咸宁市与武汉市酸雨特征对比分析

贺莉微, 王能根, 彭习灿, 吴　琼

(1.咸宁市气象局, 湖北 咸宁　437100；2.南京信息工程大学, 南京　210044)

· 环境监测 ·

咸宁市与武汉市酸雨特征对比分析

贺莉微1, 王能根1, 彭习灿1, 吴琼2

(1.咸宁市气象局, 湖北 咸宁437100；2.南京信息工程大学, 南京210044)

通过对咸宁市3个酸雨监测站和武汉站2008年～2012年的酸雨资料进行分析，研究了咸宁和武汉的降水pH值、K值及酸雨频率的分布特征，及咸宁与武汉酸雨差异的可能成因分析。分析结果表明：咸宁和武汉酸雨总体呈现减弱趋势，强酸性降水的频率在减小,年平均pH值的大小与强酸性降水的频率呈负相关；pH值和K值大致上呈负相关；pH值呈明显的季节变化，大致上夏季pH值最大，冬季最小；pH值的大小与降水量有着密切关系，降水量越大，PH值越大；金沙站酸雨主要发生在风速2～6m/s，其他3个监测站发生在风速<3m/s的气象条件下；金沙站的污染物以输入性为主，而通山站的污染物主要本地的，嘉鱼站和武汉站介于两者之间，既有本地的也有输入的；武汉站与金沙站的日、月酸雨变化有着十分显著的相关性(通过ɑ=0.01显著性检验)，而季节相关性不明显。

酸雨；pH值；K值；酸雨频率；相关性

1　引　言

酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。酸雨不仅可以毒杀鱼类和其它水生生物，腐蚀建筑物，而且还能损害森林和农田，威胁人体健康[1]。目前, 酸雨与全球气候变暖、臭氧层破坏并列为世界3大生态环境灾难。中国已成为继欧洲、北美之后的世界第3大酸雨区[2]。酸雨对生态环境的危害十分显著，是一个全球性的环境问题，而咸宁作为湖北省新兴的旅游城市，地处华中酸雨区，因此开展咸宁市的酸雨特征研究很有必要，同时与武汉进行对比分析，研究咸宁的酸雨是否与上游武汉有关系[3]。

2　资料与方法

2.1资料概况

咸宁市嘉鱼、通山和金沙3个酸雨监测站和武汉站2008年～2012年酸雨资料。咸宁市的金沙站是国家大气本底站，海拔749.8m。其他3个监测站是国家基本气象站。

2.2酸雨观测方法

pH值：表示溶液酸性或碱性程度的数值，即所含氢离子浓度的常用对数的负值，酸雨观测采用氢离子浓度-降水量加权法计算降水PH值的平均值，PH值越小表示降水酸性越强，反之则越弱。

K值：电导率，表示物质的导电性能。水溶液的电导率高低相依于其内含溶质盐的浓度，或其它的会分解为电解质的化学杂质。水越纯净，电导率越低，反之越大，另外，水温也影响电导率，故观测中亦采用降水量加权法在25℃条件下计算降水电导率K值的平均值。在国际单位制中，电导率的单位称为西门子/米(S/m)。本文中电导率K值的单位为μS/cm。

3　酸雨分布特征

3.1pH值和K值的变化

根据常规定义，酸雨是指pH值<5.6的大气降水[4]。参考程新金等的研究，将降水酸度分为强酸性(pH值<4.5)、中度酸性(4.5≤pH值<5.0)、弱酸性(5.0≤pH 值<5.6)3个等级[5]。

对咸宁市嘉鱼、通山、金沙站及武汉站2008年～2012年酸雨资料进行分析发现[6,7](图1(a))，4个监测站2008年～2012年降水pH值年平均小于5.6，均是2008年～2009年pH值减小，2009年～2011年pH值又增大，2011年～2012年除武汉站继续增大外，其它3个监测站均减小。嘉鱼和通山两个测站2009年～2011年pH值增幅较大，金沙和武汉站pH值增幅较小。4个监测站中，通山站2010年之前为中度性酸雨，2010年之后为弱酸性酸雨，降水pH值均值为5.0；其他3个监测站为强酸性酸雨，嘉鱼站的降水酸性最强，pH值均值为4.0。

图1　2008年～2012年降水pH值(a)和K值(b)年平均变化趋势Fig.1　Average annual change trend of precipitation pH value and K value from 2008 to 2012

由图1(b)可以看出，嘉鱼、金沙和武汉站K值均是高低交替变化，2010年前变化幅度较大，2010年之后变化幅度较小；通山站变化幅度大，2010年之前K值减小，2010年之后均是先增大后减少。降水pH值和K值大致上呈负相关关系。

