瓦里关大气降水的化学特征
2014-09-09张占峰王红磊德力格尔朱彬
张占峰,王红磊,德力格尔,朱彬
(1.中国大气本底基准观象台,青海 西宁 810001;2.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044)
瓦里关大气降水的化学特征
张占峰1,王红磊2,德力格尔1,朱彬2
(1.中国大气本底基准观象台,青海 西宁 810001;2.南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044)
降水化学;pH值;电导率;水溶性离子;瓦里关
0 引言
大气降水过程是颗粒物和污染气体从大气中去除的重要方式之一(Samara and Tsitouridou,2000),因而降水中化学组分的分布在一定程度上可以反映大气颗粒物和气体的污染特征。近年来世界各地开展了大量的降水化学研究(Kulshrestha et al.,2003;Zunckel et al.,2003;Migliavacca et al.,2005;Tu et al.,2005;Huang et al.,2008;Cao et al.,2009)。目前我国对湿沉降(降水)的研究主要集中于城市地区。汤洁等(2007)、牛彧文等(2008)研究发现,深圳降水中的离子浓度受海洋的影响较大;郑凤琴等(2007)研究发现,大气环流对降水化学组分的影响较大;胡敏等(2005)研究发现,降水前后颗粒物离子浓度存在显著差异;郑有飞等(2007)、高俊等(2012)的研究表明,南京市江北工业区的硫污染在减弱,而氮氧化物污染在逐渐加强。徐敬等(2008)、汤洁等(2010)利用上甸子本底站的降水资料,揭示了华北区域本底阶段性降水成分特征和酸雨的变化趋势。石春娥等(2013)研究了黄山光明顶降水的酸度和电导率。然而,针对区域尺度背景地区降水化学特征的系统研究还较少。
1 资料和方法
资料来源于瓦里关本底台观测的共235个降水样品。降水样品由人工采集,pH值用精密的pH计测定,精度为±0.01;离子分析由中国气象科学研究院大气化学实验室完成。按照WMO-GAW关于降水化学观测的要求采样,采样分为周采样和日采样两种方式,即11月第一周到次年4月最后一周为周采样,其余时段为日采样。每天09:00收取和安放采样袋。
2 结果分析
2.1 降水pH值和电导率
2.1.1 降水pH值
由表1可知,2007—2009年在瓦里关采集的235个有效降水样品中,分析了195个样品的pH值,pH值的范围为4.65~8.50,平均值为6.60。2007年91个样品的pH值范围为4.67~8.02,中值为6.53;2008年73个样品的pH值范围为4.65~8.50,中值为6.70;2009年31个样品的pH值范围为5.62~7.76,中值为6.71;1997年瓦里关的pH值为6.38(汤洁等,2000),说明2007—2009年瓦里关大气降水pH值呈上升的趋势。
表1降水量、pH值和电导率的分析结果
Table 1 Analysis results of precipitation,pH value and conductivity
年份最大值最小值中值标准偏差样品数加权平均值降水量/mm200716.900.101.302.901102.40200819.900.101.204.10882.90200910.500.100.902.20371.602007—200919.900.101.103.302352.50电导率/(μs·cm-1)200770.203.1612.6416.017414.392008166.102.1114.1927.395713.562009101.307.1621.0024.692224.322007—2009166.102.1113.8022.3415315.08pH值20078.024.676.530.67916.3020088.504.656.700.84736.2020097.765.626.710.61316.612007—20098.504.656.600.741956.29
将pH<5.6的降水定义为酸性降水,pH值在5.6~7.0为中性降水,pH>7.0为碱性降水。由图1可知:2007—2009年pH值在4.6~5.6之间的降水样品共有12个,酸雨概率为6.15%,其中2007年有5个样品,2008年有7个样品,酸雨概率分别为5.49%和9.59%,2009年未出现pH<5.6的降雨样品;PH值在5.6~7.0的降水样品共有127个,占总降水的65.13%,其中2007年67次,占降水的73.63%,2008年41次,占降水的56.16%,2009年19次,占降水的61.29%;PH>7.0的降水样品共有56个,占降水的28.72%,其中2007年19次,占降水的20.88%,2008年25次,占降水的34.25%,2009年12次,占降水的38.71%。说明瓦里关降水以中性降水为主,其次是碱性降水,酸性降水最少。
图1 瓦里关降水样品概率分布(长方形上方数字为样品数量)Fig.1 Probability distribution of precipitation samples in Waliguan(sample amounts above the rectangles)
图2 电导率与离子浓度(a)以及离子正负电荷间(b)的相关关系Fig.2 Correlations (a)between conductivity and total ions concentration,(b)between positive ion and negative ion
2.1.2 降水电导率
电导率可以判断降水中所含电解质的多少,在一定程度上能反映出降水的污染程度。由表1可知,2007—2009年测量的153个有效电导率的变化范围非常大,最小仅为2.11 μs/cm,最大可达166.10 μs/cm,平均值为15.95 μs/cm;由图2a可知,电导率与总离子浓度的相关系数高达0.94。2007、2008、2009年电导率平均值分别为17.94、22.49、29.82 μs/m,它们明显大于1997年的14.58 μs/cm(汤洁等,2000),电导率呈增加趋势,说明2007—2009年瓦里关降水已受到大气污染的影响。
2.1.3 pH值和电导率的月际变化
