期；2001年以后，K值没有明显的变化周期。这与图4指出的2001年以后，各季节之间K值的变化和各季K值逐年变化幅度趋于平缓有一定的关系。

综上所述，1998—2001年，pH值有24～30个月（即2.0～2.5年）的变化周期；1995—2001年，K值有12个月（即1年）的变化周期；2001年以后，pH值和K值没有明显的变化周期。这也可能与资料的时间长度有关。

3 结论

（1）除了2000—2001年，其余年份酸雨的出现百分率基本维持在80%左右。1999—2006年强酸雨的发生频次较1994—1998年有所减少。1994—2001年，降水的pH值和K值变化起伏较大；2001—2005年，pH值和K值变化较稳定；2006年，pH值陡减，K值陡增。

（2）1998—2006年小雨、中雨、大雨、暴雨的酸性越来越弱；2000—2006年，中雨、大雨、暴雨的洁净程度越来越差。小雨的酸性最弱但最不洁净，暴雨的酸性较弱且最洁净，大雨的酸性最强且较洁净。

（3）夏季pH平均值最高、K平均值最低；秋季、冬季pH平均值较低、K平均值较高；春季K值为次高值。2001年以前，pH值和K值各季节间的变化和各季节的逐年变化非常明显；2001年以后，pH值和K值各季节间的变化差异减小，各季节的逐年变化趋于平缓。

（4）1998—2001年，pH值的变化周期为2.0～2.5年；1995—2001年，K值的变化周期为1年；2001年以后，pH值和K值均没有明显的变化周期。

4 参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.酸雨观测规范：GB/T 19117-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[2] FRAN PARUNGO，CLARENCE NAGAMOTO，ROBIN MADEL.A study of the mechanisms of acid rain formation[J].Journal of the Atmospheric Sciences，1987，44（21）：3162-3174.

[3] 张霞，李兰，魏静.湖北西部城市酸雨特征及其与气象条件的关系[J].暴雨灾害，2007，26（2）：175-178.

[4] 汤洁，徐晓斌，巴金，等.1992—2006中国降水的酸度的变化趋势[J].科学通报，2010，55（8）：705-712.

[5] 解淑艳，王瑞斌，郑皓皓.2005—2010年全国酸雨状况分析[J].环境监控与预警，2012，4（5）：33-37.

[6] 李正泉，马浩，毛裕定，等.临安本底站酸雨长期观测特征分析[J].环境科学，2014，35（2）：481-489.

[7] 杜光智，黄晓华，黄霞，等.湖北省酸雨的时空分布规律及成因分析[J].长江流域资源与环境，2003，12（4）：377-381.

[8] 吴文婷，林涛，刘蕾，等.梅县酸雨观测分析[J].现代农业科技，2013，607（17）：265-267.

[9] 李明桃.酸雨对环境的危害分析[J].现代农业科技，2014，633（19）：253-254.

[10] 张国正，吴洪颜，何小红，等.酸雨对江苏淮北地区大豆产量影响的研究[J].大豆科学，2016，35（2）：251-256.

[11] 冯继广，宋彦君.模拟酸雨对土壤呼吸影响的研究进展[J].广西植物，2017，37（4）：533-540.

[12] 张宇飞，方向民，陈伏生，等.模拟酸雨对红壤区茶树器官氮磷含量及其化学计量比的影响[J].应用生态学报，2017，28（4）：1309-1316.

[13] 于浩，陳展，尚鹤，等.野外模拟酸雨胁迫下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗的缓解作用[J].生态学报，2017，37（16）：5418-5427.

[14] 赵艳霞，侯青.1993—2006年中国区域酸雨变化特征及成因分析[J].气象学报，2008，66（6）：1032-1042.