黄金颖，张 虹，赵 然，孙小林

（1.天津市蓟州区气象局，天津 301900；2.天津市蓟州区预警信息发布中心，天津 301900）

酸雨是降水酸碱度（pH值）小于5.6的大气降水。相关研究表明，酸雨可以危害地表生态系统和人体健康、加速材料腐蚀，对人们日常生活和生产活动造成广泛、持续的不良影响。我国酸雨空间分布特征复杂，不同地区、不同时期酸雨污染程度不同。解淑艳等对全国酸雨状况进行研究，发现近年来全国降水酸度明显降低。蒲维维等、周贺玲等、徐梅等对京津冀等地区酸雨变化特征研究分析表明，近年来酸雨污染呈下降趋势，且季节变化明显。乔晓燕等对北京市酸雨特征进行分析，发现酸雨发生频率在夏季和秋季明显高于春季和冬季。徐梅等对1992—2012年天津市酸雨变化特征进行研究，发现天津市降水pH月均值呈现明显季节性变化，春季高、冬季低。

蓟州区位于天津市最北部,是天津市唯一的山区，山青水美，风光秀丽，有京津“后花园”之美誉。居京津唐承四市之腹心。蓟州区地势北高南低，呈阶梯分布，北部群山连绵起伏，满目青翠；南部平原土地肥沃，盛产稻麦杂粮。蓟运河、州河、泃河纵横交错，水资源丰富。蓟州区是国家全域旅游示范区、国家生态文明建设示范区，大气环境质量关注度高。目前对蓟州地区的酸雨研究较少，本研究利用2009—2021年蓟州区国家观测站的观测资料分析了酸雨的变化特征及气象条件对酸雨的影响，为蓟州地区生态环境治理，防治酸雨提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料来源

本研究使用2009年1月—2021年12月蓟州国家气象观测站的酸雨日观测材料。观测要素主要包括降水时段、降水量、降水pH值、电导率K值、10 min风向、风速等气象资料，并经数据质控剔除无效数据，确保数据资料的准确性和代表性。

1.2 研究方法

大气降水的酸碱度用pH值表示。酸雨是降水pH值小于5.6的大气降水。pH值的定义为氢离子浓度的负对数，是无量纲量。计算公式如下：

式中，c(H)为氢离子浓度，单位为摩尔每升（mol·L）。

大气降水的导电能力反映大气降水的洁净程度，大气降水电导率俗称K值，单位为μs·cm。计算公式如下:

式中，Q为电极常数，单位为cm；R为电阻，单位为Ω。

平均降水pH值是对某一时段内（月、季、年）所有的日降水pH值和对应的日降水量进行氢离子浓度-雨量加权平均计算的结果。

降水pH值和电导率的计算方法采用中国气象局《酸雨观测业务规范》(2005)中的方法。

酸雨发生频率（F）是某一时段内（月、季、年），日降水pH值小于5.6的次数占该时段内所有酸雨观测次数的百分率。计算公式如下:

式中，N为该时段内日降水pH值小于5.6的次数，NT为该时段内所有酸雨观测次数。

气象行业标准《酸雨和酸雨区等级》规定按照日降水pH值，将酸雨划分为较弱酸雨、弱酸雨、强酸雨和特强酸雨（表1）。

表1 酸雨等级（日降水的酸雨强弱程度的等级）

按照单站某一时段（月、季、年）内酸雨频率，将酸雨频率划分为酸雨偶发、酸雨少发、酸雨多发、酸雨频发和酸雨高发（表2）。

表2 酸雨频率等级

2 结果与分析

2.1 降水pH值及K值变化情况

2.1.1 年变化情况2009—2021年蓟州地区降水pH值和K值的逐年变化特征如图1、图2所示，年平均pH值呈逐年增大的趋势，降水酸度逐年减弱；年最大pH值无明显变化，均在7～8之间变化；年最小pH值变化较大，2017—2021年各年最小pH值较2009—2016年各年最小pH值有增大的趋势，并且在2018年出现峰值。原因主要是2018年所有日降水pH值均大于5.6，这一年未出现酸雨。近年来蓟州区降水年平均pH值变化表明降水酸度明显降低，酸雨污染情况明显改善。

图1 2009—2021年蓟州观测站降水pH值变化

图2 2009—2021年蓟州观测站降水K值变化

对降水K值各指标的逐年变化分析发现，2017—2021年各年平均K值和年最大K值较2009—2016年均有减小态势，年最小K值在2014年后也整体呈现减小的趋势，分析结果表明近年来蓟州降水洁净程度越来越好，进一步说明大气等外界环境条件污染程度越来越小，环境明显改善。

2.1.2 季节变化情况 随着季节的变化，降水pH值均发生一定程度的变化（表3），2009—2021年蓟州不同季节降水平均pH值变化规律为春季＞冬季＞夏季＞秋季，各季节平均K值变化规律为春季＞冬季＞夏季＞秋季，各季节中秋季降水平均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。从各季节最小pH值和最小K值变化规律发现，最小pH值为和最小K值均出现在夏季，夏季日降水最小pH值为3.68，属于特强酸雨等级，夏季日降水最小K值仅为5.1，说明在夏季容易出现较强酸雨等级的降水，且受污染最小的降水过程一般出现在夏季，由于夏季降水较多，对大气中的污染物清除作用较明显。