3.2季节变化

各站pH值均随季节变化[6,7](图2)，大体是夏季最大，冬季最小，但通山站例外，通山站最小pH值出现在秋季。嘉鱼站四季pH值均小于4.5(pH值小于4.5强酸性降水标准，下同)，而通山站四季pH值均大于4.5，金沙和武汉站仅夏季pH值≥4.5。从K值的季节变化看，武汉站的变化幅度不大，而其他3个监测站则季节性变化明显，秋季最小，春季最大，究其原因可能是：武汉是特大型城市，汽车保有量大、工业发达、人口集中，汽车尾气和工业排放能产生大量污染物，因而其主要污染物是本地产生的且不随季节变化；而其他3个监测站位于小城市，汽车保有量小、工业不发达，其主要污染物可能是输入性的，受风向影响较大，而不同季节主导风向有明显区别，因而其K值的季节性变化明显。

3.3不同强度酸雨频率变化

嘉鱼站和金沙站大致是2011年以前强酸性酸雨的频率在不断减少，而中度性酸雨和弱酸性酸雨的频率增大，2011年之后强酸性酸雨频率增大，中度性酸雨和弱酸性酸雨的频率在减少(图3(a)和(c))。通山站强酸性酸雨频率呈减弱趋势，中度性酸雨和弱酸性酸雨频率呈增大趋势，2011年强酸性酸雨频率只有1%(图3(b))。武汉站2010年以前，强酸性酸雨的频率及中度性酸雨和弱酸性酸雨的频率变化幅度大，2011年之后，变化幅度小，强酸性酸雨的频率增大，中度性酸雨和弱酸性酸雨的频率在减小(图3(d))[6,7]。

图3　嘉鱼站(a)、通山站(b)、金沙站(c)和武汉站(d)2008年～2012年不同强度酸雨的年变化Fig.3　The annual variation of different intensity of acid rain from 2008 to 2012

4　气象条件影响因素

4.1风向风速

利用2008年～2012年酸雨资料统计5年中不同风向和风速条件下酸雨发生频率[8]。

表1不同风速条件下的酸雨频率，除金沙站，其他3个监测站酸雨主要集中在风速<3m/s的气象条件下，概率在77%～95%，金沙站海拔在749.8m，因而风速较其它监测站大，酸雨主要发生在2m/s～6m/s之间，概率在61%。

通山站的酸雨频率随风速增大而减小，在风速不足1m/s时酸雨频率最大，为44%，风速在1～2m/s时酸雨频率为31%，而当风速达到5m/s以上时，无酸雨，说明通山站的污染物主要由本地产生的，是源地污染；而金沙站则相反，风速在2～5m/s时，酸雨发生频率最高，风速不足2m/s时酸雨频率随风速减小而递减，风速超过5m/s时酸雨频率随风速增大而递减，风速达到8m/s以上时仍然有酸雨，累计酸雨频率达到9%，金沙站海拔高度749.8m，周围无工业污染源，附近1km内无村庄，不同风速下酸雨频率的变化特征也进一步说明金沙的污染物以输入性为主。嘉鱼站和武汉站较为类似，风速较小时也有酸雨，但达到1～3m/s时，酸雨频率最大，在风速达到3m/s以上时，酸雨频率迅速下降，而风速在1m/s以下时也有较高的酸雨频率，说明武汉站和嘉鱼站既有输入性污染物也有源地污染物。

表1　4个监测站在不同风速下酸雨的频率

表2为4个监测站在不同风向下的酸雨频率，嘉鱼站、武汉站均是在偏北风的气象条件下酸雨发生的概率最大，分别为49%和41%，说明这两地污染物主要来自其北部，其中嘉鱼县就在武汉市南面且离武汉市很近，受武汉市的影响很大；通山站是在偏东风和偏西风的气象条件下酸雨发生的概率大，分别为36%和28%，这是因为通山站处在一个东西走向的山沟中，盛行东西两个方向的风，南北两方向的风较少；金沙站是在偏北风和偏东风的气象条件下酸雨发生的概率大，分别为30%和31%，其北面是咸宁市和武汉市，结合嘉鱼站、武汉站在偏北风的气象条件下酸雨发生的概率最大来看，说明北部有较大的污染源，而其东边是通山县，也是污染源之一。

表2　4个监测站在不同风向下酸雨的频率

在静风的条件下，通山站仍有15%的酸雨发生频率，说明通山站附近有污染源，同时由于城市规模的原因，受污染程度较之武汉要弱很多，所以通山站是4个监测站中酸雨最轻的地方；同样地，嘉鱼站在静风条件下酸雨的发生频率为5%，也说明监测站四周有污染源，加之受到外界的影响，从而造成嘉鱼站是4个监测站中酸雨最严重的地方。