由图3可见,瓦里关pH值与降水量呈较好的负相关关系,pH值在1月最大,可达7.8,而对应降水量仅为2.7 mm。随着降水量的增加,pH值开始缓慢下降。4—10月降水量一直维持在较高水平,7月降水量达19.5 mm,pH值在此期间急剧下降。10月之后降水量明显下降,11月为3.6 mm,12月仅为2.3 mm,pH值开始呈升高趋势,10月PH值最小,为5.72,对应降水量为5.0 mm。上述分析说明,由于冬春季瓦里关降水量减少,造成大气降水的pH较高。这与汤洁等(2000)的研究结论一致。
电导率与pH值的变化基本相似,2—4月有明显的上升趋势,4月达到最大(80.92 μs/cm),主要原因是春季新疆、内蒙古和甘肃等地为沙尘天气多发区域,大气中含有较高的沙尘气溶胶,造成了春季大气降水中的电导率值非常高;9月达到最小(10.93 μs/cm),主要原因是夏秋季大量高频率的降水过程使得大气降水中的离子成分浓度降低。
图3 pH和以及降水量和电导率(b)的月际变化Fig.3 Monthly variations of (a)pH value and ratio of S and N,and (b)precipitation and conductivity
2.2 降水的水溶性离子组成
表2降水样品中主要离子浓度
Table 2 Main water-soluble ions concentration of precipitation samples μeq/L
离子最大值最小值中值标准偏差加权平均值Cl-738.870.4817.52106.5326.65NO-3208.760.8720.4228.5915.30SO2-4758.212.5647.2992.6846.69NH+4322.000.5040.6147.5338.65K+83.080.512.998.122.59Na+1134.780.8715.96127.1023.77Ca2+2950.0010.00103.58399.46112.82Mg2+554.171.6716.3259.1617.77
图4 瓦里关主要降水离子的月际变化Fig.4 Monthly variations of main water-soluble ions in Waliguan
年份最大值最小值中值标准偏差平均值200716.480.352.952.333.3820088.770.592.571.482.8820096.580.952.481.092.602007—200916.480.352.711.913.07
2.4 相关性
表4瓦里关主要降水离子间的相关系数及其与降水质量、电导率、pH值的相关系数
Table 4 Correlation coefficients among main irons of precipitation and their relations with precipitation quality,electrical conductivity,and PH value in Waliguan
Cl-NO-3SO2-4NH+4K+Na+Ca2+Mg2+Cl-0.591)0.771)0.090.821)0.941)0.841)0.871)NO3-0.801)0.561)0.691)0.551)0.721)0.641)SO42-0.381)0.811)0.811)0.841)0.841)NH4+0.201)0.010.070.04K+0.871)0.851)0.891)Na+0.841)0.911)Ca2+0.931)降水质量-0.201)-0.341)-0.261)-0.221)-0.261)-0.191)-0.271)-0.221)电导率0.791)0.711)0.861)0.182)0.881)0.831)0.901)0.901)pH0.501)0.451)0.471)0.110.481)0.461)0.581)0.551)
注:1)通过0.01信度的显著性检验;2)通过0.05信度的显著性检验.
3 结论
1)2007—2009年瓦里关降水的pH值范围为4.65~8.50,年平均值为6.60;pH值呈逐年升高的趋势。降水以中性降水为主,占总降水的65.13%,其次为碱性降水,酸雨最少。pH值在1月最大(7.8),10月最小(5.72),pH值与降水量呈较好的负相关关系;电导率的范围为2.11~166.10 μs/cm,年平均值为21.26 μs/cm,电导率与总离子浓度的相关系数高达0.94,年最大值出现在4月,最小值出现在9月,电导率呈上升趋势,说明2007—2009年瓦里关降水已受到大气污染的影响。
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(责任编辑:倪东鸿)
ChemistrycharacteristicsofatmosphericprecipitationinWaliguan
ZHANG Zhan-feng1,WANG Hong-lei2,DELI Geer1,ZHU Bin2
(1.China Global Atmosphere Watch Baseline Observatory,Xining 810001,China;2.School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China)
precipitation chemistry;pH value;conductivity;water-soluble ions;Waliguan
2013-07-19;改回日期2013-10-29
国家自然科学基金资助项目(40875978);江苏省“333”高层次人才培养工程项目(BRA2010121);江苏省“六大人才高峰”计划资助项目
张占峰,工程师,研究方向为大气化学与本底监测,ghfa@163.com
10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130719001.
1674-7097(2014)04-0502-07
X517
A
10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130719001
张占峰,王红磊,德力格尔,等.2014.瓦里关大气降水的化学特征[J].大气科学学报,37(4):502-508.
Zhang Zhan-feng,Wang Hong-lei,Deli Geer,et al.2014.Chemistry characteristics of atmospheric precipitation in Waliguan[J].Trans Atmos Sci,37(4):502-508.(in Chinese)