表3 降水pH值、K值季节变化情况

2.1.3 月变化情况 从图3各月的降水pH值变化趋势分析发现，各月平均pH值整体呈逐月下降趋势。平均pH值最低值出现在9月；各月降水最大pH值在12月数值最低，为6.97。最小pH值变化起伏较大，在8月值最低，为3.68。这表明一年各月降水酸度最强，单次过程降水酸度最强的均出现在下半年。

图3 蓟州观测站降水pH值月变化

各月降水K值各指标差异变化分析发现，7—8月月平均降水K值、月最小K值在全年各月中均较小，因蓟州7—8月降水日数最多，且单次过程的降水量较大，由此可见，降水次数和降水量越多，对空气的净化作用越明显（图4）。

图4 蓟州观测站降水K值月变化

2.2 酸雨等级和频率变化特征

2.2.1 年变化特征 通过对2009—2021年逐日降水pH值分析发现，酸雨年发生次数和频率有明显下降趋势（图5），后，2009—2014年每年平均酸雨次数为19 d，发生频率在23%～51%之间，属于酸雨频发到多发，而2015—2021年每年平均酸雨次数3 d，发生频率在0～10%，属于酸雨偶发到少发。

图5 2009—2021年蓟州观测站酸雨次数和酸雨频率

通过对各个酸雨等级逐年变化分析，大部分年份较弱酸雨等级是发生次数最多的，特强酸雨等级发生次数最少（表4）。由此可见，蓟州发生的酸雨多为较弱酸雨等级，且各个酸雨等级均呈逐年递减态势，说明蓟州区近年来酸雨发生情况明显改善。

表4 2009—2021年蓟州观测站各酸雨等级发生次数

2.2.2 月变化特征 由图6和图7可知，酸雨发生频率最高集中在8—11月，发生频率均在30%以上，9月发生频率最高为34%，1月未有酸雨发生，为发生酸雨频率最低月份，其次为2月，发生频率为4%。较弱酸雨发生次数最多的月份为8月，弱酸雨发生最多的月份为7月，强酸雨发生次数最多的月份为9月，特强酸雨发生次数最多的月份为8月。

图6 蓟州观测站酸雨频率的逐月变化图

图7 蓟州观测站酸雨频率及各酸雨等级发生次数的逐月变化

2.3 酸雨与气象条件的关系

2.3.1 酸雨与降水量的关系 按酸雨观测规范，降水量达到1.0 mm才可进行酸雨测量，同时本研究结合24 h降水量等级划分，将降水划分小雨（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），蓟州近13年未发生特大暴雨，且发生大暴雨次数仅为3次，样本数量太少，故本研究对大暴雨和特大暴雨的pH值、K值不进行分析。对不同降水等级的平均pH值、平均K值及酸雨频率变化情况进行分析得出，不同降水等级其降水pH值、K值和发生频率均存在一定程度的差异，其中小雨量级的平均pH值为6.54，随着降水量级的增加，降水pH值也逐渐降低，其中暴雨量级的pH值最低为5.63。K值随降水量级的增大逐渐降低，雨量越大对空气的净化作用越明显。降水量在250 mm以内，酸雨发生频率随降水量的增大而逐渐增多，其中暴雨中酸雨发生频率最高为53.3%（表5）。

表5 2009—2021年蓟州区不同降水量级的平均pH值、K值和酸雨频率

2.3.2 酸雨与定时风向风速的关系 对2009—2021年蓟州日降水pH＜5.6的定时（2、8、14、20时）地面风向风速进行分析，发现酸雨发生日风向多为东风、其次为东北偏东风、东南偏东风，风向整体以偏东风为主，这3种风向占全部风向的43%，平均定时风速为1.5 m·s，蓟州地区偏东风对酸雨发生的贡献率最大。

3 结论与讨论

本研究发现，近年来降水pH值呈升高态势，且发生的酸雨多为较弱和弱酸雨等级，春季降水平均pH值最高，这些结论均与徐梅等对天津市酸雨变化研究结论一致。此外，本研究对降水pH值进行分析的同时，增加对降水K值的研究，从不同时间尺度进行分析，研究结果如下：

（1）2009—2021年以来，蓟州区降水酸度明显降低，且降水洁净程度越来越好，酸雨污染情况明显改善，说明蓟州区近年来大气环境质量治理效果显著。

（2）本研究从日降水pH值和K值的极值分析来看，蓟州地区夏季容易出现较强酸雨等级的降水，且受污染最小的降水过程一般也出现在夏季。

（3）从酸雨各月发生频率分析得出，8—11月是酸雨多发期，1—2月为酸雨偶发期。

（4）本研究通过对酸雨发生的降水量和风向风速分析，发现蓟州地区暴雨是酸雨发生频率最高的量级，偏东风对酸雨发生的贡献率最大。

酸雨的发生受多种因素的综合影响，本研究对蓟州区2009—2021年酸雨发生时间规律进行分析，其研究成果对蓟州区防治酸雨和环境治理具有一定的参考作用。