4.2降水量

图4为4个酸雨监测站2008年～2012年月平均降水量与pH值的关系，从图中可以看出，降水量与pH值有着很好的对应关系，随着降水量的增大，pH值也同样增大，说明降水对酸雨有稀释作用，尤其夏季降水是一年中雨量最充沛的时候，此时对应降水pH值也最大[9,10]。

由于嘉鱼站离武汉城市近的原因，嘉鱼站pH值变化幅度较其它3个监测站均小，但是在夏季降水量增大的条件下，pH值还是有小幅度的增大；通山站在夏季来临前降水pH值减小，通过对风向的统计，表明在此时盛行偏东风和偏西风，由于通山县特殊的地理位置，污染物在此时伴随着偏东风或偏西风在通山传入，因此造成降水pH值减小，之后随着降水量的逐渐增大，降水pH值明显增大。

图4　嘉鱼(a)、通山(b)、金沙(c)和武汉(d)2008年～2012年平均月降水量与pH值关系Fig.4　Correlation between average monthly precipitation and pH value from 2008 to 2012 of four stations

5　武汉市与咸宁市金沙站的相关性分析

相关性分析是考察两个变量之间线性关系的一种统计分析方法。更精确的说，当一个变量发生变化时，另一个变量如何变化，此时就需要通过计算相关系数来做深入的定量考察。

表3为武汉与金沙站日(样本数319)、月(样本数60)、春(样本数64)、夏(样本数74)、秋(样本数72)和冬(样本数64)的相关系数，日和月的相关系数通过ɑ=0.01的显著性检验(在统计学上具有意义)。表明武汉站与金沙站的酸雨日与月的置信度为99%，有着十分显著的相关性。而四季的相关系数未通过显著性检验。

表3　武汉站与金沙站日、月和四季相关系数

6　结　论

通过对咸宁市3个酸雨监测站和武汉站2008年～2012年的酸雨资料分析，得出以下结论：

6.1咸宁和武汉酸雨总体呈现减弱趋势，强酸性降水的频率减小，年平均pH值的大小与强酸性降水的频率呈负相关。

6.2降水pH值和K值大致呈负相关关系。

6.3降水pH值呈明显的季节变化，大致是夏季pH值最大，冬季最小。

6.4降水pH值的大小与降水量有着密切关系，降水量越大，pH值越大。

6.5金沙站酸雨主要发生在2m/s～6m/s，其他3个测站发生在<3m/s的气象条件下。

6.6金沙站的污染物以输入性为主，而通山站的污染物主要本地的，嘉鱼、武汉站介于两者之间，既有本地的也有输入的。

6.7武汉站与金沙站的日、月酸雨变化有着十分显著的相关性(通过0.01显著性检验)，而季节相关性不明显。

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Contrastive Analysis of Characteristic of Acid Rain in Xianning and Wuhan

HE Li-wei1，WANG Neng-gen1，PENG Xi-can1，WU Qiong2

(1.TheXianningMeteorologicalBureau,Xianning,Hubei437100,China；2.NanjingUniversityofInformation&Technology,Nanjing210044,China)

Through the analysis of the acid rain data from three acid rain monitoring stations in Xianning City and WuHan monitoring station (the data from WuHan monitoring station is from 2008 to 2012), the distribution characteristics of the pH, K value and the frequency of acid rain in Xianning and Wuhan were studied. The possible causes of the differences of the acid rain between Wuhan and Xianning were analyzed. The results showed that the acid rain in both Xianning and Wuhan generally present declining trends. Strong acid rain frequency had decreased. The annual average pH value was negatively related to the frequency of strong acid rain. PH and K values generally showed a negative correlation. pH values showed significant seasonal variation, generally highest in summer and lowest in winter. pH values had positive correlation with precipitation, the more the precipitation is, the higher the pH value. Acid rain at JinSha Station mainly occurred when the wind speed was 2 ～ 6m/s, at the other three stations, it was occurred when the wind speed < 3 m/s. In JinSha Station, the pollutants were mainly transported while in Tongshan station, the pollutants were mainly local. In Jiayu and WuHan station, there were both transported and local pollutants. There is a significant correlation of daily and monthly acid rain variation between Wuhan and JinSha Station,(through ɑ=0.01 significant test), however the seasonal correlation is not obvious.

Acid rain; pH; K value; acid rain frequency; correlation

2014-09-02

贺莉微(1988-)，女，陕西绥德人，2011年毕业于南京信息工程大学大气科学学院大气科学专业，助理工程师，研究方向为天气预报和环境。

X517

A

1001-3644(2015)02-0033-06